消防专业“电工与电子技术”实验教学体系改革研究

薛彩姣，朱红伟，唐宝华，刘晓彬，刘晓军，赵 虹

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

高层建筑、地下工程、石油化工企业、公众聚集场所与日俱增。油品、燃气、毒气泄漏爆炸，隧道、地铁坍塌等灾害隐患不断增加。突发性强、处置过程复杂、危害巨大、防治困难的大型灾害时有发生[1]。社会发展所需要的消防专业人才素质在变化，培养学生综合素质和实践能力、创新能力的要求在不断提高，消防专业“电工与电子技术”实验教学体系也必须不断进行改革和完善。

1 实验教学体系改革的具体内容

针对目前学院消防专业“电工与电子技术”实验教学中存在的问题[2]，重点从实验教学内容的“实”——即教学内容要充实、综合和实际;实验教学模式的“活”——即教学模式要灵活、多样、高效;实验教学评价的“准”——即教学评价要客观、合理、准确，三个方面构建起以能力培养为主线，多层次、模块化[3]的实验教学体系。

1.1 实验教学内容的改革与设计

提高学生的第一任职能力是消防专业“电工与电子技术”实验教学的基本需求。分析和总结学生的第一任职能力，并由此映射出相应的教学内容，是构建实验教学体系的关键和逻辑起点。

实验内容注意 “紧贴专业实际”，反映部队建设的新成果、新装备，反映该学科发展的最新动态和前沿科学理论与技术。利用温度、氧气、烟雾、二氧化碳、有毒气体、红外探测、六轴加速度、大气压力、生理等传感器进行数据采集，能有效地解决消防员在灾害现场面临的人身安全、数据信息采集不足等问题。在实验中增加火灾探测电路、复合式火灾报警电路、消防联动控制电路、建筑照明电路、应急照明电路、对讲机电路、充电器电路、信号源电路等。增加了传感器展板、传感器实训系统、虚拟仪器、智能家居实训系统、RFID实验系统、物联网实训系统、电路板制作系统、3D打印机等仪器设备。鼓励学生根据自己的兴趣和能力自主选题。学生在实验中了解其应用，并根据专业需求进行改进，以增加学习的积极性和主动性。

1.2 实验教学模式的改革与设计

针对实验课时有限的情况，采用实验室和宿舍结合的方式，在实验教学模式方面进行改革。充分发挥传统实验教学和计算机信息化技术的优势，并使它们的优势得到互补，实现学生多维度自主地进行实验，提高实验教学的层次。实验教学模式如图1所示，可分为仿真实验、虚拟实验、硬件实验、软硬结合实验、远程软硬件共享实验。

图1 实验教学模式示意图

1.2.1 仿真实验

学生用Multisim、QuartusII仿真软件熟悉信号源、万用表、示波器、毫伏表等仪器仪表的使用，进行电路创建及信号仿真。电路仿真能辅助理解理论知识，出现问题并分析解决问题的过程有助于融会贯通各章节内容，提高课堂效率，减少仪器损坏率，降低成本。

1.2.2 虚拟实验

虚拟实验是以现代教育理论为指导，以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托而建立的一种新型实验教学系统。它利用计算机模拟真实的实验环境，为实验教学提供了一种全新的教学模式。

依托校园网服务器，在实验室计算机上安装了 “维修电工实训室”、“电子技能虚拟实训室”软件客户端。让学生利用开放时间到实验室进行虚拟实验，接触焊接、电动机内部结构、导线处理、收音机实训等常用电工与电子实用技术，给学生直观的印象。

1.2.3 硬件实验

在“模拟电路实验箱”、“电工实验台”上实际连接电路前，由学生自主设计电路，利用仿真软件调整元器件参数到理想状态，并通过微课视频熟悉硬件操作。由于仿真电路与实际电路元器件标称值存在一定的误差，所以实际电路还需要根据情况进行调整。

1.2.4 软硬结合实验

软硬结合实验的硬件和软件是相通的，有些实验系统电路必须通过软件写入硬件里，有些实验系统硬件的实验现象必须通过软件显示出来。学生在操作电子设计自动化软件QuartusII、单片机软件Keil、电路板制作软件Altium Designer、3D打印机软件3D Max、虚拟仪器软件Labview、物联网各种软件的基础上，将程序通过电脑的USB口下载到硬件里，进行硬件实验，观察硬件电路的实验现象。通过软硬结合实验，学生可以接触到电子行业发展的新技术，为科技创新提供技术支持。

1.2.5 远程软硬件共享实验

学生在宿舍通过客户端远程访问实验室的服务器软件进行“远程软硬件共享实验”[1]。通过服务器上的软件进行虚拟实验，或者输入自己的电路进行仿真，再下载到与服务器相连的硬件里，进行可编程器件的操作。通过与服务器相连的摄像头观看硬件的发光效果，通过话筒采集硬件的发声效果。“远程软硬件共享实验”能满足学生除“硬件实验”之外的所有实验模式。学生可在课前、课后根据自己的实际情况进行交互式和扩展性学习，这种方式使学生可以有个性地“先行”。

1.3 实验教学评价的改革与设计

以考核形式多样化，评价要素多元化，考核内容能力化，考核过程全程化为目标，探索新的实验评价方法[4]，建立注重培养学生的动手能力、创新意识和严谨求实的科学态度，有利于提高学生操作技能和搜集资料撰写报告或论文的评价体系。一是针对原来的实验教学大纲所有实验项目评价体系基本一样，评价标准太笼统的问题，新的实验教学规范根据具体实验项目，制定出不同标准，修改了评价内容及比例。二是针对消防指挥员到达灾害现场第一个需要考虑的问题是断电，工作结束需要整理器材，及时保养器材，把关闭仪器、切断电源，整理好实验设备列入了考查范围。三是针对操作比例过低，学生应付报告的情况，提高操作比例，增加实操考核。提高操作比例能激励学生重视操作，认真对待每一次实验，有利于提高学生的实验水平。实操考核以实验基本操作技能为主，由学生选取做过的或新实验考查实验能力，让学生边操作边讲解，教师针对操作或数据记录中出现的问题，进行提问。四是针对鼓励学生创新的需求，提高了设计性实验设计方案的比例。另外，仿真出与消防专业相结合或者实用性较强的实验电路，或者自行焊接了电路板，都作为实验操作的加分项。

综上所述，除了检查学生实验预习情况、实验的速度和数据的准确性、实验报告或论文的质量，更加重视实验过程、实验态度，设计电路新方案、发现新问题、解释实验现象新的角度、方法，以及良好实验室工作习惯和作风等。

2 实验教学体系的实施

实验教学体系的实施过程如图2所示。根据实验教学的授课方式不同可以分为实践技能选修、课程实验和开放实验。实施的基本思路是学生课前通过网络自学实验教学规范、预习要求、软件操作微课(含案例)、仪器操作微课等资料，进行实验预习和实验仿真；学生与教师之间利用微信进行学习交流，教师有充足的时间和精力及时发现并启迪和帮助学生处理实验中存在的问题；课上采用翻转课堂的形式对学生的预习情况进行提问，讲解共性问题。每个学生都可以根据自己的情况确定学习进度，从而实现课程学习进度的个性化，有利于分层化教学和应用型专业技术人才的层次化培养[5]，保证了每个学生独立完成实验，提高了实验教学的效果。

图2 实验教学体系实施过程图

2.1 实践技能选修

实践技能选修训练内容包括Multisim的基本界面与操作方法、Multisim的电路创建基础、Multisim的仪器仪表使用、Multisim的电路分析方法。该课程以学生自己训练为主，教师辅导为辅，训练方法主要采取案例引导、教师示范、分解练习、总体调试等方法。

2.2 课程实验

实验教学规范修改时，删除验证性实验，增加综合性实验。按照练为战的理念，验证性实验和综合性实验都属于练，设计性实验属于战的范畴。增加了练的内容，提高了练的水平。

2.2.1 验证性实验

验证性实验改成利用仿真软件进行自学。为了提高自学效果，根据电工与电子技术课程教材具体章节内容，建立教学案例库[6]，让学生自学。实验室的器材和实验室开放的时间是有限的，利用学生自己的电脑安装软件进行仿真是无限的。

2.2.2 综合性实验

在灾害现场对讲机接收设备天线谐振电路的基础上，增加与专业结合紧密的综合性实验“火灾探测电路”，学生选用消防专业常用的传感器采集灾害现场参数进行放大、和阈值比较、进行报警。

该实验基本内容包括传感器数据采集电路、模拟运算电路、电压比较器、报警指示或动作电路。提高性内容主要是实验方案：传感器数据采集电路的接法不指定；传感器的类型和参数不指定；模拟运算采用同相放大电路或者反相放大电路均可放大传感器接收到的实时状态信号；采用减法运算电路采集金属板上和塑料壳里的两路温度传感器的差值，进行放大，可以减少季节性的温度变化对灵敏度的影响；电压比较器同相端或者反相端接预置电压均可；报警指示器件例如二极管正接或者反接均可。拓展性内容主要是传感器数据达到特定值后或驱动电动机等其他装置动作。多种方案能帮助学生形成系统的知识结构，梳理各知识点之间的内在逻辑关系。

2.2.3 设计性实验

实验内容包括复合式火灾报警器控制电路的设计、消防联动控制电路的设计等。由学生根据自己的兴趣和爱好自由选题，课前提交设计方案，教师批改，修改无误后进实验室操作，以培养学生的创新思维。

2.3 开放实验

充分利用已有的软硬件条件，全面实现开放式实验教学。不仅在时间上、空间上对学生开放，而且实验内容、实验模式也对学生开放；不仅对本专业的学生开放，而且对其他专业的学生开放。

2.3.1 学生自选实验

教师提交实验室空闲的时间、支持实验的人数，学生申请，教师审核通过之后就可以进实验室了。鼓励学生设计和专业结合紧密的电路，充实仿真软件案例库，开拓学生的思维，形成良性循环。

2.3.2 科技创新

科技创新完全由学生独立或合作完成选题及整个实验过程。鼓励学生积极申报各种科技创新,他们获得了经费支持,有了更好的科研条件。面临各种各样的问题需要解决，按时结题的压力,促使他们把更多的时间和精力投入到了科技创新中去。科技创新充分发掘学生的潜能，全面地激发创新能力，不仅有助于学生科学素养的启蒙、养成和提高，同时还有助于培养学生的团队协作精神、增加学生的沟通和交流能力[7]。

2.3.3 科研项目

鼓励学生参与教师的科研项目，提高学生的科学研究能力。将学科领域最前沿的学术成果不断的充实到课程体系中，能弥补现有的课程体系与最新研究成果之间的知识断层，形成“科研-教学-科研”这样的体系。不仅使课堂教学充满生机，而且实现了教学相长。

3 结束语

构建的科学合理的“教学体系”，在学院所有消防专业的“电子线路辅助设计软件的使用”实践技能选修课实验、“电工与电子技术”课程实验，和开放实验教学过程中实施，课堂实验效率显著提高，实验教学效果明显增加。培养了学生科学性的实验思维、创新性的实验方法、探究性的实验意识，为学生提供了发展个性和施展才能的机会。学生具备了将电工、电子技术应用于本专业和发展本专业的能力，为学员今后从事相关消防工作奠定了一定的理论和实践基础。