高等学校工程专业实验教学的设计与实施

殷瑞祥, 吕念玲, 赖丽娟, 李 磊, 李 斌

(华南理工大学 电子与信息学院， 广州 510640)

0 引 言

工程教育是我国高等教育的主要组成部分，2003年我国开始试行工程教育专业认证并于2016年6月正式加入国际工程教育认证组织——华盛顿协议[1]，确定了以学生能力成长为宗旨的工程教育目标，明晰了12项工程专业教育毕业达成指标[2-4]。实验与实践教学是工程教育中不可或缺的重要教育教学环节，新工科建设则对人才工程能力的培养提出了更高的要求[5]，因此，科学有效地实施实验教学是保障工程专业人才培养毕业达成的一项关键任务。

然而，高校工程专业实验教学的设计和实施与学生能力成长的关联性和匹配性问题一直没有得到很好的解决，主要表现在以下两个方面。

(1) 实验教学内容设置的科学性。一直以来，高校实验教学基本是由经验丰富的教师和工程师根据自身或他人的经验来规划设计，由于经验的局限性，实际的教学效果存在诸多不确定性，对于学生能力成长的达成贡献往往具有一定的模糊性，不能从根本上确保实验教学内容的科学性。

(2) 实验教学实施过程的有效性。实验教学的目标是通过成熟内容训练学生的能力，因此，实验的过程比实验的结果更加重要。但实验教学中结果检测往往比过程检测容易，造成了现实教学中重结果轻过程的现状，使得实验教学常常走过场、效率低。

要解决高校工程专业实验教学的科学性和有效性问题，首先必须明确实验教学的内涵，以及实验教学与工程专业人才培养目标达成之间的关系，找出实验教学内容与目标内涵之间的关联，科学地设计实验内容，并在教学过程中切实地实施监控。

1 实验教学的内涵

实验教学是工程专业服务于人才培养的一个重要环节，形式上是一个整体、流水线和多阶段的综合教学过程，每个阶段紧密相联，因此，科学整体规划是决定实验教学效果的重要因素[6-9]。实验教学规划设计的前提是明确教学目标与学生能力成长需求的匹配，因此，以工程背景深厚的电子信息学科为研究对象，开展国内电子信息产业用人单位对人才能力需求和毕业生自身工作体会的调查，调查样本结构见表1。

表1 调查样本结构表

在2006年的调查中，我们通过对电子信息产业相关企事业单位发放“用人单位对毕业生能力内涵指标调查表”和对毕业5年以上仍工作在技术一线的毕业生发放“学校实验教学中能力内涵调查表”的方式展开信息收集，对收集到的反馈信息，会同产业界的企业家和工程师进行深入研讨，分解出实验教学的10项目标内涵。在此基础上，进一步就10项目标内涵对处理复杂工程问题能力的贡献率问题，发放实验教学目标内涵指标对处理复杂工程问题的贡献率调查表，经过数据归纳和统计得出各项内涵对学生毕业后5年处理复杂工程问题能力的贡献率，如图1所示。

图1 实验内涵对5年后处理复杂工程问题能力的

2 实验教学与毕业达成的映射

实际教学过程中，实验教学是由各个实验课程承担，而每门课程又有多个实验项目，为了将能力需求与实际实验教学相对应，并最终以此作为指导进行实验教学设计，基于实验教学内涵分解，建立各项内涵与毕业达成目标的关联网络结构，构造了实验课程与毕业达成之间的网络映射模型，基于神经网络模型的反向传播和调整原理，在多次闭环调整后，可趋近于模型参数的最佳调整结果[10]。模型结构如图2所示。根据图2，该网络映射模型建立了各门实验课程在工程专业人才培养过程中与毕业达成目标之间的量化联系，为工程专业人才培养的质量认证提供支撑。

3 工程专业实验教学内容的量化设计模型[11-12]

在完成实验教学内涵指标与学生能力成长的12项毕业达成指标之间的映射基础上，进一步对实验课程中各实验项目内容进行了量化建模，并构造量化设计模型，主要过程如下：① 根据实验课程学时安排，定义了3类(层次)实验项目。② 从教学目标出发，对每个实验项目的教学内涵给出预期要求。③ 利用能力贡献率Rn%和教学内涵预期要求，建立实验项目类别的量化模型。④ 结合实验项目层次权重，建立实验课程性质(类别)的量化模型。

以“模拟电子技术实验”为例，各个实验项目设计的具体过程如下：

(1) 根据培养方案，确定课程定位和实验项目预分类。模拟电子技术实验课在信息工程和电子科学与技术专业培养方案中均属于核心实验课程，课程定位系数W为2；培养方案要求20学时，拟设置5个实验项目，根据实验课程学时安排的不同，将这5个实验项目进行预分类(类别以P代表)，包括基础实验、设计实验和综合实验，分别对应1,2及3的权重值。

图2 实验课程、内涵与毕业达成目标的网络映射模型

(2) 建立实验内涵与实验层次分析表，设置实验项目与各内涵的关联度。将5个实验项目的预分类类别标注在表2最后1列。再根据教学目标，对各实验项目制定预期的10项内涵分解系数knj，如表中阴影部分各行所示，每个实验项目的内涵分解系数和为100%。

表2 《模拟电子技术实验》实验内涵分解与实验类别分析表(kij%)

(3) 确定实验项目性质。针对各实验项目制定预期的10项内涵分解系数knj，结合实验内涵对学生能力成长贡献率Rn，确定各实验项目类别权重系数(基本实验权重为1，设计性实验权重为2，综合性实验权重为3)：

(1)

j=1，2，…，N

式中，N为实验项目数。

以基本放大电路实验项目为例，其权重系数计算如下：

所以P1=1，依次算出权重系数：

实际计算出的5个实验项目类别权重值Pj与预分类定位一致，表明该实验项目制定的预期内涵分解系数knj设置满足教学目标的要求。

(4) 确定实验课程性质。在确定了各实验项目类别后，利用实验项目类别权重系数，统计整门实验课程在10个实验内涵的分解系数：

(2)

n=1,2,…，10

以K1的计算过程为例

依次算出的K2～K10见表2课程综合统计的最末1行。

最后，根据表2最末1行的统计数据，确定实验课程的定位系数(基础实验课程W=1，核心实验课程W=2，关键实验课程W=3)：

(3)

本例中

对照式(3)确定课程定位系数W=2，与培养计划要求的课程定位相一致。

当课程定位系数不符合培养方案的要求时，说明实验项目预期设置不合理，应根据要求的系数范围，利用反向调整并修改实验项目设计，最终匹配培养方案对实验课程的定位要求。

(5) 内容载体的选择和实验方案设计。在确定预期的实验内涵分解系数knj满足教学目标，确定实验课程性质满足教学计划的基础上，结合理论课教学，选择与实验内涵C1～C1010项指标相匹配的实验内容载体并制定实验方案，落实实验教学过程中的各项观测点。图3以模拟电子技术单元实验—两级放大电路设计实验项目为例，列举该实验内容和实验方案与实验内涵指标的具体对应关系。

综上所述，实验课程的设计过程包括了：设定实验课程的预设目标；分解各实验项目的设定；将目标量化落实到具体的内涵；利用量化模型，检验实验内容设计的合理性，形成闭环修改的设计流程，如图4所示。

图3 实验内容和实验方案与实验内涵的对应关系举例

图4 实验设计的闭环设计流程

4 实验教学的过程控制[13-15]

(1) 将一次考试方式转化为实验项目考评。将实验课程一次考试分解为多项目全过程全面评价，细化了教学过程，使每个实验项目具备明确的评价标准，提高整体的教学效果。

(2) 按各实验项目设计的预期内涵目标制定考核评价标准，注重过程考评。根据实验项目的设计，制定基于内涵指标的考核评价体系，对每项实验实行全过程评价考核。表3给出“模拟电子技术实验”两级放大电路项目的评价内容与观测点。

(3) 利用实验在线共享平台，严控实验预习与过程认证两个关键环节，有效解决实验过程管理中身份认证和能力认证的难题。开发了电类实验室电源智能管理系统，通过实验台工作启动与预习达标的方式推动学生做好课前预习，从源头上保证实验的教学质量；同时结合互联网技术，研制了“实验在线共享平台”，该平台具备学生刷脸登陆、实验现场关键实验数据上传、错误提醒、实验成绩自动评价、学情信息统计分析以及学生个性实验方案定制等功能；并且还具备对实验教学实施状态的数据采集功能，通过大数据分析技术，实现了动态反馈调整机制，从而保证实验教学的持续改进。

表3 两级放大电路设计实验项目评价表

5 结 语

以教学目标与学生能力成长需求的匹配为导向，在实验教学的内涵分解基础上提出了一套实验教学内容的闭环量化设计方法，从2010年在“电路实验”课等实验课程中开展了教学改革的试行，共347名学生参与改革的实验课；至2014年，对全部32门专业基础及专业实验课完成实验设计，先后8届4500多名本科学生参与了改革的实验教学。教学改革成果表明，该教学改革方法使得学生参与实验学习的兴趣得到提高，激发了学生参与实验的积极性，实践能力得到显著提升，实验教学效果明显改善；且对其他工程专业实验教学有着较好的可移植性，具有较好的参考价值。