殷瑞祥, 呂念玲, 賴麗娟, 李 磊, 李 斌

(華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院， 廣州 510640)

0 引 言

工程教育是我國(guó)高等教育的主要組成部分，2003年我國(guó)開(kāi)始試行工程教育專業(yè)認(rèn)證并于2016年6月正式加入國(guó)際工程教育認(rèn)證組織——華盛頓協(xié)議[1]，確定了以學(xué)生能力成長(zhǎng)為宗旨的工程教育目標(biāo)，明晰了12項(xiàng)工程專業(yè)教育畢業(yè)達(dá)成指標(biāo)[2-4]。實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)是工程教育中不可或缺的重要教育教學(xué)環(huán)節(jié)，新工科建設(shè)則對(duì)人才工程能力的培養(yǎng)提出了更高的要求[5]，因此，科學(xué)有效地實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)是保障工程專業(yè)人才培養(yǎng)畢業(yè)達(dá)成的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。

然而，高校工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)和實(shí)施與學(xué)生能力成長(zhǎng)的關(guān)聯(lián)性和匹配性問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

(1) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置的科學(xué)性。一直以來(lái)，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本是由經(jīng)驗(yàn)豐富的教師和工程師根據(jù)自身或他人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)規(guī)劃設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的局限性，實(shí)際的教學(xué)效果存在諸多不確定性，對(duì)于學(xué)生能力成長(zhǎng)的達(dá)成貢獻(xiàn)往往具有一定的模糊性，不能從根本上確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性。

(2) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過(guò)程的有效性。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)是通過(guò)成熟內(nèi)容訓(xùn)練學(xué)生的能力，因此，實(shí)驗(yàn)的過(guò)程比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更加重要。但實(shí)驗(yàn)教學(xué)中結(jié)果檢測(cè)往往比過(guò)程檢測(cè)容易，造成了現(xiàn)實(shí)教學(xué)中重結(jié)果輕過(guò)程的現(xiàn)狀，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)常常走過(guò)場(chǎng)、效率低。

要解決高校工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的科學(xué)性和有效性問(wèn)題，首先必須明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵，以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成之間的關(guān)系，找出實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)內(nèi)涵之間的關(guān)聯(lián)，科學(xué)地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并在教學(xué)過(guò)程中切實(shí)地實(shí)施監(jiān)控。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工程專業(yè)服務(wù)于人才培養(yǎng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，形式上是一個(gè)整體、流水線和多階段的綜合教學(xué)過(guò)程，每個(gè)階段緊密相聯(lián)，因此，科學(xué)整體規(guī)劃是決定實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的重要因素[6-9]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)的前提是明確教學(xué)目標(biāo)與學(xué)生能力成長(zhǎng)需求的匹配，因此，以工程背景深厚的電子信息學(xué)科為研究對(duì)象，開(kāi)展國(guó)內(nèi)電子信息產(chǎn)業(yè)用人單位對(duì)人才能力需求和畢業(yè)生自身工作體會(huì)的調(diào)查，調(diào)查樣本結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 調(diào)查樣本結(jié)構(gòu)表

在2006年的調(diào)查中，我們通過(guò)對(duì)電子信息產(chǎn)業(yè)相關(guān)企事業(yè)單位發(fā)放“用人單位對(duì)畢業(yè)生能力內(nèi)涵指標(biāo)調(diào)查表”和對(duì)畢業(yè)5年以上仍工作在技術(shù)一線的畢業(yè)生發(fā)放“學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能力內(nèi)涵調(diào)查表”的方式展開(kāi)信息收集，對(duì)收集到的反饋信息，會(huì)同產(chǎn)業(yè)界的企業(yè)家和工程師進(jìn)行深入研討，分解出實(shí)驗(yàn)教學(xué)的10項(xiàng)目標(biāo)內(nèi)涵。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步就10項(xiàng)目標(biāo)內(nèi)涵對(duì)處理復(fù)雜工程問(wèn)題能力的貢獻(xiàn)率問(wèn)題，發(fā)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)內(nèi)涵指標(biāo)對(duì)處理復(fù)雜工程問(wèn)題的貢獻(xiàn)率調(diào)查表，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)歸納和統(tǒng)計(jì)得出各項(xiàng)內(nèi)涵對(duì)學(xué)生畢業(yè)后5年處理復(fù)雜工程問(wèn)題能力的貢獻(xiàn)率，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵對(duì)5年后處理復(fù)雜工程問(wèn)題能力的

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與畢業(yè)達(dá)成的映射

實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是由各個(gè)實(shí)驗(yàn)課程承擔(dān)，而每門(mén)課程又有多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為了將能力需求與實(shí)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)相對(duì)應(yīng)，并最終以此作為指導(dǎo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，基于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵分解，建立各項(xiàng)內(nèi)涵與畢業(yè)達(dá)成目標(biāo)的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造了實(shí)驗(yàn)課程與畢業(yè)達(dá)成之間的網(wǎng)絡(luò)映射模型，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的反向傳播和調(diào)整原理，在多次閉環(huán)調(diào)整后，可趨近于模型參數(shù)的最佳調(diào)整結(jié)果[10]。模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)圖2，該網(wǎng)絡(luò)映射模型建立了各門(mén)實(shí)驗(yàn)課程在工程專業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中與畢業(yè)達(dá)成目標(biāo)之間的量化聯(lián)系，為工程專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量認(rèn)證提供支撐。

3 工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的量化設(shè)計(jì)模型[11-12]

在完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵指標(biāo)與學(xué)生能力成長(zhǎng)的12項(xiàng)畢業(yè)達(dá)成指標(biāo)之間的映射基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)課程中各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行了量化建模，并構(gòu)造量化設(shè)計(jì)模型，主要過(guò)程如下：① 根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)安排，定義了3類(層次)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。② 從教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)內(nèi)涵給出預(yù)期要求。③ 利用能力貢獻(xiàn)率Rn%和教學(xué)內(nèi)涵預(yù)期要求，建立實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類別的量化模型。④ 結(jié)合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目層次權(quán)重，建立實(shí)驗(yàn)課程性質(zhì)(類別)的量化模型。

以“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”為例，各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的具體過(guò)程如下：

(1) 根據(jù)培養(yǎng)方案，確定課程定位和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目預(yù)分類。模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課在信息工程和電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案中均屬于核心實(shí)驗(yàn)課程，課程定位系數(shù)W為2；培養(yǎng)方案要求20學(xué)時(shí)，擬設(shè)置5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)安排的不同，將這5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)分類(類別以P代表)，包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)應(yīng)1,2及3的權(quán)重值。

圖2 實(shí)驗(yàn)課程、內(nèi)涵與畢業(yè)達(dá)成目標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)映射模型

(2) 建立實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵與實(shí)驗(yàn)層次分析表，設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與各內(nèi)涵的關(guān)聯(lián)度。將5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的預(yù)分類類別標(biāo)注在表2最后1列。再根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，對(duì)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目制定預(yù)期的10項(xiàng)內(nèi)涵分解系數(shù)knj，如表中陰影部分各行所示，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)涵分解系數(shù)和為100%。

表2 《模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵分解與實(shí)驗(yàn)類別分析表(kij%)

(3) 確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目性質(zhì)。針對(duì)各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目制定預(yù)期的10項(xiàng)內(nèi)涵分解系數(shù)knj，結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵對(duì)學(xué)生能力成長(zhǎng)貢獻(xiàn)率Rn，確定各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類別權(quán)重系數(shù)(基本實(shí)驗(yàn)權(quán)重為1，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)權(quán)重為2，綜合性實(shí)驗(yàn)權(quán)重為3)：

(1)

j=1，2，…，N

式中，N為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)。

以基本放大電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，其權(quán)重系數(shù)計(jì)算如下：

所以P1=1，依次算出權(quán)重系數(shù)：

實(shí)際計(jì)算出的5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類別權(quán)重值Pj與預(yù)分類定位一致，表明該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目制定的預(yù)期內(nèi)涵分解系數(shù)knj設(shè)置滿足教學(xué)目標(biāo)的要求。

(4) 確定實(shí)驗(yàn)課程性質(zhì)。在確定了各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類別后，利用實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類別權(quán)重系數(shù)，統(tǒng)計(jì)整門(mén)實(shí)驗(yàn)課程在10個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵的分解系數(shù)：

(2)

n=1,2,…，10

以K1的計(jì)算過(guò)程為例

依次算出的K2～K10見(jiàn)表2課程綜合統(tǒng)計(jì)的最末1行。

最后，根據(jù)表2最末1行的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定實(shí)驗(yàn)課程的定位系數(shù)(基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程W=1，核心實(shí)驗(yàn)課程W=2，關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)課程W=3)：

(3)

本例中

對(duì)照式(3)確定課程定位系數(shù)W=2，與培養(yǎng)計(jì)劃要求的課程定位相一致。

當(dāng)課程定位系數(shù)不符合培養(yǎng)方案的要求時(shí)，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目預(yù)期設(shè)置不合理，應(yīng)根據(jù)要求的系數(shù)范圍，利用反向調(diào)整并修改實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，最終匹配培養(yǎng)方案對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的定位要求。

(5) 內(nèi)容載體的選擇和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。在確定預(yù)期的實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵分解系數(shù)knj滿足教學(xué)目標(biāo)，確定實(shí)驗(yàn)課程性質(zhì)滿足教學(xué)計(jì)劃的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論課教學(xué)，選擇與實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵C1～C1010項(xiàng)指標(biāo)相匹配的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容載體并制定實(shí)驗(yàn)方案，落實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的各項(xiàng)觀測(cè)點(diǎn)。圖3以模擬電子技術(shù)單元實(shí)驗(yàn)—兩級(jí)放大電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，列舉該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵指標(biāo)的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)過(guò)程包括了：設(shè)定實(shí)驗(yàn)課程的預(yù)設(shè)目標(biāo)；分解各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)定；將目標(biāo)量化落實(shí)到具體的內(nèi)涵；利用量化模型，檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)的合理性，形成閉環(huán)修改的設(shè)計(jì)流程，如圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵的對(duì)應(yīng)關(guān)系舉例

圖4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的閉環(huán)設(shè)計(jì)流程

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程控制[13-15]

(1) 將一次考試方式轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目考評(píng)。將實(shí)驗(yàn)課程一次考試分解為多項(xiàng)目全過(guò)程全面評(píng)價(jià)，細(xì)化了教學(xué)過(guò)程，使每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目具備明確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提高整體的教學(xué)效果。

(2) 按各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的預(yù)期內(nèi)涵目標(biāo)制定考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，注重過(guò)程考評(píng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，制定基于內(nèi)涵指標(biāo)的考核評(píng)價(jià)體系，對(duì)每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)實(shí)行全過(guò)程評(píng)價(jià)考核。表3給出“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”兩級(jí)放大電路項(xiàng)目的評(píng)價(jià)內(nèi)容與觀測(cè)點(diǎn)。

(3) 利用實(shí)驗(yàn)在線共享平臺(tái)，嚴(yán)控實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與過(guò)程認(rèn)證兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有效解決實(shí)驗(yàn)過(guò)程管理中身份認(rèn)證和能力認(rèn)證的難題。開(kāi)發(fā)了電類實(shí)驗(yàn)室電源智能管理系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作啟動(dòng)與預(yù)習(xí)達(dá)標(biāo)的方式推動(dòng)學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)，從源頭上保證實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量；同時(shí)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研制了“實(shí)驗(yàn)在線共享平臺(tái)”，該平臺(tái)具備學(xué)生刷臉登陸、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳、錯(cuò)誤提醒、實(shí)驗(yàn)成績(jī)自動(dòng)評(píng)價(jià)、學(xué)情信息統(tǒng)計(jì)分析以及學(xué)生個(gè)性實(shí)驗(yàn)方案定制等功能；并且還具備對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集功能，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)反饋調(diào)整機(jī)制，從而保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)。

表3 兩級(jí)放大電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目評(píng)價(jià)表

5 結(jié) 語(yǔ)

以教學(xué)目標(biāo)與學(xué)生能力成長(zhǎng)需求的匹配為導(dǎo)向，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵分解基礎(chǔ)上提出了一套實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的閉環(huán)量化設(shè)計(jì)方法，從2010年在“電路實(shí)驗(yàn)”課等實(shí)驗(yàn)課程中開(kāi)展了教學(xué)改革的試行，共347名學(xué)生參與改革的實(shí)驗(yàn)課；至2014年，對(duì)全部32門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)及專業(yè)實(shí)驗(yàn)課完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，先后8屆4500多名本科學(xué)生參與了改革的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教學(xué)改革成果表明，該教學(xué)改革方法使得學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣得到提高，激發(fā)了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，實(shí)踐能力得到顯著提升，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果明顯改善；且對(duì)其他工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著較好的可移植性，具有較好的參考價(jià)值。