康廣玉 張建勛 趙堅 任權昌

摘要：“新工科”背景下的創(chuàng)新工程教育對高校課程教學改革提出新要求。文章以“電工學”為例，從新時代人才培養(yǎng)和新工科建設需求的角度，將思政元素融入專業(yè)教學，通過推進學科交叉融合、搭建科技文化交流與競賽創(chuàng)新平臺、運用思維導圖方法和互聯(lián)網(wǎng)+教育等教學改革，拓寬學生知識面，提升學生創(chuàng)新實踐能力和解決復雜工程問題的能力。

關鍵詞：新工科;電工學;交叉融合;創(chuàng)新平臺;思維導圖;互聯(lián)網(wǎng)+教育

中圖分類號：G712? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1672-5727（2022）06-0077-05

作者簡介：康廣玉（1975—），男，博士，天津城建大學控制與機械工程學院高級工程師，研究方向為模式識別、電工電子技術理論與實驗教學;張建勛（1975—），男，博士，天津職業(yè)技術師范大學信息技術工程學院副教授，研究方向為云計算;趙堅（1966—），女，博士，天津城建大學控制與機械工程學院教授，研究方向為機電系統(tǒng)一體化設計：任權昌（1981—），男，碩士，天津城建大學土木工程學院實驗師，研究方向為結構力學。

基金項目：天津市教育改革項目“基于華為ICT產(chǎn)業(yè)學院的網(wǎng)絡工程一流專業(yè)建設探索與實踐”（項目編號： B201006604）;天津城建大學項目“課程思政示范課建設項目‘電工學’”（項目編號：JG-KS-2159）

2017年，教育部提出“新工科”發(fā)展規(guī)劃，為我國工程教育的改革創(chuàng)新提供了指導思路[1]。在科技進步、產(chǎn)業(yè)融合和轉型升級的大背景下，培養(yǎng)厚基礎、寬口徑、多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才已成為高等工程教育的重要任務[2]?！半姽W”是非電類學科的一門專業(yè)技術基礎課，本文從人才培養(yǎng)和新工科建設的角度出發(fā)，在分析學生實際學習情況的基礎上，結合學生所在專業(yè)的知識結構體系，正確認識電工學課程在其專業(yè)培養(yǎng)目標中所起的作用，在“新工科”視閾下對“電工學”教學改革進行探索與實踐，樹立理論聯(lián)系實際、活學活用、具體問題具體分析的工程科學觀點，幫助學生準確、高效、完整地理解相關的理論、概念及方法，以期提高電工學課程的教學效果。

一、新工科建設對人才培養(yǎng)的新訴求

習近平總書記指出，“當下我們對高等教育的需要比以往任何時候都更加迫切，對科學知識和卓越人才的渴求比以往任何時候都更加強烈。高校立身之本在于立德樹人。只有培養(yǎng)出一流人才的高校，才能夠成為世界一流大學。辦出世界一流大學，必須牢牢抓住全面提高人才培養(yǎng)能力這個核心點”[3]。新工科是在為了適應國家戰(zhàn)略發(fā)展的需求、國際競爭形勢的變化、培養(yǎng)卓越人才的要求背景下提出的[4]，目的在于應對形勢變化、開創(chuàng)未來，不僅要重視各學科的實用性、交叉性，而且還要求知識繼承與創(chuàng)新、學科交叉與融合，通過協(xié)調(diào)與共享的途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。教育部建設“新工科”戰(zhàn)略構想的提出，對于完善工程教育人才培養(yǎng)體系意義重大，是對未來工程人才缺乏或人格素養(yǎng)不完善的現(xiàn)狀而適時提出的應對措施[5-6]。綜上所述，高校要牢牢把握立德樹人這個根本任務，聚焦前沿性、交叉性、顛覆性技術人才的需求，打破學科壁壘，搭建多學科交叉融合平臺，最大限度地激發(fā)學生的主動性、創(chuàng)造性，使之具備堅實的專業(yè)基礎、優(yōu)秀的綜合素質、廣闊的國際視野和豐富的人文情懷，以及發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，成為能夠引領未來技術發(fā)展的創(chuàng)新領軍人才。

二、“電工學”課程教學現(xiàn)狀

“電工學”課程是工科院校非電類學科的一門專業(yè)技術基礎課。該門課程的教學內(nèi)容包括交直流電路、電機、電控、數(shù)字模擬電子等諸多知識點，涉及面廣且實踐性強，是培養(yǎng)與生產(chǎn)生活緊密聯(lián)系的理工科相關專業(yè)人才的基礎學科，具有綜合性和跨學科的特色[7]，但在實際教學過程中存在以下問題：

（一）課程學習目的不明確

不同專業(yè)的培養(yǎng)方案也存在差異，“電工學”課程對不同專業(yè)學生的教學內(nèi)容也各有偏重。以往在教學過程中對學生的引導不夠充分，有些學生誤認為只要學好自己的專業(yè)就可以，“電工學”課程和本專業(yè)的關系不大，以后工作中也不會用到，不了解學科交叉融合對專業(yè)發(fā)展的重要性。未來社會需要一專多能的復合型人才，不僅要在本專業(yè)有突出的能力，還應具備較高的相關技能。由于學生弄不清楚“電工學”課程開設的目的和意義，因此對這門課程重視不足，缺乏學習興趣，學習較為被動，只為應付考試。

（二）教學方法過于傳統(tǒng)

“電工學”通常采用課堂講授理論、實習和實驗傳授操作技能的教學方式。一些教師仍采用“一言堂”的授課形式，師生之間缺乏互動。這種學生參與度較低的課堂，容易使一部分自制力較差的學生處于心不在焉的狀態(tài)。再就是一些教師在教學過程中互聯(lián)網(wǎng)、多媒體等新型教學方式方法使用不夠，導致知識傳授不夠直觀生動，課堂對學生缺乏吸引力，上課專注度不高，教學效果不好。

（三）理論和工程實踐聯(lián)系不夠緊密

“電工學”課程既有很強的理論性，又有很強的實踐性。在課程設計方面，一般理論課時相對實驗實訓課時占比較高，導致學生的動手實操能力難以得到很好的鍛煉，不利于學生分析和解決復雜問題等綜合實踐能力的提高。在“電工學”授課中，教師往往側重于講授概念、定律和各種數(shù)學工具、分析方法，理論聯(lián)系實際不足，缺乏工程案例分析，也沒有充分考慮到“電工學”與其他學科的交叉融合，以及學生學習理解知識的規(guī)律性、興趣點。學生在學習過程中，相比理論知識的掌握，更加關注如何將所學的電工電子技術應用于專業(yè)實踐中，學生更期望對所學的知識“看得見、摸得著、用得到”。因此，教師的純理論、灌輸式教學方式，不利于學生整體知識體系的形成。

三、“電工學”課程教學改革實踐

按照新工科的要求，“電工學”這門課程不僅培養(yǎng)學生解決電氣信息類技術問題的能力，還要培養(yǎng)學生應用數(shù)學和自然科學解決工程問題的能力。作為“電工學”教師如何充分考慮其學科專業(yè)的特點和需求，采用恰當?shù)闹v授方法，深入淺出地將背后的技術方法和科學思想展現(xiàn)給學生，使學生感受工程之美、智慧之光，這是大學教師“春風化雨，潤物無聲”的至高教育境界。

（一）思政教育融入專業(yè)課程，筑牢學生專業(yè)報國的理想信念

在講授電動機生產(chǎn)使用時，可聯(lián)系歷次工業(yè)革命對世界經(jīng)濟、政治格局的影響。如前三次工業(yè)革命，分別以英國蒸汽動力、美國電氣技術、信息革命為代表，英美迅速崛起并成為世界性大國。隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等技術的發(fā)展，發(fā)達國家制造業(yè)開始向工業(yè)4.0升級轉化[8]。與發(fā)達國家相比，我國的工業(yè)化進程尚未完成，應開發(fā)利用網(wǎng)絡化、數(shù)字化等技術，堅持智能化改造，實現(xiàn)彎道超車，這是我國實現(xiàn)中華民族偉大復興的良好契機。通過對比我國電子技術與發(fā)達國家之間的差距，分析中國在科技領域的優(yōu)勢及不足，讓學生意識到本節(jié)知識對其個人發(fā)展或推動社會進步的重要意義，引導學生關注電子技術發(fā)展前沿，增強學生為國爭光的使命感和責任感，培養(yǎng)學生愛國、愛黨、愛專業(yè)的情懷。

（二）推進學科交叉融合，培養(yǎng)學生工程能力和工程意識

與傳統(tǒng)工科相比，“新工科”更強調(diào)學科的實用性、交叉性與綜合性。從當前的發(fā)展趨勢看，新一代信息技術、網(wǎng)絡安全、集成電路、智能制造、高端裝備、新能源、智慧城市、智慧建筑等為數(shù)眾多的產(chǎn)業(yè)領域均需要多學科專業(yè)的交叉融合[9]。以天津城建大學為例，化工、土木、能源、動力、材料等非電類本科專業(yè)，更需要以“電工學”課程的學習來加強實踐能力的培養(yǎng)?！半姽W”課程作為培養(yǎng)“新工科”人才的基礎課程，既要強調(diào)其基礎性，又要突出其應用性，在打牢理論基礎的前提下，提高學生的創(chuàng)造性思維和工程實踐能力，為今后專業(yè)課程的學習奠定堅實的理論基礎和活躍的思維方式。

在“電工學”授課過程中，將案例分析法引入課堂教學，提高學生綜合應用所學專業(yè)知識、解決處理復雜工程問題的能力。如盾構機研制是一個龐大的系統(tǒng)工程，需要機械、電氣、控制、地質、土木工程等學科的綜合。針對土木專業(yè)的學生，根據(jù)他們的專業(yè)特點，將盾構機作為教學案例，幫助學生了解國內(nèi)外的地鐵、隧道等工程中盾構機的使用情況。在課堂教學中適時而準確地分析這種案例，不僅可以讓學生學習到電機與電控的理論知識，而且還能使學生從第一視角接觸到工程案例。通過對工程案例的深入分析，學生在尋求問題答案的過程中加深對控制電路的理解，能有效培養(yǎng)學生的實操能力和分析問題的能力;通過對提出的控制電路問題的解答，可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，從而激發(fā)學生的求知欲望，開闊學生思維想象空間，積極釋疑，促進教學質量提高。

（三）科技文化與學科競賽相結合，強化對學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

科技的不斷發(fā)展，則要求教育教學中涉及熱點問題的工程技術領域的學科內(nèi)容要實時更新，這對于教師的知識體系、能力水平、職業(yè)素質提出了更大地挑戰(zhàn)。在教學過程中，為擴展學生的電類知識面，每講到一個新的章節(jié)，則會以學習小組為單位，讓學生搜集與內(nèi)容相關的最新科技動態(tài)，并在課堂中進行科技文化分享交流活動。該活動一直堅持至今，大大調(diào)動了學生對課程學習的積極性與參與性。例如，在門電路與組合邏輯電路這一章，小組團隊講解了芯片技術的發(fā)展歷程：第一個集成電路是杰克·基爾比（Jack Kilby）在1958年完成的，并于2000年獲得了諾貝爾物理學獎。他把一個雙極型晶體管、三個電阻和一個電容器集成到了一個硅片上，第一枚小小的芯片誕生了。隨著技術的發(fā)展，目前每平方毫米上可以達到百萬個數(shù)量級的晶體管，芯片改變了世界。通過對芯片知識的交流分享，學生們意識到芯片是中國不能放棄的高端制造領域。類似在AI芯片領域的探索一樣，在更多的領域實現(xiàn)從無到有的突破，才能破解中國制造業(yè)的發(fā)展約束。

每年全國范圍內(nèi)都舉辦各類電子競賽，如全國大學生電子設計大賽、挑戰(zhàn)杯競賽等科技活動。競賽與高等院校相關專業(yè)的課程教學體系改革緊密結合，旨在培養(yǎng)學生的工程實踐能力和創(chuàng)造性思維，鍛煉學生解決實際問題的能力，這也是對指導教師的一次鍛煉。這些競賽面向的是全體大學生，每屆電子設計競賽都包含多種類型的題目，如無線電類、電源類、放大器類、信號源類、控制類、數(shù)據(jù)采集與處理類等，供不同學科專業(yè)的學生選擇。多年來，“電工學”教師積極鼓勵學生參加科技創(chuàng)新活動。通過這些活動，大多數(shù)學生的理論學習積極性得到了提高，科技創(chuàng)新意識和工程實踐能力得到了加強，為今后工作中熟練運用電工學知識與技能打下了堅實的基礎?，F(xiàn)在有更多的非電類專業(yè)的學生也參加各類電子競賽，如能動、機械、材料等專業(yè)學生在這類競賽中都取得了良好的成績。部分優(yōu)秀的各類專業(yè)的學生，正是通過參加全國大學生電子競賽或與之相關的各類電子科技活動，對電工學產(chǎn)生了濃厚的興趣，在畢業(yè)后從事本專業(yè)與電工學交叉融合的工作。

（四）將思維導圖法引入專業(yè)課教學，提升解決復雜工程問題的能力

新工科建設下的教學活動中學生是內(nèi)因，是學習的主體;教師是外因，要“傳道、授業(yè)、解惑”，引導啟發(fā)學生主動學習。關注點不僅僅在教師的“教”，更重要的是學生的“學”，使學生從重復記憶的低階學習進入到理解思考的高階學習，強調(diào)培養(yǎng)學生尋找適合個人特點的學習方式。在教學過程中采用思維導圖法，不僅能調(diào)動學生的學習積極性與學習興趣，更能讓學生尋找到在教與學全過程中的存在感，并建立有個人風格特點的學習方法。培養(yǎng)學生敢于提出問題、獨立分析問題并積極解決問題的能力，為畢業(yè)后能適應行業(yè)發(fā)展新需求解決復雜工程問題做好充足的準備。

將思維導圖法應用在電工學課程教學中，學生通過繪制思維導圖，可以整理學習思路，檢驗自身的學習效果，發(fā)現(xiàn)學習上的不足，有針對性地加強學習，彌補欠缺的知識點。繪制思維導圖的過程就是在自己頭腦中建立和完善知識結構，從而實現(xiàn)個性化和系統(tǒng)化的過程[10];同時，教師通過分析學生的思維導圖，可以了解學生對電工學各部分知識點的理解程度，決定是否還需要重點講解。因此，學生們繪制的思維導圖也可以作為課堂教學效果的一個反饋，對以后教學中的重點、難點起到指示作用。相對于簡單抽象的分數(shù)，思維導圖能夠準確地反映出學生的知識結構，學習思路、歸納總結能力等。

圖1是以直流電路為例建立的思維導圖。教師每完成一章的教學內(nèi)容之后，用5分鐘左右的時間對本章內(nèi)容進行總結，再次強調(diào)重點內(nèi)容。課后作業(yè)則是以繪制思維導圖的方式進行，要求學生將本章的知識點進行有機串聯(lián)，進一步對知識進行凝練并加深理解。這種方式可以將各個知識點連接起來，實現(xiàn)學習思路的可視化、清晰化、系統(tǒng)化。在兩年的時間里，共在8個班的253名同學中推廣使用思維導圖方法復習電工學，分析發(fā)現(xiàn)，自己能獨立完成思維導圖的同學，學習熱情、歸納總結能力大大提升，考試成績明顯好于沒有完成思維導圖的同學。

（五）依托互聯(lián)網(wǎng)，構建社交互動式的學習

隨著5G時代的來臨，網(wǎng)絡技術的不斷更新，學習方式已經(jīng)不再局限于面對面的課堂教學，而是正在向基于互聯(lián)網(wǎng)技術的泛在學習方式轉變，具有即時性和便捷性等優(yōu)點的“互聯(lián)網(wǎng)教育模式”悄然興起，逐漸成為教育領域的一種重要的教學方式，推動傳統(tǒng)課堂教學方式發(fā)生了改變。學生可以根據(jù)自己的特點進行選擇，充分利用各種零碎時間進行學習，滿足學習的個性化需求。雨課堂、慕課（MOOC）、在線開放課程都是以網(wǎng)絡為基礎的社交互動式的學習方式[11]，這使傳統(tǒng)單一的教學模式格局發(fā)生了改變。智慧教學逐漸成為當前我國教育信息化研究的熱點，如何根據(jù)課程特點利用新型的信息化技術設計及實踐課堂的教學模式是實現(xiàn)智慧課堂的關鍵。

受疫情影響，2020年春季學期學生無法返校，“電工學”課程采用基于雨課堂的線上教學方式，推送PPT并標出重要知識點，提醒學生做好課前預習工作，授課時利用彈幕提出問題，學生思考后發(fā)表自己的見解，回答正確則計入平時成績，用這種方式鼓勵學生思考，提高學生的參與感。在每個章節(jié)的教學中，均布置相應任務讓學生搜集與教學內(nèi)容相關的科技動態(tài)，通過雨課堂投稿，分享優(yōu)秀的投稿內(nèi)容，讓學生獲得滿足感。教師可以利用雨課堂的限時練習功能提出問題，學生通過小組討論，采用分組形式回答問題，用以實現(xiàn)學生在課堂上的互動。這樣的教學互動模式，既培養(yǎng)學生的團結協(xié)作意識，又激發(fā)學生的參與感和好勝心。

然而線上教學也有其不足，筆者對此進行了調(diào)查。問卷采用線上發(fā)放、線上填寫和回收的形式，對本學校126名學生發(fā)出問卷，收回109份，其中男生64人，女生45人，有效率86.5%，調(diào)查結果如表1所示。

通過對調(diào)查結果進行分析，線上教學準時率高，進入線上課堂相對容易，點開軟件即可。而線下則需要從宿舍、食堂等進入教室。專注度和參與度線上比較低，這是因為不用面對教師，缺乏監(jiān)督，對學生自律性要求較高。線上學習的優(yōu)點主要表現(xiàn)為重播功能方便復習;不受天氣、疫情影響;不受教室占座等限制;可利用零散時間學習。線下學習的優(yōu)點主要表現(xiàn)為上課專注度、參與感較好;同學之間方便討論，與教師交流也更為順暢。

根據(jù)調(diào)查結果，在學生返校后采取了線上與線下相結合的教學方式，可以取得如下優(yōu)勢：

一是線下教學時教師采用手寫板書。這種方式有推導過程，思路比較清晰，學生有思考的時間;課堂截圖發(fā)送給學生，學生自習時可以隨時查看，方便學生復習。

二是每個章節(jié)進行總結。采用PPT加語音講解的形式進行錄屏，課后推送給學生，學生可以把握學習重點。

三是雨課堂推送作業(yè)，檢查學習效果。錯誤率高的習題重點講解，錄屏推送，督促學生緊跟課堂進度，及時復習。

四是期末復習、總結重點難點和習題講解的時候，采用屏幕錄制的方式，方便同學回去整理和復習。

將信息化教學手段應用于“電工學”教學中，實現(xiàn)了線上和線下教學方式的有機結合，豐富了課堂教學內(nèi)容與形式，授課過程形象生動，調(diào)動了學生的學習熱情，提高了教學質量。

在新工科“多元化、創(chuàng)新型、卓越人才”培養(yǎng)理念的指導下，對“電工學”課程在非電類理工科專業(yè)的教學方案、教學方法進行了調(diào)研，分析了教育理念、教學內(nèi)容和教學方法方面存在的問題和不足，從“新工科建設”對學生“電工學”理論知識和實踐能力需求出發(fā)，在立德樹人、理念創(chuàng)新、模式創(chuàng)新、內(nèi)容更新、技術改革、體系創(chuàng)新等方面，對電工學課程方案建設和教學方法進行了探索，取得了一些積極效果。結合專業(yè)特點，培養(yǎng)一專多能的復合型人才;通過科技文化交流、電子競賽，培養(yǎng)富有開拓精神、求知欲強的創(chuàng)新型人才;通過思維導圖的引入，培養(yǎng)思路清晰條理分明的卓越人才。這些措施改善了“電工學”課程的學習效果，提高了學生的學習積極性和學習興趣，增強了學生的實踐創(chuàng)新能力和工程技術水平，為新時代高質量卓越人才培養(yǎng)體系建設提供強力支撐。

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（責任編輯：張宇平）

Exploration of "Electrical Engineering" Teaching Reform Oriented?to Solve Complex Engineering Problems

KANG Guang-yu1， ZHANG Jiang-xun2， ZHAO Jian1， REN Quan-chang1

（1.Tianjin Chengjian University， Tianjin 30084， China; 2.Tianjin University of Technology and Education， Tianjin 300222， China）

Abstract： Innovative engineering education under the background of the New Engineering puts forward new requirements for the reform of university's curriculum. In this paper， it takes electrical engineering as an example， and integrates ideological and political elements into professional teaching from the perspective of talent training and new engineering construction needs in current new era. Thus， all the comprehenisve measure may serve the purpose of promoting disciplines cross-integration， construction of technological and cultural exchanges and competition innovation platforms. While the use of new aids such as mind mapping， Internet + education， and other teaching reforms， it would broaden the breadth of students' knowledge， enhance students' ability to innovate and practice and solve complex engineering problems.

Key words： new engineering; electrical engineering; innovation platform; mind map; internet + education