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摘要：本文以工程教育认证理念为指导，针对非电类电工学实验指导书存在的问题，根据多年实践教学经验，结合实验教学大纲相关要求，从实验层次划分、实验内容设置、评分及考核方式等方面进行了一些探索和研究，并在使用过程中取得了较好的效果。
关键词：工程教育认证；实践教学；实验指导书
本文引用格式：李宏伟,等.基于工程教育认证理念的电工学实验指导书编写[J].教育现代化,2020,7(51):149-152,175.
Preparation of Electrotechnics Experiment Instruction Based on the Concept of
Engineering Education Certification
LI Hong-wei,CEN Hong-lei,NIE Jing
(Shihezi University,Shihezi Xinjiang)
Abstract:In this paper,guided by the concept of engineering education accreditation,aiming at the problems of electrotechnics experiment instruction in non-electric class,according to the practical teaching experience for many years,combining with the relevant requirements,experiment teaching outline from the experiment and the contents of the experiment,the different layers of grading and appraisal method made some exploration and research,and good results have been achieved in the use process.
Key words:Engineering education certification;Practical teaching;Test instruction
一引言
《电工学》是高等院校非电类工科专业的一门重要技术基础课，它融合了电路理论、电机与电器、模拟电子电路和数字电子电路等课程的相关知识，具有应用性、实践性强的特点。学生通过学习，能够掌握电工与电子技术的基本理论、基本知识和基本分析方法，了解电工、电子技术领域的新技术、新知识。结合实践教学环节，提高学生实际用电技术的能力，使学生在工程实践及日常生活中能够运用所学的电学知识分析和解决问题。因此，实验教学环节对学生在理解概念、培养动手能力、发现并解决问题、提高综合素质方面有很大帮助，一方面通过实验对所学知识有一个感性认识；另一方面通过动手实践又可加深对所学理论的理解，增强综合运用所学知识分析解决问题能力。
工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。工程教育专业认证的核心就是要确认工科专业毕业生达到行业认可的既定质量标准要求，是一种以培养目标和毕业出口要求为导向的合格性评价。工程教育专业认证要求专业课程体系设置、师资队伍配备、办学条件配置等都围绕学生毕业能力达成这一核心任务展开，并强调建立专业持续改进机制和文化以保证专业教育质量和专业教育活力。我国开展工程教育认证以来，对保障我国工程教育质量、教育教学改革都有较大的促进作用。在工程教育认证工作中，特别强调实践教学、生产实习对学生能力的培养，注重培养学生以所学知识为工具分析问题、解决问题和创新开发的能力。我校为适应新形势下社会需求，积极参与工程教育认证，自2014年以来多次对工科专业人才培养方案、教学大纲进行了编写和修订，以机械设计及制造自动化专业（以下简称机制专业）《电工学》课程为例，原有课内实验总共16学时；现行培养方案，实验独立设课共32学时，并在学期末增加一周的电工实训环节。
新版人才培养方案实施后，加大了实践环节所占比重，效果比较明显，学生的动手能力、分析解决问题的能力、参与SRP的积极性、毕业设计的实物产出数量都有明显提升。但在电工学实验教学过程中发现存在指导思想没有更新、实验顺序安排不合理、实验手段单一、实验层次设置不合理等问题，还需要不断改进。本文针对工程教育认证下如何改进电工学实验指导书及教学方法进行了一些探索[1-3]。
二 现状及存在的问题
实验指导书是实践教学环节的重要组成部分，优秀的实验指导书对培养学生分析问题、解决问题以及养成良好的实验习惯，有较好的引导与示范作用。如何体现以学生为主体的教学模式，让实验指导书在实践教学中促进学生主观能动性的发挥，达到提高实践教学质量的目的，必然要求改进原有实验指导书的内容与教学方法。现有电工学实验环节主要存在以下问题[4]。
1.指导思想没有更新，仍然停留在原有实验指导书的编写思路上，实验内容大多沿用课内实验的模式，存在验证性实验较多、实验项目之间的相关性较差等现象，很难做到以学生为主体，不利于学生主观能动性的发挥。
2.实验章节安排不合理，难以体现“以学生为主体”的理念。《电工学实验》作为一门独立的课程，应充分发挥学生的自主学习的能力，使学生通过了解实验设备，学会排除干扰因素、分析数据处理数据；教师应以指导为主，而不是一味地讲实验、说原理，以保证实验的正确性为目的。
3.推行工程教育认证以后普遍存在两种情况：其一是单纯增加实验数量，但实验内容、实验方式、教学方式并没有改变，教学效果有改进但不明显；其二是过于强调综合性和开发性实验，紧贴理论课程的验证性实验一减再减，动手能力加强了，但不利于加深对理论的理解。
4.教学手段单一，互联网、雨课堂、VR仿真模拟等多媒体教学方式融入较少，制约了学生的眼界与兴趣。
5.实验内容在深度方面不具有选择性，针对学生学习程度参差不齐，应设置不同难易程度的实验内容，分层次对应不同学生。
针对以上问题，笔者从实验层次划分、实验内容设置、考核方式改革等方面入手，着手编写新的实验指导书，并用于机制专业的实践教学，取得了较好的效果。
三 新版实验指导书的编写
电工学实验是一门以理论为基础的实践课程，重在实践，如何让学生“动”起来是关键。传统的实验指导书依附于理论课教材，着重强调对理论的理解；实验过程往往是：老师介绍设备、仪表使用方法，讲授实验内容及关键点，学生按照实验指导书的步骤动手做实验，完成实验报告。在此过程中学生是被动学习，老师仅起到了“授之以鱼”的作用。工程教育认证背景下实验指导书的内容要突出“以学生为中心”，提高学生的主观能动性和自主学习的能力，让学生成为学习的主体，教师应转变思路，“授之以渔”。
（一）掌握基本技能是学生“动”起来的前提
1.在大多数理论教材中，安全用电知识大部分放在最后，以学生自学为主。由于课程较多以及面临结课考试等原因，有很多学生直到毕业对安全用电知识也还是一知半解。
2.熟练掌握仪器仪表的使用，是学生动手实践的基础。同样的实验内容使用不同型号的仪器，同样型号的仪器使用方式不同，均有可能得出不同的实验结果。熟练掌握仪器仪表的使用，不仅能提高学生的兴趣，也是让学生“动”起来的前提条件。
3.如何采集数据，采集方式是否合理，如何判断哪些是干扰因素，如何处理数据并结合实验设计的理念来对待实验课，可以让学生养成良好的科研素养，培养工程意识。
结合以上几点，笔者认为电工学实验指导书在章节内容及时间安排上应做相应改变，将安全用电、常用仪器仪表的使用、数据的采集和处理等调整为实验指导书的第一章，并且时间安排上可以早于理论课[5,6]。
（二）实验内容和教学方法的改革
实验指导书的内容可分为：实验名称、实验目的、原理说明、实验仪器和仪表、注意事项、实验内容和实验报告撰写要求等。保持框架总体不变，而把改革的重点放在“充实实验内容和实验引导方式”上。笔者认为丰富的实验内容、多元化的教学方式、画龙点睛的小问题、深入浅出的实验过程、注重细节的过程管理、科学合理的考核方式，是提高学生兴趣，实现“以学生为主体”，主动探索知识的良好方式[7]。
1.设置引人入胜的小问题
实验目的一般都比较简洁，直奔标杆，如果在实验目的后面加入几个小问题会使实验目的更加形象化。以单相交流电路分析实验为例，实验目的包括：
（1）了解日光灯电路；（2）理解交流电路中电压、电流及功率之间的关系；（3）了解感性负载并联电容器对提高功率因数的意义；（4）学习功率表的使用方法。
如果在实验目的后面加入几个小问题作为引子，比如可以问（1）你见过几种形式的日光灯？都有启辉器吗？（2）本实验的日光灯电路中，灯管和镇流器是串联还是并联？如果灯亮后日光灯管两端的电压是110V，那么镇流器两端的电压应该是多少？（3）在你家的电路中并联电容能让你少交电费吗？通过这些小问题引发学生主动思考，往往会取得意想不到的效果。
2.多元化的切入方式
实验原理说明或要点说明，是对实验中所涉及理论部分的简洁说明或推导过程，是从理论——实践——知识这一过程的起点。原理说明部分可以采用填空的形式，让学生完成并了解相关理论，并作为平时成绩的一部分；答案放在实验指导书的后面几页供学生参考，或者以多媒体的方式让学生自行了解。
实验老师可以提供关于原理说明或应用的PPT、仿真案例、动画演示等资源，供学生参考，作为课前预习的一部分；在预习中完成实验内容模拟仿真的学生，可计入考评成绩，给与充分的鼓励与肯定。
3.分层次的实验内容
在实验内容设置上，充分考虑由于专业不同、学习能力不同、爱好不同等原因造成的差距，设置不同层次的实验内容。
首先要保证绝大多数学生通过实验能够达到实验目的的要求，即：通过实验加深对理论的理解，掌握实验方法和步骤，培养学生实践动手能力。
其次对于基础相对好一些的学生，额外设置一些综合性的内容，由教师提出要求，学生设计实验方案或电路图，教师审核通过后可以增加该部分的内容。仍以单相交流电路分析为例，让学生设计一个测试启辉器性能和动作过程的实验，其目的是培养学生的综合能力。
第三，针对能力较好的学生，让他们对实验中感兴趣的部分自行提出问题，并设计研究方案，通过实验得出研究结果，主要培养学生的自主创新能力。
对于不同层次的学生，在考核成绩上进行区分，从实验项目中小问题的回答，到是否完成附加实验项目，再到后面的实验报告都有相应赋分，核算总分作为本次实验得分。
4.与理论紧密结合的探究方式
在实验过程中经常会遇到各种各样的问题，最常见的就是实验结果与理论值差异较大，究其原因可能是忽略了本不应该忽略的细节，也有可能是因为接线错误、元件损坏等等。通过实验项目的设计，将一个原本是验证性的实验，融入了较多的探究和综合因素，引导学生利用所学知识解决问题，不仅加深了对理论的理解，同时也锻炼了学生分析问题和解决问题的能力。学生可以利用计算结果或仿真结论，在实验中和实际测量结果、数据相比较，或者与其他组同学之间作比较，分析在同样的实验条件下产生偏差的原因。这种理论与实验相结合的探究方式，更有利于对学生的创新性思维和创新能力的培养。所以笔者认为在相对简单的验证性实验中，实验步骤不能给的太详细，要给学生留有一定的探究空间，有时候甚至可以在实验中设置几个“坎”来让学生来突破。下面以一个电路分析实验加以说明。
实验线路如图1所示，内容是利用戴维宁定理求图中I3电流，并作出等效电路加以验证。实验步骤如下。
（1）把R3从图1电路拿掉，测量有源两端网络的开路电压Uo并记录(见图3)。
（2）拿掉R3短接D1，D两点，测量有源两端网络的短路电流Is并记录(见图4)。
（3）计算有源两端网络的内阻Ro=Uo/Is。
（4）将稳压电源输出电压调到等于Uo，作为等效电压源的电动势Eo，将可变电阻的阻值调到等于Ro，作为等效电压源的内阻，并把调好的稳压电源和可变电阻串联组成等效电压源。
（5）将R3和电流表串联接入等效电压源两端，测量电流I3（见图5）。
（6）用I3与之前（同样的参数在前面的基尔霍夫电流实验中测出过I3）的数值相比较。
图1的实验线路被封装在一个实验台挂箱之中且图中R3不能被取掉，图1中A、B、C、D、E、F点，电源U1、U2的“+”“-”极，为接线点和测量点，A点两侧及下方型元件为电流插座。图2中的电流插头插入电流插座，毫安表即可串联入电路，同时如果取掉毫安表，就可在图1中“×”处形成断点。测量Uo时，把电流插头插入电流插座把图2中的毫安表换成电压表即可如图6，这样可以锻炼学生实验设备运用能力。
由于R3不能被取掉这个限制，学生在做实验中经常会遇到以下问题。
a.开路电压Uo如何测量？
b.短路电流Is采用哪种方式更精确？
测量短路电流时学生常常出现如图7，图8，图9这三种情况。用图7的方式测量的同学往往是认为，毫安表的内阻很小同R3的510Ω相比，流入R3的电流可以忽略不计，结果会导致图5中的I3与实际中的I3有一些小的差距；用图8测量的同学考虑到了支路的分流使结果更加精确；用图9做实验的同学不仅考虑到了支路的分流还灵活运用了基尔霍夫电流定理，使接线也更加简洁。
在实验过程中会遇到各种问题，为什么计算值和实际值总有偏差？等效电路中的参数还有没有别的方法等等。以上是直流电路分析中的一个相对简单的实验，但由于在实验条件中加入了一些限制，不仅加深了学生对理论的理解，同时也培养了学生的解决问题的能力。通过以上案例可以看出，通过恰当的实验项目设计，验证性实验同样可以提高学生发现问题和解决问题的能力。
5.形式多样的实验报告
实验报告一般设置数据处理及误差分析、实验总结、回答问题和心得体会等基本内容，如果有自主设计的电路、新观点等内容可以重点表现出来。为真实反应学生实验效果，我们注重实验的过程管理，希望每一位学生通过实验都有自己独特的见解和认识。为鼓励创新，重视实验报告中创新和自主设计开发部分，并给予较高的赋分。
实验报告的表达方式不做硬性规定，可以采用传统的书面表达方式，也可以采用PPT汇报、自己制作实物或者多媒体仿真展示等形式，由教师提问打分[8]。
6.及时总结与更新
电工学实验包括直流电路、交流电路、数字电路、模拟电路以及继电接触控制等内容，涉及面较广，各个部分的侧重点也不相同，这就要求我们在编写实验指导书时，明确目标、科学安排、精心设计、持续总结与更新，让实验指导书内容更加丰富多彩。
笔者认为，工程教育认证理念下实验指导书的编写主要应从以下几个方面来考虑。首先要以学生为中心，注重学生能力培养，重点提高学生善于发现和分析问题、利用所学知识解决问题和创新开发的能力。第二是合理安排章节顺序，以注重安全和实验技能为起始。第三精心设计实验内容，合理运用多媒体手段。第四设置分层次、多样式的实验内容和考核方式。第五注重搜集和整理实验中经常出现的问题，定期持续的更新实验指导书。
随着科技的发展不仅教学手段迅速更新，而且学习方式和手段也在日新月异的发展，理论与实际相结合，新技术与教学相结合，不断地推陈出新，不仅能激发学生的学习兴趣，对培养学生的创新意识和能力培养也有促进作用[9]。
（三）教学效果
新版电工学实验指导书于2017年3月编写完成，并于当年用于2016级机制专业电工学实验教学。共设置20个实验，其中必做实验16个，选做4个，所有实验都设置了三个层次，并对应设定了考核成绩的上限。通过一学期的实施，2016级机制专业143名学生中，核定总评成绩有21人优秀（90分以上），74人良好（80-89分），48人及格（60-79分）。2017级机制专业143名学生中，38人优秀，64人良好，41人及格，基本达到了预期目标。
通过一个学期的使用，针对发现的问题，再次修改完善后投入使用，迄今已用于两轮学生，共286人，教学效果评价优良。
四 结语
在现有实验条件下，如何让学生通过实验，既能加深对所学知识的理解，还能够训练学生的动手能力，培养学生养成严谨的科学态度和创新探索精神，一本好的实验指导书起着非常关键的作用。随着工程教育认证的开展，对实验教学提出了新的要求。各个学校的学生资源，教学条件不尽相同，作为一名从事实践教学的一线教师，通过学习总结，在实验指导书的章节设置、内容编排、考核方式等方面进行了初步的探索，着手编写了新的电工学实验指导书，并用于本院机制专业实践教学，取得了良好的效果。
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