彭光金，侯世英，熊 蘭，韓 力

(重慶大學國家電工電子基礎教學實驗示范中心，重慶400030)

美國辛辛那提大學(UC)成立于1819年，是該國第二古老的公立學府。該校工程學院目前采用的COOP(企業(yè)帶薪實習)培養(yǎng)模式屬全球首創(chuàng)，自1906年至今已逾百年歷史，畢業(yè)生深受通用和寶潔等跨國公司歡迎。2014年我校與UC開展本科人才聯(lián)合培養(yǎng)計劃，首次在中國高校引入COOP培養(yǎng)模式，全面引入UC的工科專業(yè)培養(yǎng)模式和課程體系。

筆者根據(jù)在UC幾個月的學習、聽課觀摩和親身體驗，感到我國和美國高校在工科專業(yè)的工程基礎實驗教學理念和方法上存在差異較大，借此從教學大綱、教學內容、教學手段和教學效果四個方面對這些差異進行對比和分析。

1 教學大綱

UC的工程與應用科學學院(College of Engineering and Applied Science)，針對所有工科專業(yè)一年級新生開設了一門2學分的“工程基礎”必修課程。這是一門引導學生了解多學科工程領域技術應用信息的介紹性課程，偏重于介紹不同學科之間的相似性，培養(yǎng)學生動手操作的實驗性質課程。通過該課程學習，學生開始接受大學階段的工程倫理學和職業(yè)技能的培訓教育。

“工程基礎”課程覆蓋的專業(yè)領域較廣，涉及物理、生物和化學等多門學科。這在國內大學很難找到一門類似的課程。我們可從該課程教學大綱的設計中看出美國大學存在以下特點[1，2]。

1)重視工科專業(yè)學生的職業(yè)道德倫理學教育

在UC的課程中有專門的教學環(huán)節(jié)講授工程倫理學相關知識，指導學生如何以科學探索精神從事工科專業(yè)的知識學習，養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)，認識到抄襲和剽竊等學術不端行為的危害性。這是目前我國高等教育中普遍缺失的環(huán)節(jié)，值得我們在以后調整相關課程教學大綱時借鑒。

2)重視工科專業(yè)學生的通識教育

在UC的“工程基礎”課程教學大綱的實踐環(huán)節(jié)中，實作項目涵蓋了多個行業(yè)領域:基本電路測量、橋梁設計及分析、太陽能電池、燃料電池和熱力學等。這些看似關聯(lián)度并不緊密的實驗設計讓不同專業(yè)的工科大一新生既可以初步涉獵到本專業(yè)的一些基本知識，也可以了解其他相關專業(yè)的基本知識，拓展視野，增進學科交叉。國內大學過于強調本專業(yè)知識與技能，鮮有涉及本專業(yè)與其他專業(yè)或學科的關聯(lián)性與合作研究成果。

3)重視工科學生職業(yè)技能和學習能力培養(yǎng)

“工程基礎”課程教學大綱提出的教學目標包括團隊合作精神、交流溝通能力、工程問題解決方案策略、工程知識綜合應用能力和書面和口頭表達能力等多方面的能力培養(yǎng)。國內大學目前已經(jīng)在理論教學中強調能力培養(yǎng)的必要性，在各類國家級實驗教學示范中心通過開展高素質的實驗教學隊伍和完備的實驗條件建設，創(chuàng)新管理機制，推進實驗資源開放共享，強化大學生的實踐能力與創(chuàng)新能力培養(yǎng)，提高實踐教學質量，取得了一些成績。但是根據(jù)筆者所在重慶地區(qū)的觀察和同行交流了解，國內很多高校在各類課程實驗教學中仍然存在重知識與技能訓練、輕能力培養(yǎng)的問題，沒有切實改變沿用多年的教學方法與手段。

4)實驗課程的考核注重學生平時表現(xiàn)

UC的“工程基礎”課程成績的組成比例是:實驗課前預習和課后報告占50%，作業(yè)和操作占10%，分組報告占25%，測驗占15%。目前雖然國內部分大學通過開展基礎實驗和綜合實驗等多環(huán)節(jié)分段考核以改變傳統(tǒng)主要依據(jù)學生實驗報告評定成績的方式，但是課程成績考評過于單一的現(xiàn)象仍然普遍存在。美國大學注重課前預習、平時測驗、布置大作業(yè)和團隊講解演示等全方位成績考核的方法，值得國內高校借鑒。

2 教學內容

國內大學工科專業(yè)的基礎實驗教學主要涵蓋“大學物理”、“電工基礎”、“計算機基礎”和“大學化學基礎”等課程。

“工程基礎”作為一門概述性基礎實驗課程，課程的教學內容選擇和設計獨具一格，富有創(chuàng)造性。首先其兼顧了電氣、機械和建筑等多個工科專業(yè)的專業(yè)背景，介紹專業(yè)相關的基本概念和基本原理，提高學生專業(yè)學習的興趣;其次，充分顧及到低年級學生幾乎不具備專業(yè)基礎知識以及沒有專業(yè)交叉融合思想的實際情況。這種設計思路和方法在目前中國高?；臼遣豢上胂蟮摹Ｗ鳛榻梃b，我們在此把該課程的主要教學內容做一個簡單介紹。“工程基礎”課程的教學內容分為兩大部分:基礎實驗和綜合實驗。

2.1 基礎實驗

包括5個內容，分別是關于基礎電氣實驗、橋梁實驗、熱力學實驗和太陽能電池和燃料電池實驗等。

(1)基礎電氣(Basic Electricity)實驗，主要是學習使用電表測量電阻、電壓、電流的方法，驗證歐姆定律、基爾荷夫電壓電流定律、電阻串并聯(lián)的分壓與分流原理，觀察RC電路中電容充電和放電現(xiàn)象。主要實驗設備包括電表、圖1(a)所示的專用電路實驗板、電阻、電容和圖1(b)所示的模擬設計套件等。

圖1 基本電氣實驗設備

(2)橋梁(Bridge)實驗，主要學習橋梁的結構設計和結構部件的應力測試。驗證力的平行四邊形法則、力的傳遞性原理、牛頓三大定律以及萬有引力定律。使用的主要設備有橋梁專用實驗箱，包括橋梁模塊、組裝聯(lián)接部件和應力傳感器，如圖2(a)所示。另外學習使用Data Studio軟件來仿真觀察應力變化曲線，如圖2(b)所示。

(3)熱力學(Thermodynamics)實驗，通過觀察珀爾帖效應驗證熱力學第一定律即能量守恒原理，測量電能與熱能之間相互轉化的速度、規(guī)模和效率。主要設備有珀爾帖裝置、電源和電壓電流傳感器等，如圖3(a)所示。實驗曲線和數(shù)據(jù)通過Data Studio軟件顯示，如圖3(b)所示。

圖2 橋梁實驗設備及軟件

圖3 熱力學實驗

(4)太陽能電池(Solar Cell)和燃料電池(Fuel Cell)實驗使用同一套專用實驗設備，如圖4所示。太陽能電池實驗通過測量太陽能電池對電阻負載的輸出功率，估算太陽能電池的利用效率。燃料電池實驗通過水的電解產(chǎn)生氫氣，輸入到燃料電池中驅動小風扇旋轉，觀察燃料電池驅動風扇旋轉的時間。

圖4 太陽能電池和燃料電池實驗

2.2 綜合實驗

在上述基本實驗的基礎上，擬定了電路、橋梁和燃料電池驅動小汽車三個備選綜合實驗題目，學生分組進行資料查閱、方案設計、設備安裝、數(shù)據(jù)測量和分析。

3 教學手段

近年來，國內大學工科專業(yè)的實驗教學硬件環(huán)境建設進展較快，但是教學手段等軟件環(huán)境的建設進展并不明顯，普遍存在重教師講授、輕學生實踐現(xiàn)象[3]。比較而言，美國大學教育更重視培養(yǎng)學生的自我學習能力。“工程基礎”課程實驗的教學手段與方法充分體現(xiàn)了這一特點。

課程主要分為教師課堂講授、實驗環(huán)節(jié)、學生陳述報告三個環(huán)節(jié)。

(1)教師講授和實驗交叉進行，基本實驗大概10周完成:每周有1小時講授和2小時實驗，每兩周完成一個基本實驗，基本實驗之后的綜合實驗安排兩周時間，最后兩周由學生做分組陳述報告。教學形式的多樣化有助于培養(yǎng)學生的自我學習能力，尤其綜合實驗和學生報告環(huán)節(jié)可以充分調動學生主動參與，效果尤佳。

(2)實驗教學的硬件環(huán)境很好，教師講授教室配備有全方位的投影設施，講臺在教室中間，講臺的實物投影設備可以兼顧手寫、打印材料和電子多媒體材料多種方式的使用。學生可以從四周的投影屏幕觀看講授的內容。

(3)實驗教學的軟件環(huán)境也非常完善。UC有一套用于教學管理的BlackBoard軟件系統(tǒng)，學生通過該系統(tǒng)選課，教師通過系統(tǒng)發(fā)布課程材料，收集學生電子文檔作業(yè)和報告。教師和助教通過系統(tǒng)布置作業(yè)、發(fā)布作業(yè)答案和學習答疑討論，該系統(tǒng)為教學質量提供了一個重要的平臺保障。實驗采用分組形式，2-3位學生一組，有助于培養(yǎng)學生團隊協(xié)作和交流溝通的能力。每3-5組學生配備一位助教，全程跟蹤和指導學生的學習和實驗情況，這一點是國內多數(shù)高校目前很難做到的。

4 教學效果

國內大學工科專業(yè)實驗課的教學目標包含驗證課程學習中的理論知識，通過融合綜合性知識進行設計與調試，以便加深學生對知識與技術的理解與掌握。但因學生人數(shù)過多，實驗教師的知識水平有限，實驗題目通常數(shù)量較少并且常年固定不變學生選擇題目的余地小，興趣不夠高。

美國大學的實驗教學非常重視學生自己擬定題目動手實踐、交流溝通和團隊合作等綜合能力的培養(yǎng)。學生的創(chuàng)造性思維會得到教師積極的鼓勵和幫助，他們取得的成果常常超出教師的想象?！肮こ袒A”課程有一組學生利用橋梁組件在綜合實驗中設計了一個迷你過山車模型，其實物展示效果令人驚嘆。

5 結語

根據(jù)筆者幾個月在美國UC觀摩學習的體驗，感覺美國大學工科專業(yè)的工程基礎實驗教學硬件條件雖然比國內略好一些，但是國內大學的不足更多體現(xiàn)在軟件環(huán)境建設和教學模式設計，因而取得的教學效果無法媲美。國內大學在工程實驗教學方面應該吸取美國大學的一些寶貴經(jīng)驗，結合中國國情和學?，F(xiàn)狀，建設一種崇尚實踐性、自主性和創(chuàng)造性的教學環(huán)境。只有這樣，才能形成一大批業(yè)務精良、具有國際視野和重視學生自主學習能力培養(yǎng)的實驗教學教師隊伍，才能通過實驗教學環(huán)節(jié)培養(yǎng)更多思維活躍、實踐動手能力強和自主學習素質高的優(yōu)秀學生。

[1]李靜，王祖源.中美大學物理實驗教學的比較與分析[J].北京:中國大學教學，2008年第2期

[2]于文睿，李佩芝，程艷娟.從美國大學工科實驗教學中獲得的啟示[J].長春:吉林工學院學報，23(02)，2002.06

[3]李詩明.中美高校課堂教學模式中教師角色的比較研究(D)，哈爾濱:哈爾濱師范大學，2012.06