理工科高校学生开放性教学初探

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摘要：开放性实验对培养大学生的主动学习能力、实验动手能力、创新实践能力有着重要的作用，开展开放性实验教学工作对高校教学特别是理工科类教学来说是一种新的趋势，但如何有效开展开放性实验教学工作，尚无一种有效的途径模型。本文依托南京大学金陵学院教改项目，对本科理工科的开放性实验教学工作进行实践，并针对教学改革过程中存在的问题进行分析，并作出总结。

关键字：理工科;开放性实验教学;教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）21-0160-02

普通高等学校理科生面临严重的课业负担，特别是理论知识的深奥，实验配套理论教学可以解释理论知识，但工程应用性有所不足，为了探索如何针对理工科特别是电子等相关专业的学生有效开展教学工作，南京大学金陵学院申请了《基于可再生清洁能源的LED路灯照明系统设计应用的开放性实验教学》一般项目课题，以对风光互补的LED照明系统研究和应用为载体，依托电子电工实验室平台，开展对二年级在校生进行开放性实验教学的研究工作，探索出一套适合的开放式教学方法，旨在提高在校生的理论水平和实践动手能力，增加其社会竞争力。整个项目持续时间为两年，通过观察对比项目参与学生和普通学生，参加项目的学生在知识获取、论文撰写、工程计划和实践动手四个方面有了显著的提高。

一、开放性实验教学现状

所谓开放性实验教学，是区别于传统的实验室验证性教学的一种实验教学形式，这种实验教学目标相对确定，实验方法及方案需要学生自主设计解决方案，教师从旁引导，最终由学生自主设计方案、自主解决问题完成项目的一种实验形式[1]。这种实验教学形式区别于传统的“指导性实验”，学生在实验过程中，需要投入精力去设计实验过程，思考实验结果，提出修正意见，可以提高学生对专业应用的兴趣和解决问题的主动性，实验结果的成功也可以提高学生的自我认可度。在实验教学过程中，由于教师不承担设计、演示工作，学生在教学过程中完全自己做主，充分体现了自身主动性在项目中的作用，避免了“指导性实验”中的被动性，培养了学生的自主学习、实际动手、主动完成任务的能力，为毕业后的工作奠定了良好的基础。由于开放性实验不同于传统的教学，无法通过教学计划有效地规划教学进程和既定目标，因此还存在一些需要改进的地方。首先，开放性实验的课题选取，要区别于“指导性实验”，需要具有一定的业界前瞻性，能代表当下技术的发展方向，这就对指导教师提出了高层次实时性的要求。其次，开放性实验不同于“指导性实验”，教学所承载的学生数量不会很多，这就造成了开放性实验单次受众较少的问题。同时开放性实验需要额外的场地和设备，而高校实验室往往设备数量一定，可以用于支持开放性实验的设备就比较匮乏，而且对设备、场地的管理也需要投入额外的人力，增加有关教师的工作量。最后，如何鉴定开放性实验教学的成果和工作量，也缺乏一个明确的指标体系，特别是参与工作的教师工作量考核、学生学分成果计算、开放性实验成果的确定方式等，要从政策等方面鼓励师生参与到开放性实验教学工作中来。开放性实验教学作为高校教育中的一个重要环节，可以与“指导性实验”互为补充，提高实验教学水平，锻炼学生实验技能，培养学生实验兴趣，同时也可以通过开放性实验教学工作，改革探索新的实验教学手段，创新实验教学。开放性实验教学要有序开展，需要充分认识到开放性实验对教学工作的意义，要从政策、资金、场地、人员等方面为开放性实验教学提供保障，从制度上保障开放性实验的有序进行，同时也要加强对师资力量的培养，鼓励教师多接触专业前沿的研究和应用，鼓励教师将前沿和理论结合，提出符合教学要求的开放性实验课题，带领学生进行开放性实验教学工作[2]。最后也可以将开放性实验成果应用到实际教学，提高实际教学的水平，使得理论教学和开放性实验互相促进，共同发展。

二、开放性实验教学研究过程及体会

项目自2012年开始实施，先后选取了2010和2012两届学生参与，其中2012的学生是在2013年初参与到项目中来，前期主要承担了资料收集的工作，在2013年下半年开始全面接手项目工作，因此对2012级学生的培养更具有参考价值。整个开放性教学研究期间，主要采取“需求问题学习解决创新”的思路开展，学生作为主体，教师从旁引导，从需求入手，分析需求所需要解决的问题，然后通过查阅文献等方法学习此类问题的解决方法，综合对比，结合需求的具体情况，将多种方法融合，提出一种新的复合型的解决方法，满足项目需求。整个过程学生运用自己现有理论提出问题，查阅资料，最后解决问题，有效地锻炼了学生的系统分析能力和自学能力，对学生自身素质的提高起到了很大的帮助。有四个具体的事例可以与大家分享：

1.自主学习依据负载功率来匹配电源使负载达到最低工作时间。传统的路灯照明多采用卤素灯等灯具，其发热量大，功耗大，使用寿命短，项目最初的目的是采用LED路灯低功耗长寿命的特点，替代现有的传统卤素路灯，同时遵循国家的“十二五”规划的有关精神，采用风能、太阳能等新型清洁能源替代传统能源，起到节能减排效果。此时引导学生就传统照明与LED照明比较，要使得LED照明替代传统照明，就要明确照明亮度，根据一定的亮度和高度决定了LED的功率，然后考虑LED路灯的工作时间，确定配套的电池的容量，根据电池的容量和充电电流等相关参数，匹配发电装置。同时根据工作的具体环境，从工程的角度对配置参数进行分享，最终确定了LED照明系统的具体配置参数，即路灯高度8米、LED路灯功率56W、照明12小时，配套采用200W的太阳能发电装置和300W的风电机，储能采用12V120AH聚合物锂电池。这套配置可以基本满足初期设计要求。

2.根据路灯照明，结合生活，提出在楼宇等公共场合采用LED照明，节省成本。作为一种产品，其能带来的经济效益决定了其生存周期。风光互补LED照明路灯单体成本要远高于传统的路灯，但LED路灯安装简单，不依赖于市电、后期运营成本低等特点是传统路灯所无法比拟的，学生提出了一种时间均摊成本的比较方法，将前期的安装成本+生命周期内运营成本累加计算，最后得出年平均运营成本，比较科学合理地分析对比了两者的经济效益，撰写了相关的论文《风光互补LED照明与传统路灯的经济效率比较》。采用在设计风光互补LED照明的同时，学生发现低功率的LED可以提供很好的照明效果，随着LED功率的降低，所配套的蓄电池体积重量也会降低，将LED与电池组合成照明组，将这种低功率的照明组应用到楼宇等公共场合照明中来，达到节能减排、降低成本的效果。具体的设想是在楼宇顶层天台等采光好的地方利用太阳能集中发电，集中控制，利用控制器对分布在楼宇中的照明组进行充电，从而形成了“集中发电、分布照明”的大型太阳能照明系统。

3.依据充电方法，提出新型的电源管理方式来满足分布式照明的充电需求。随着学生提出了“集中发电、分布照明”的设计思路，如何均衡地对系统内照明组充电又成了下一步研究的课题，目前常用的均衡充电法可以分为能耗型和非能耗型，非能耗型又可以分为多绕组变压器法、基于电容电感的相邻电源平衡型和DC/DC隔离转换型。考虑到项目具体实际情况，学生采用了DC/DC隔离转换型，并引入了单片机技术和开关矩阵，实时对系统监测，自动控制开关矩阵对系统内照明组均衡充电，并将该思路整理，撰写了《一种基于单片机控制分布式的DC/DC分布照明系统技术研究》一文。

4.经验总结文字化和知识产权的保护意识增强。学生为了解决具体的问题，需要查阅相关理论和实验方法，通过总结他人的经验，结合自身的知识及项目需求，提出具有针对性的解决方案。为了提高学生的理论写作水平，指导学生就自己的想法成文，采用“阐述问题背景和现状分析已有理论实践方法提出自己独特的解决方法实践结果佐证自己的想法”模式构思撰写相关的论文。通过这种方法，学生对学术型文章的撰写有了一定的了解，同时也通过这种方法，学生学会了如果进行学术工作，即“发现问题、借鉴理论、寻找方法、设计方案、实验验证”。在撰写学术文章的同时，对于有一定创新性的方案，也鼓励学生去申请实用新型发明专利，来使得自己的知识产权成果化，同时也增强学生的自身价值。

三、开放性实验教学项目总结

作为理工科的开放性教学实践，首先要立足于专业本身，特别是专业知识的运用，例如本次项目中，由于是电子等相关专业的学生，仅就系统中的充电电路和控制电路做了更新和改良，而没有涉及到发电、储能等方面的，使得学生虽然有部分知识的不足，但不至于完全摸不到头绪。其次要立足于实际，通过解决实际问题，来综合运用已有知识，查阅领域前沿，逐步逐级解决问题，优化设计，最终达到设计要求。最后要贴合实际，除了项目要有实际的应用价值，开放性实验本身也要具有一定的工程背景，要接地气，要让学生明白自己要做什么，能做什么，该怎么做，做完有什么样的效果。总的来说，项目要切合实际，对于项目中存在的问题和难点，要分步逐级解决，大问题分为小问题，每个小问题有难度但不会超出学生的能量，使得学生有奔头，学生在逐步的解决问题过程中，学会独立思考、自主学习的方法，使之可以自主成长。不足的是，开放性教学实验不同于传统的验证型实验教学，开放性实验参与学生少，设备、教师投入量大，教学过程中学生成长迅速，但是否可以应用于大规模的实验教学，需要进一步讨论研究。

参考文献：

[1]周文真.大学开放性实验教学的改革与探索[J].中国电力教育，2010，（36）：124-125.

[2]刘名扬，王麒麟.大学物理实验教学改革与成效[J].实验室研究与探索2009，（7）：138-140.