浅论中美高校工科工程基础实验教学之差异

彭光金，侯世英，熊 兰，韩 力

(重庆大学国家电工电子基础教学实验示范中心，重庆400030)

美国辛辛那提大学(UC)成立于1819年，是该国第二古老的公立学府。该校工程学院目前采用的COOP(企业带薪实习)培养模式属全球首创，自1906年至今已逾百年历史，毕业生深受通用和宝洁等跨国公司欢迎。2014年我校与UC开展本科人才联合培养计划，首次在中国高校引入COOP培养模式，全面引入UC的工科专业培养模式和课程体系。

笔者根据在UC几个月的学习、听课观摩和亲身体验，感到我国和美国高校在工科专业的工程基础实验教学理念和方法上存在差异较大，借此从教学大纲、教学内容、教学手段和教学效果四个方面对这些差异进行对比和分析。

1 教学大纲

UC的工程与应用科学学院(College of Engineering and Applied Science)，针对所有工科专业一年级新生开设了一门2学分的“工程基础”必修课程。这是一门引导学生了解多学科工程领域技术应用信息的介绍性课程，偏重于介绍不同学科之间的相似性，培养学生动手操作的实验性质课程。通过该课程学习，学生开始接受大学阶段的工程伦理学和职业技能的培训教育。

“工程基础”课程覆盖的专业领域较广，涉及物理、生物和化学等多门学科。这在国内大学很难找到一门类似的课程。我们可从该课程教学大纲的设计中看出美国大学存在以下特点[1，2]。

1)重视工科专业学生的职业道德伦理学教育

在UC的课程中有专门的教学环节讲授工程伦理学相关知识，指导学生如何以科学探索精神从事工科专业的知识学习，养成良好的职业素养，认识到抄袭和剽窃等学术不端行为的危害性。这是目前我国高等教育中普遍缺失的环节，值得我们在以后调整相关课程教学大纲时借鉴。

2)重视工科专业学生的通识教育

在UC的“工程基础”课程教学大纲的实践环节中，实作项目涵盖了多个行业领域:基本电路测量、桥梁设计及分析、太阳能电池、燃料电池和热力学等。这些看似关联度并不紧密的实验设计让不同专业的工科大一新生既可以初步涉猎到本专业的一些基本知识，也可以了解其他相关专业的基本知识，拓展视野，增进学科交叉。国内大学过于强调本专业知识与技能，鲜有涉及本专业与其他专业或学科的关联性与合作研究成果。

3)重视工科学生职业技能和学习能力培养

“工程基础”课程教学大纲提出的教学目标包括团队合作精神、交流沟通能力、工程问题解决方案策略、工程知识综合应用能力和书面和口头表达能力等多方面的能力培养。国内大学目前已经在理论教学中强调能力培养的必要性，在各类国家级实验教学示范中心通过开展高素质的实验教学队伍和完备的实验条件建设，创新管理机制，推进实验资源开放共享，强化大学生的实践能力与创新能力培养，提高实践教学质量，取得了一些成绩。但是根据笔者所在重庆地区的观察和同行交流了解，国内很多高校在各类课程实验教学中仍然存在重知识与技能训练、轻能力培养的问题，没有切实改变沿用多年的教学方法与手段。

4)实验课程的考核注重学生平时表现

UC的“工程基础”课程成绩的组成比例是:实验课前预习和课后报告占50%，作业和操作占10%，分组报告占25%，测验占15%。目前虽然国内部分大学通过开展基础实验和综合实验等多环节分段考核以改变传统主要依据学生实验报告评定成绩的方式，但是课程成绩考评过于单一的现象仍然普遍存在。美国大学注重课前预习、平时测验、布置大作业和团队讲解演示等全方位成绩考核的方法，值得国内高校借鉴。

2 教学内容

国内大学工科专业的基础实验教学主要涵盖“大学物理”、“电工基础”、“计算机基础”和“大学化学基础”等课程。

“工程基础”作为一门概述性基础实验课程，课程的教学内容选择和设计独具一格，富有创造性。首先其兼顾了电气、机械和建筑等多个工科专业的专业背景，介绍专业相关的基本概念和基本原理，提高学生专业学习的兴趣;其次，充分顾及到低年级学生几乎不具备专业基础知识以及没有专业交叉融合思想的实际情况。这种设计思路和方法在目前中国高校基本是不可想象的。作为借鉴，我们在此把该课程的主要教学内容做一个简单介绍。“工程基础”课程的教学内容分为两大部分:基础实验和综合实验。

2.1 基础实验

包括5个内容，分别是关于基础电气实验、桥梁实验、热力学实验和太阳能电池和燃料电池实验等。

(1)基础电气(Basic Electricity)实验，主要是学习使用电表测量电阻、电压、电流的方法，验证欧姆定律、基尔荷夫电压电流定律、电阻串并联的分压与分流原理，观察RC电路中电容充电和放电现象。主要实验设备包括电表、图1(a)所示的专用电路实验板、电阻、电容和图1(b)所示的模拟设计套件等。

图1 基本电气实验设备

(2)桥梁(Bridge)实验，主要学习桥梁的结构设计和结构部件的应力测试。验证力的平行四边形法则、力的传递性原理、牛顿三大定律以及万有引力定律。使用的主要设备有桥梁专用实验箱，包括桥梁模块、组装联接部件和应力传感器，如图2(a)所示。另外学习使用Data Studio软件来仿真观察应力变化曲线，如图2(b)所示。

(3)热力学(Thermodynamics)实验，通过观察珀尔帖效应验证热力学第一定律即能量守恒原理，测量电能与热能之间相互转化的速度、规模和效率。主要设备有珀尔帖装置、电源和电压电流传感器等，如图3(a)所示。实验曲线和数据通过Data Studio软件显示，如图3(b)所示。

图2 桥梁实验设备及软件

图3 热力学实验

(4)太阳能电池(Solar Cell)和燃料电池(Fuel Cell)实验使用同一套专用实验设备，如图4所示。太阳能电池实验通过测量太阳能电池对电阻负载的输出功率，估算太阳能电池的利用效率。燃料电池实验通过水的电解产生氢气，输入到燃料电池中驱动小风扇旋转，观察燃料电池驱动风扇旋转的时间。

图4 太阳能电池和燃料电池实验

2.2 综合实验

在上述基本实验的基础上，拟定了电路、桥梁和燃料电池驱动小汽车三个备选综合实验题目，学生分组进行资料查阅、方案设计、设备安装、数据测量和分析。

3 教学手段

近年来，国内大学工科专业的实验教学硬件环境建设进展较快，但是教学手段等软件环境的建设进展并不明显，普遍存在重教师讲授、轻学生实践现象[3]。比较而言，美国大学教育更重视培养学生的自我学习能力。“工程基础”课程实验的教学手段与方法充分体现了这一特点。

课程主要分为教师课堂讲授、实验环节、学生陈述报告三个环节。

(1)教师讲授和实验交叉进行，基本实验大概10周完成:每周有1小时讲授和2小时实验，每两周完成一个基本实验，基本实验之后的综合实验安排两周时间，最后两周由学生做分组陈述报告。教学形式的多样化有助于培养学生的自我学习能力，尤其综合实验和学生报告环节可以充分调动学生主动参与，效果尤佳。

(2)实验教学的硬件环境很好，教师讲授教室配备有全方位的投影设施，讲台在教室中间，讲台的实物投影设备可以兼顾手写、打印材料和电子多媒体材料多种方式的使用。学生可以从四周的投影屏幕观看讲授的内容。

(3)实验教学的软件环境也非常完善。UC有一套用于教学管理的BlackBoard软件系统，学生通过该系统选课，教师通过系统发布课程材料，收集学生电子文档作业和报告。教师和助教通过系统布置作业、发布作业答案和学习答疑讨论，该系统为教学质量提供了一个重要的平台保障。实验采用分组形式，2-3位学生一组，有助于培养学生团队协作和交流沟通的能力。每3-5组学生配备一位助教，全程跟踪和指导学生的学习和实验情况，这一点是国内多数高校目前很难做到的。

4 教学效果

国内大学工科专业实验课的教学目标包含验证课程学习中的理论知识，通过融合综合性知识进行设计与调试，以便加深学生对知识与技术的理解与掌握。但因学生人数过多，实验教师的知识水平有限，实验题目通常数量较少并且常年固定不变学生选择题目的余地小，兴趣不够高。

美国大学的实验教学非常重视学生自己拟定题目动手实践、交流沟通和团队合作等综合能力的培养。学生的创造性思维会得到教师积极的鼓励和帮助，他们取得的成果常常超出教师的想象。“工程基础”课程有一组学生利用桥梁组件在综合实验中设计了一个迷你过山车模型，其实物展示效果令人惊叹。

5 结语

根据笔者几个月在美国UC观摩学习的体验，感觉美国大学工科专业的工程基础实验教学硬件条件虽然比国内略好一些，但是国内大学的不足更多体现在软件环境建设和教学模式设计，因而取得的教学效果无法媲美。国内大学在工程实验教学方面应该吸取美国大学的一些宝贵经验，结合中国国情和学校现状，建设一种崇尚实践性、自主性和创造性的教学环境。只有这样，才能形成一大批业务精良、具有国际视野和重视学生自主学习能力培养的实验教学教师队伍，才能通过实验教学环节培养更多思维活跃、实践动手能力强和自主学习素质高的优秀学生。

[1]李静，王祖源.中美大学物理实验教学的比较与分析[J].北京:中国大学教学，2008年第2期

[2]于文睿，李佩芝，程艳娟.从美国大学工科实验教学中获得的启示[J].长春:吉林工学院学报，23(02)，2002.06

[3]李诗明.中美高校课堂教学模式中教师角色的比较研究(D)，哈尔滨:哈尔滨师范大学，2012.06