工程實踐能力是所有工科學生必須具備的最基本，也是最重要的能力。與傳統的工程問題相比，現代工程問題更具有綜合性、多樣性、跨學科交融性等特征，往往需要能將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于解決工程領域復雜工程問題，提出合理的解決方案，選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具，設計實驗、分析與解釋數據，并通過信息綜合得到合理有效的結論，同時在此過程中充分考慮對社會、健康、安全、法律、環境和可持續發展的影響，以及與團隊、業界同行和公眾進行有效的溝通和交流。

“雙碳”戰略決策，為中國實現綠色低碳高質量發展指明了方向。以新能源為主體的新型電力系統為我國能源和電力結構系統變革、產業自主創新、快速轉型升級帶來重大機遇和挑戰。與此同時，國際電氣工程學科從單純研究和服務于“電力系統和電力裝備”，拓展到“研究電磁新現象、新技術、新裝置，服務科學技術發展”的電磁工程與新技術領域，衍生多學科交叉新研究方向，包括核聚變、強磁場、等離子體、加速器、脈沖功率、電磁推進、超導技術、生物電磁等。

國家重大需求和學科、產業變革帶來的變化，對電氣工程學科一流人才所應具備的能力和綜合素質提出了新的要求。在構建新型電力系統、實現清潔低碳轉型、助力“雙碳”戰略目標的國家重大需求和新工科建設歷史性交匯的大背景下，有必要結合工程教育改革最新成果，深化拓展對于電氣工程學生工程實踐能力內涵和外延的認識，著力提升學生解決復雜工程問題的能力。

在上述背景下，華中科技大學電氣與電子工程學院充分調研國內外電氣工程學科發展趨勢和人才培養新需求，明確工程實踐在工程教育體系中的引領作用，對工程實踐相關教學環節的教學目標、學習模式和評價方式全面梳理和整體設計，按學生知識建構、認知能力和意識養成的逐級遞進分解，實現從大一到大四系統化實踐教學體系的構建。本文介紹了近年來我院在實踐教學體系方面所做的改革工作，希望對我國電氣工程學科人才培養提供有益的參考。

1 電氣工程實踐教育體系重構總體思路

華中科技大學電氣與電子工程學院前身為華中工學院電力系，始建于1952年，由原武漢大學電機系、湖南大學電機系、廣西大學電機系、南昌大學電機系和中山大學（華南工學院）電機系合并而成。70年來培養畢業生2萬余名，為我國電氣工程學科的發展做出了巨大貢獻。

進入21世紀以來，能源轉型和結構調整催生了電力行業的重大變革，電氣化向更深、更寬發展。作為在新工科人才培養中占據重要地位的實踐教育體系，其優劣直接關系到人才培養的質量。學院在2009年進行了一次大規模培養計劃修訂，按照行業變革需要，將原有專業核心課程重構為電力系統和電氣裝備兩個專業培養方向的專業核心課程模塊。

但是面對電氣工程行業和學科發展對一流人才所應具備的知識、能力和素質提出的新要求，原有以單一課程實驗、課程設計為主體的狹義實踐教育體系已無法滿足面向未來的人才培養需求，主要存在的問題表現為：①實踐僅為理論補充，缺乏整體設計，造成知識、能力和意識培養碎片化；②教學偏重理論簡單驗證，缺乏對實際問題分析、實施和反思系統訓練；③內容僅局限于單一知識領域，缺乏知識、能力和思維的綜合性整合。事實上，上述問題并不是本專業的個例。學生工程實踐能力普遍不足，工程教育中工程性缺失，實踐教學薄弱也是我國高等工程教育中長期存在的普遍共性問題。

2016年起，學院以“電氣化+”的學科交叉融合創新發展戰略為指導，借鑒世界一流大學工程教育理念基礎，提出“科學主導、實踐驅動”的工程教育理念及實施路徑，致力培養面向未來學術拔尖人才和業界領軍人才。通過將學科優勢轉化為教學資源，構建“知識、技能、意識”協同整合的一體化工程實踐教學體系，營造“自發、自覺、自主”實踐創新教育環境，激勵和引導學生追求卓越，超越自我。

科學主導，是指工程技術和現代工程系統背后都有其嚴密的科學理論主導，既倡導支配工程創新的普遍性原理，如信息論、控制論和系統論，也具有鮮明的專業教育特征（專業特有的思維、活動和道德模式），培養學生能像專家一樣思考、活動和守德，成為現代工程創新的“道”。

實踐驅動，是指實踐不再是理論教學的附庸，而作為教學整體改革的驅動力，在“做中學”中引導學生自主建構認知框架，整合知識、塑造思維和激發創造力。為此，實踐教育應構造真實性學習情境，采用如PBL(problem-based learning)、CDIO(conceive design implement operate)等情景化、沉浸式、社會性的實踐教學設計，激發學生內在學習動力，促進其認知發展，形成知行一體的教育“場”。

2 電氣工程實踐教育體系建設具體舉措

在“科學主導、實踐驅動”的工程教育理念指導下，學院自2016年以來對本科生實踐教育體系進行了全方位改革，主要開展的工作包括：

（1）圍繞“電氣化+”，構建“知識、技能、意識”協同整合的一體化工程實踐教學體系，實現實踐能力培養模式從“碎片化”到“系統化”轉化升級，形成一系列綜合性實踐課程改革案例。

（2）依托學科和行業優勢，以業界和科研中真實項目、真實產品研發為載體，營造“電氣化+”背景下工程實踐的真實學習環境和平臺建設，實現課內外教育元素協同整合，解決以往實踐教學“驗證性、形式化、與實際脫節”等問題。

（3）在工程教育認證中工程實踐能力多維度評價標準基礎上，進一步完善從目標、實施、評價到改進的閉環監控機制，解決以往實踐教學設計中目標、行動與評價脫節，缺乏一致性問題。

（4）提出依據輸入-環境-輸出（Input-Environment-Output, IEO）學生學習發展模型，分析研究學生工程實踐能力發展和影響機制，以實證研究為工程實踐教學改革提供科學依據和政策指導，解決教學改革實踐缺乏教育學術研究支撐檢驗的問題。

2.1 凝聚學院發展共識，調動一流學者教育教學的積極性，開展頂層設計

學院在教育部首批和第二批新工科研究與實踐項目資助下，召集各專業方向帶頭人，充分研討調研國內外電氣工程學科發展趨勢和人才培養新需求，并以座談會、問卷調查等方式向行業和企業專家、用人單位、校友和畢業生等，多途徑調研社會需求和人才培養存在的問題，明確工程實踐在工程教育體系的引領作用，整合原有的金工實習、電工實習、課程設計等課程，對工程實踐所有教學環節的教學目標、學習模式和評價方式全面梳理和整體設計，再按學生知識建構、認知能力和意識養成的逐級遞進分解，進行總體規劃，確立實踐教學體系框架（如圖1所示），實現從大一到大四系統化實踐教學體系結構化設計，著重培養學生分析與解決復雜工程問題的能力。

圖1 一體化工程實踐教學體系設計思路

同時，在學院層面專門設立教學研究崗、教學改革基金、教學類成果獎勵，完善工作量考核、職稱晉升、評優、津貼獎勵、經費資助等全方位激勵政策，吸引教師投身更具挑戰性教學學術研究與實踐創新。

學院還依托下設的國家級實驗教學示范中心，設立為實踐教學改革特區，定期開設教師教學研修工作坊、“融創沙龍”研討會、青年教師教學競賽等交流平臺，互相促進，研討課程改革和人才培養經驗，共同創造更優異育人成就，營造鼓勵創新、潛心育人的良好氛圍。

2.2 圍繞“電氣化+”，構建“知識、技能、意識”協同整合的一體化工程實踐教學體系

以上述設計思路為指導，學院對原有的實踐教學體系進行了重構，形成了“知識、技能、意識”協同整合的一體化工程實踐教學新體系，如圖2所示。

圖2 一體化工程實踐教學體系

初階探究（大一）：“學科初認知，實驗新技能，興趣創思維”

新開設《電氣工程實驗規范》、《電氣工程實踐基礎》、《創客訓練營》等課程，采用邊學邊做的體驗式學習，引導學生從建立安全意識、責任感開始，尊重生命、規范實驗操作行為，訓練電氣工程實踐基本技能；讓學生體驗從創意選題到產品落地全過程，培養學生面對機會形成想法并使想法變成現實的意識與能力，激發專業學習動力，為后續專業學習奠定基礎。

進階協同（大二）：“數理重分析，校企多聯動，工程強實訓”

在大二暑假新開設《工程綜合訓練》課程，引入校企協同育人，邀請業內知名企業共同參與教學設計，由一線工程師、專業教師、實驗室工程師組成多元化教學團隊，開設“電氣化+”背景下智能制造、新能源等工程營，營造工程背景下真實學習情境。采用 CDIO 項目訓練模式，引導學生直面工程問題，體驗多重社會/經濟約束下的工程創新（功能衍生、環境拓展），提升學生的工程實踐能力和工程意識。

以2021年為例，《工程綜合訓練》課程組與華為、東風汽車、德州儀器等國內外一流企業聯合，開設工程訓練營14個，主題涵蓋電動汽車、機器人、新能源、智能制造等熱點領域。學生自由選擇主題，以企業真實產品項目為牽引，親歷實際工程項目研發全流程，提升解決復雜工程問題能力。

高階精深（大三、大四）：“基礎綜合化，學習研究化，專業社會化”

重構《信號與控制綜合實驗》、《微處理器原理及應用》等課程系列，采用任務驅動式學習，對某特定主題（自平衡小車、電能無線傳輸系統等）進行任務分解，分模塊迭代，引導學生不斷嘗試改進，提升知識/方法的綜合應用能力。

在大三暑假新開設《科研綜合訓練》課程，以前沿科學問題驅動，以科教融合的方式將前沿科研方向/項目/科研成果/高端科研設備等資源反哺教學，凝練電磁能-動能轉化系統設計、新能源并網變電站設計、復雜電力電子系統、電動汽車驅動及控制設計等多類設計型開放研究專題。

研究專題均來自于高水平科研團隊（基金委創新群體、科技部重點領域創新團隊、國防科工局創新團隊等）和重大科研研發項目。學生在教師及行業專家指導下，可任意選擇感興趣且符合個人發展規劃的專題，完成挑戰性任務，逐步完善學科知識框架，習得學術技能和方法，塑造科學思維和行為規范，實現從“新手”到“熟手”轉變，提升未來職業認知力。

以《科研綜合訓練》課程“電磁能-動能轉化系統設計”專題為例，課程組以“先進國防裝備+電磁科學”為主題，依托團隊承擔的電磁發射關鍵技術科研項目，將科研資源轉化為教學資源，自主研發專用教學平臺，引導學生踐行仿真建模-樣品研制-實驗分析-反饋提升的科研探索，培養學生應對高電壓、大電流場景的工程意識和科研創新能力，激勵學生科技報國、求真探索。

最終，將畢業設計作為工程教育專業本科教學進程中最后一個重要的實踐性教學環節，使學生畢業前能夠運用所獲得的知識和能力對解決復雜工程問題進行全面總結、綜合訓練和集中展示，也是學生畢業及獲取畢業證和學位證的根本性依據。

2.3 打造“學生想創就能創，教師想改就能改”全開放的實踐硬件基礎

2019年學院新大樓落成，新增本科實驗教學面積3000平米投入使用，全面進行實踐環境建設。學院通過梳理原有課程實驗平臺，科研平臺和企業實習實踐教育平臺的關系，完善教學模式及管理模式，逐步構建了從“基礎訓練+興趣引導”、“工程訓練+工程創新”、到“科研訓練+學術創新”的一體化全開放平臺，實現了實踐環境平臺化、人性化、多元化。

實驗室平臺化：將原有的固定式實驗臺逐步改造為移動式、便攜式實驗設備和測試工具，增加3D打印、PCB制作等創客加工間，將面向單一課程的專業實驗室轉變為通用化實驗室，實現實驗室平臺化、工具化。

實驗環境人性化：實驗室面向全體本科生全開放式管理，尊重個性發展，增加自由研討和學習空間，提高實驗室利用效率，保障學生自由實踐的時間、空間，讓實驗室成為學生首選學習場所，實現實驗環境人性化。

實踐平臺多元化：依托學科科研平臺，為本科生提供科研訓練項目和實踐場所，采取開發科教一體化實驗平臺、科研引入課程改革、面向優秀本科生開放研究課題選題、指導專業學術競賽等多樣實踐形式，營造濃厚的學術研究氛圍和研究型實踐環境。

2.4 構建OBE(outcome based education)成果導向的實踐教學體系的評估機制

在工程教育認證標準基礎上，對于每門實踐課程和實踐環節均采用OBE成果導向進行教學組織、評價和質量管理規范，實現從目標設計、實施、評價到改進的實踐教學質量監控閉環運行。

• 目標：知識、能力和素養等分解細化規范，設置實踐教學體系與畢業要求支撐關系，整體規劃實踐知識、能力、意識達成目標，形成可量化、可觀測和可操作性多維度評價標準。
• 實施：落實成為每門實踐課程的教學目標，反向設計教學活動以支撐學生實踐學習成果。
• 評價：引入學生自評、組內互評和教師評價等多元評價主體；根據學生學習行為表征，如課堂展示、實驗報告、團隊/個人表現等，選擇可量化、可測量、可操作的評價維度，設計評價量表/問卷調查進行能力增值的過程性綜合評估。
• 反思：總結學習優勢和存在問題，進行教學內容和形式適時調整，進行持續改進。

圖3 實踐教學體系評估框架

2.5 構建新工科背景下工程實踐能力評價指標體系

為檢驗新工科背景下實踐教育改革的科學性和有效性，學院與華中科技大學教育科學研究院合作，開展大學生工程實踐能力發展測評實證研究。

由電氣工程與教育學的教師組成聯合課題組，依據 IEO（輸入-環境-輸出）學生學習發展理論模型，提出了學生工程實踐能力發展分析框架，如圖4所示，并結合全球工程教育改革最新成果，提出了工程設計、工程操作、工程溝通、項目管理與合作、系統思維等五個維度的綜合性工程實踐能力框架，包含 19個二級評估指標量表進行測評（見表1），對不同能力因子發展水平差異、教學行為和學習行為對不同能力因子的影響進行階層回歸法分析。

圖4 學生工程實踐能力發展分析框架

表1 工程實踐能力評價量表

以《工程綜合訓練》課程為例，為評價工程實踐創新能力培養效果，分析不同教學行為和學習行為對不同能力養成影響機制，課程組采取前后側抽樣測評的方法，對本專業2016級學生進行了調查，共有309名學生提交有效問卷。

經過測評信效度檢驗，印證了課程對于提高大學生工程實踐能力發展的有效性，學生工程實踐能力各方面均得到顯著發展（如圖5所示）。通過分析教學行為與學習行為對實踐能力的影響，課程組得以檢驗實踐教學改革的有效性。數據分析表明，積極的師生互動和學生自主探究學習對實踐能力發展具有顯著的解釋力。

圖5 指標前后測均值比較

3 改革成效

隨著實踐教學改革穩步推進，學院形成良好創新實踐氛圍，創新成果初見成效。更多有潛質的優秀學生積極參與各項科研項目、工程項目實踐，師生互動活躍，形成科研/工程實踐共同體，帶動起內部創新實踐良性循環。

近5年來，學院本科生累計參與科研訓練項目300余項，獲全國挑戰杯特等獎、互聯網+大賽金獎等14項，國際性獎項61項，其他國家級省部級獎項207項。其中，2019年創新電機團隊指導的“開關磁阻電機電控產業化”項目獲第五屆中國“互聯網+”大賽全國高教主賽道金獎，電氣信息測量團隊指導的“微注入式配電電纜絕緣劣化‘不停電’監測裝置”項目獲第十六屆“挑戰杯”全國一等獎。2021年，電氣信息測量團隊指導的“基于Hz級電磁波的井下遠距離無線通信裝置”項目獲第十七屆“挑戰杯”全國特等獎，實現學院歷史上“0”的突破，也是華中科技大學第二次獲得該賽事全國特等獎。

教師教學研究蔚然成風。近5年學院教師先后主持國家及省部級教研項目27項，在《高等工程教育研究》等教育研究權威期刊發表教學論文23篇。2021年，學院主持的教育部首批新工科研究與實踐項目“依托學科優勢，面向‘電氣化+’，重構電氣工程本科實踐教育體系與實踐平臺”以優秀結題，并獲得教育部第二批新工科研究與實踐項目支持。

兩門新工科特色實踐課程“企業工程訓練營”、“高電壓科學訓練營”分別入選2019年、2020年中國高等教育博覽會“校企合作雙百計劃”典型案例，并推廣至南開大學、海軍工程大學等國內多所高校。“高電壓科學訓練營”課程組自主開發的“電磁能-動能轉化機制探究教學平臺”獲全國高校教師教學創新大賽-第六屆全國高等學校教師自制實驗教學儀器設備創新大賽一等獎。

2019年12月，以美國加州大學伯克利分校吳復立教授為主席，來自美國、德國、日本和澳大利亞等國電氣工程及其相關領域權威專家組成的專家組對學院進行了現場考察與全面評估。

專家們對本專業實踐教學體系高度評價：“The committee members spoke with undergraduate students and found that the high-level research resources are generally accessible to them, which creates an innovative training ecosystem involving the school's engineering practice education system and its unique evaluation approach. The high quality of education was manifested by their career development after graduation.” （“經過與本科生的交流，發現學院為本科生提供了高水平的科研資源，并通過這些科研資源創建了一個創新的實踐課程生態體系以及適用于工程實踐教育的評估方法。學生畢業后的職業發展體現了高質量的教育水平。”）

4 結論

高校立身之本在于立德樹人。華中科技大學電氣與電子工程學院依托新工科建設，深化本科教學內涵和實踐育人機制，構建了“知識、技能、意識”協同整合的一體化工程實踐教學體系，實現實踐能力培養模式從“碎片化”到“系統化”轉化升級，促進學生工程實踐與創新能力提升。

未來，學院將繼續努力，打造新時代一流電氣工程教育，讓每位學生在華中大電氣獲得最好的學習和成長體驗，培養出更多卓越工程科技創新人才，走出一條適合國情與校情，面向世界、面向未來、面向現代化的高素質創新人才培養之路。

本文編自2022年第19期《電工技術學報》，論文標題為“新工科電氣工程實踐教學體系重構與實踐”。本課題得到教育部第二批新工科研究與實踐資助項目的支持。