智慧农业背景下“电工学”实验课程的教学设计与实施

智慧农业背景下“电工学”实验课程的教学设计与实施

徐将，姚明印，陈雄飞，刘兆朋，欧阳静怡，杨小玲

江西农业大学工学院，江西南昌

摘要：在新农科人才培养要求的推动下，“电工学”在农业机械化专业建设中的分量越来越重要。为了让农机类专业学生更好地掌握“电工学”知识，分析了传统实验教学模式存在的问题，建立了科学的教学效果分析方法和评价体系，全面评估了农机专业“电工学”实验课程的教学效果，为课程的持续改进提供数据支持和完善方向。新的实验教学模式可以培养学生的主体能动性和实践操作能力，提升学生解决农业工程问题的创新力，培养更多具备跨专业知识和技能的农机工程师，以推动农业科技进步和发展。

1 引言

“电工学”实验课程主要实践电能的产生、传输和利用，是农机类专业人才培养工程领域的重要组成部分[1-3]。随着智能制造工艺的发展，它们的联系越来越密切。农机装备中机械臂的运动和操作都需要电力驱动，对电能消耗进行精确控制。同时，在农机设备控制系统中，电气控制系统通常负责设备的启动、停止、速度调节等控制功能， 辅助农机设备完成各种运动和操作。因此，在农机设备的设计和制造过程中，机械工程师需要具备扎实的“电工学”知识，以确保设备在整体上协调一致。为了适应教育改革的新形势，多所高校开展了线上线下混合式实验课程建设，利用雨课堂智慧教学平台合理设计了教学实践过程中的教学内容，制作实验视频教程辅助课堂教学，提升了学生学习效率[4, 5]。

实验教学模式的改革虽然完成了与理论知识相匹配的实验内容，但是在教学效果上存在学生的主体能动性较差、重理论轻实践、考核标准单一等不足[6, 7]。因此，将专业背景引入“电工学”实验的教学过程中，结合专业课程与实验教学，改革传统教学方法，使得教学内容更加贴近专业工程实际， 开拓学生的知识视野，有效地调动学生完成实验课程的主观能动性。

2 “电工学”实验课程教学现状

“电工学”实验教学模式的步骤如图1所示。

图1.传统“电工学”实验教学模式的步骤

首先基于实验内容，教师在理论教学课堂上详细讲解基础理论，并安排学生做好实验前的预习工作；其次利用实验平台，教师在实验课题上进一步分析实验内容所涉及到的理论知识，并强调实验过程中需要注意的问题和事项；然后，指导学生分组开展实验工作，相互配合记录实验数据；最后，等待实验完成后，要求学生整理实验平台，按时完成本次实验的实验报告。

3 智慧农业背景下课程教学方法的设计

农机类专业本科生的“电工学”实验课程教学方法的改革可以从以下几个方面入手，以提升教学效果和学生的实际操作能力。

3.1 课程内容与实际应用结合

调整实验内容：将实验内容与农机专业的实际应用紧密结合，设计与农业机械相关的电工实验， 如电机驱动控制、自动化控制系统的设计与调试。案例分析：引入真实的农业机械电气系统案例进行分析，帮助学生理解电工学在实际工程中的应用。

3.2 实验教学方法创新

项目驱动学习：采用项目驱动的教学方法，学生以小组形式完成实际项目，如设计和实现一个简单的电气控制系统或自动化装置。这种方法可以增强学生的综合实践能力和团队合作精神。问题导向学习：通过提出实际问题或挑战，让学生在实验过程中自主解决问题，培养他们的解决问题能力和创新思维。

3.3 实验设备与技术升级

现代化设备：引入先进的实验设备和仪器，如PLC控制系统、电气仿真软件等，使实验设备和技术更贴近实际工程需求。虚拟仿真实验：使用虚拟仿真技术开展实验，使学生能够在没有实际设备的情况下进行电气系统设计和调试，特别是在设备不足或昂贵的情况下非常有效。

3.4 教学方式与评价方法改进

翻转课堂：采用翻转课堂的教学方式，学生在课前通过在线学习平台或自主学习掌握理论知识，课堂上进行实践操作和问题讨论，提高课堂效率。分层次评价：根据学生的实验操作能力、解决问题的能力和团队合作情况进行综合评价，而不仅仅是对实验结果的评价。

3.5 强化实验安全教育

安全培训：在实验课程开始前，进行详细的实验安全培训，包括电气安全知识、操作规程和应急处理措施，确保学生在实验过程中安全操作。安全检查：设立安全检查环节，确保学生在进行实验操作前对实验设备和环境进行检查，消除潜在的安全隐患。

3.6 校企合作与实践基地

实习与实践：与相关企业合作，安排学生到企业实习，了解实际工作中的电气系统应用，并在企业实践中进行指导和学习。企业导师：邀请企业工程师或专家参与实验课程的指导，为学生提供行业前沿的技术支持和实际经验分享。

3.7 跨学科整合

跨学科项目：结合电工学与其他学科，如机械设计、自动化控制等，进行综合性实验项目，培养学生的综合工程能力。多学科团队合作：鼓励学生与其他专业的同学合作完成实验项目，增加跨学科合作的机会和经验。

通过这些改革措施，可以有效提升“电工学” 实验课程的教学效果，增强学生的实践能力和解决实际工程问题的能力，使他们能够更好地适应未来的职业需求。

4 教学评价体系及效果分析

为了有效地评估农机类专业“电工学”实验课程的教学效果，需要结合科学的分析方法建立一个综合的教学评价体系。

4.1 效果分析方法

(1) 定量分析

首先，对学生的实验操作能力、报告质量、团队合作等进行量化评分，并进行统计分析，找出各方面的优劣势。其次，通过实验课程中的考核或考试成绩，分析学生对实验理论和实践知识的掌握情况。最后，以问卷方式调查学生对实验课程的满意度、对教学内容和方法的反馈，进行定量统计分析。

(2) 定性分析

分析学生在“电工学”实验中处理复杂问题的案例，评估其解决难题和创新的能力。深入分析学生的实验报告，评估其对实验过程、数据分析和结论解释的能力。

(3) 对比分析

基于实验操作能力、理论知识掌握和实践技能等方面，对比分析实验课程改革前后学生的表现，判定是否得到提升。同时，分析不同学期、不同班级的学生在实验课程中的表现差异，识别可能的改进点。

(4) 反馈整合

汇总行业专家对“电工学”实验课程改革的反馈意见，分析教学方法和内容的有效性。及时整合学生对课程内容、教学方法和实验环境的反馈，发现需要改进的方面。

(5) 持续改进

根据“电工学”实验课程效果分析改革结果， 制定并实施调整实验内容、更新设备、优化教学方法等改进措施。同时，跟踪改进措施的实施效果， 定期评估其对教学质量的提升情况，确保教学改革的有效性。

4.2 教学评价体系

(1) 学生评价

加强学生在实验操作过程中对设备使用、实验执行步骤准确性的评估。考察学生在实验过程中遇到困难时的策略效果。评价学生对基础理论与实践能力结合的情况。通过对提交实验报告的分析评估学生对实验过程、结论准确性所掌握的情况。同时，对实验小组的实验结论进行打分，评估学生的团队合作和沟通能力。

(2) 教师评价

对教师在实验课程前的实验设计、设备准备和材料准备工作进行评价。基于对问题的解答、实验操作的解释和指导的及时性，评价教师在实验课堂上的指导效果。最后根据实验安排的合理性和课堂互动的有效性，评价教师对实验课程的组织和管理能力。

(3) 实验设备与环境评价

检查实验设备平台的完好性和电子元器件的性能，确保“电工学”实验课程正常工作。基于实验室的设施、环境卫生和安全管理等事项，评估课程实验环境的安全性、舒适性和适宜性。

(4) 课程目标达成度

根据“电工学”实验课程中的实践能力评估学生对理论知识的掌握程度和应用能力，评价学生在实际操作中掌握的技能，结合综合水平填写课程目标达成度报告，做好查漏补缺工作。

(5) 外部评价

邀请行业专家对“电工学”实验课程的设计和教学效果进行评价，提供专业意见和改进建议。同时，收集与企业合作的反馈，评估实验课程对学生实际工作能力的提升效果。

通过建立完善的科学的效果分析方法和教学评价体系，可以全面评估农机专业“电工学”实验课程的教学效果，并为课程的持续改进提供数据支持和改进方向。这将有助于提升学生的实践能力和综合素质， 确保实验课程的高效教学和学生的全面发展。

5 农机专业“电工学”实验课程优化作用

随着电子技术和智能控制技术的不断发展，农机类专业“电工学”实验课程的优化可以实现跨专业的创新、提升设备的性能和可靠性、缩短产品的研发周期等目标。

首先，通过将“电工学”中的电能高效传输技术和农机类专业中的精密机械传动技术相结合， 开发出更加高效节能的传动系统，促进跨专业的创新。其次，实验课程可以通过数据分析和AI技术， 对农机中的电气系统进行精确建模和仿真，从而在设备设计和制造阶段就及早发现和解决潜在的问题，提高设备的性能和可靠性。最后，通过将“电工学”和农机类专业中的各种工程技术进行有机融合，在更短的时间内完成产品的研发和测试，从而更快地将新产品推向市场，缩短产品的研发周期。

综上所述，“电工学”和农机类专业之间的联系在现代化的工程项目中越来越明显。因此，我们需要更加重视“电工学”和农机类专业的交叉学科教育，培养更多具备跨专业知识和技能的工程师， 以推动科技进步和社会发展。

6 教学改革效果说明

以江西农业大学工学院农机专业开设的“电工学”实验课程为例，其评价情况及教学目标达成度情况如表1和图2所示。

表1.教学评价情况

根据表1可知，学生对实验课程的满意度普遍提高，认为课程内容与实际应用更紧密，教学方法更具吸引力。教学过程中的互动性和有效性增强， 实验课程的组织和管理也得到了改善。

如图2所示，“电工学”实验课程共定义了五个目标：掌握基本概念、熟练分析电路、具备工程能力、解决工程问题、获得正确结论，且达成值期望值为0.70。通过对全体学生的5个课程目标做图比较可知，除了课程目标4的达成值为0.55外，本课程课程目标评价值全部高于或等于期望值。结果表明：学生的实验报告质量和实验结果分析更加准确，课程目标的达成度明显提高。学生在技能掌握和应用方面表现优异，能够胜任更高水平的实验任务和项目。

图2.课程目标达成度结果分析图

7 小结

农机专业“电工学”实验课程教学改革后，学生在实验操作中表现出更高的技术水平和操作熟练度，能够独立完成复杂的电气系统设计和调试。在面对实际问题时能有效地应用所学知识，可以提出合理的解决方案。此外，课程改革得到了持续调整和改进，确保了教学效果的持续提升，课程内容和教学方法不断优化，进一步提升了教学质量和学生的实践能力。

致谢

本文由以下基金项目资助：江西农业大学教学改革研究课题（项目编号：2023B2ZZ24）；江西省学位与研究生教育教学改革研究项目（项目编号：0432300349）。