面向工程思維培養(yǎng)的“電路”課程教學(xué)研究與探討

謝捷如

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211106)

我國于2016 年正式成為《華盛頓協(xié)議》的成員，全面參與該協(xié)議各項(xiàng)規(guī)則的制定，通過工程教育本科專業(yè)認(rèn)證的本科畢業(yè)生，獲得的學(xué)位將得到國際認(rèn)可[1]。中國高等工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中凸顯了工科學(xué)生在本科階段培養(yǎng)工程思維能力的重要性[2]。

“電路”課程是電氣工程與自動(dòng)化、測控技術(shù)與儀器、自動(dòng)化、信息技術(shù)等大類電氣信息專業(yè)(甚至其他專業(yè))的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課或核心課。一般也是上述專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的第一門工科類課程[3]。“電路”課程所授內(nèi)容對(duì)相關(guān)專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)提出的最新版畢業(yè)要求起到了重要的支撐作用。“電路”課程教學(xué)側(cè)重對(duì)學(xué)生工程思維能力的培養(yǎng)，這對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的提升具有十分重要的作用。

“電路”課程是一門理論性很強(qiáng)的課程，同時(shí)也是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。但長期以來教學(xué)實(shí)踐中更重視理論的完整性和系統(tǒng)性，而較少考慮它的實(shí)踐性，以及如何為后續(xù)課程，特別是如何為工程實(shí)踐服務(wù)[4]。為此，近年來許多教師進(jìn)行了相關(guān)研討和教學(xué)改革[5-7]。為培養(yǎng)本科生的工程思維，筆者在該課程教學(xué)中對(duì)教學(xué)策略、教學(xué)內(nèi)容和方法等進(jìn)行初步探索，取得了一些有益的成果。

1 工程思維

“電路”課程教學(xué)要求學(xué)生先修普通物理、高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)，故學(xué)生具有了相關(guān)數(shù)理基礎(chǔ)和數(shù)學(xué)、物理的思維方式[8]。與這些思維方式不同，工程思維是價(jià)值定向的思維，是與具體的“個(gè)別對(duì)象”聯(lián)系在一起的“殊相”思維，其核心是解決工程問題，具有“特定性”。這些特性意味著問題的解決方案并不唯一，存在著多個(gè)不同的完成該任務(wù)的設(shè)計(jì)方案[9]；意味著面對(duì)工程問題，解決方案可能只有合適的，不存在最好的；意味著工程師要從影響工程問題的眾多因素中，突出主要矛盾，忽略次要矛盾，工程中是允許誤差存在的；意味著并不需要面面俱到，某些性能的改善很可能需要犧牲另一些性能[8]。由此可知，工程思維就是面對(duì)復(fù)雜的實(shí)際工程問題，在一定的條件下用最簡單的方法來解決的思維[8]。

2 教學(xué)策略

教育心理學(xué)研究者認(rèn)為，教學(xué)策略是教學(xué)設(shè)計(jì)的組成環(huán)節(jié)，對(duì)于教師而言，教學(xué)策略設(shè)計(jì)將使教學(xué)活動(dòng)系統(tǒng)化，有助于提高教學(xué)效率。

教學(xué)策略包括組織策略、傳輸策略和管理策略3部分[10]。組織策略指如何組織一個(gè)教學(xué)，呈現(xiàn)什么特定內(nèi)容以及這些內(nèi)容該如何呈現(xiàn)。傳輸策略指要使用什么樣的教學(xué)媒體以及如何分組學(xué)生。管理策略是指進(jìn)度的安排和資源分配，以及按前設(shè)的傳輸和組織策略加以規(guī)劃的教學(xué)的實(shí)施。這些策略可以從一個(gè)單元或整個(gè)課程(宏觀)的角度加以規(guī)劃，也可以從單節(jié)課(微觀)的角度加以規(guī)劃[10]。其實(shí)好的教師在實(shí)施教學(xué)活動(dòng)的過程中自覺或不自覺地進(jìn)行教學(xué)策略設(shè)計(jì)。單節(jié)課的組織一般包括導(dǎo)入、主體、結(jié)尾和評(píng)估環(huán)節(jié)。一般評(píng)估環(huán)節(jié)并不需要每堂課都設(shè)置，可以放到單元內(nèi)容結(jié)束之后，甚至在學(xué)期末以期末考試形式進(jìn)行。教育心理學(xué)者建議，一堂課應(yīng)該包括引起學(xué)生注意、確定教學(xué)意圖、回憶相關(guān)先行知識(shí)、加工信息、集中注意力、練習(xí)、評(píng)價(jià)性反饋、總結(jié)與復(fù)習(xí)、知識(shí)遷移等教學(xué)關(guān)鍵事件。這些事件可以從認(rèn)知過程的角度，確定認(rèn)知加工點(diǎn)，設(shè)計(jì)好學(xué)習(xí)策略，使認(rèn)知的主導(dǎo)者是學(xué)生，以學(xué)生為中心[10]。

適合工程思維培養(yǎng)的教學(xué)策略可以選擇采用問題解決的教學(xué)策略。實(shí)施問題解決的教學(xué)策略，要求學(xué)生需要具備陳述性知識(shí)、原理和認(rèn)知策略等3類知識(shí)。對(duì)于“電路”課程而言，這3類知識(shí)儲(chǔ)備是必須的。因此在這3類知識(shí)的教學(xué)策略設(shè)計(jì)中均需要考慮工程思維的培養(yǎng)。問題解決需要綜合運(yùn)用以前學(xué)習(xí)過的陳述性知識(shí)、原理和認(rèn)知策略，以學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的獨(dú)特方式，來解決先前沒有遇到過的問題[10]。圖1給出了問題解決課的教學(xué)關(guān)鍵事件，這里將評(píng)估環(huán)節(jié)放到單元內(nèi)容學(xué)習(xí)結(jié)束后進(jìn)行。

圖1 問題解決課的教學(xué)關(guān)鍵事件

3 教學(xué)內(nèi)容和方法研究

3.1 導(dǎo)入階段的教學(xué)

電路課程理論性強(qiáng)，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會(huì)因感覺枯燥而失去學(xué)習(xí)興趣。在一堂課的導(dǎo)入階段的教學(xué)，引入應(yīng)用背景，采用工程實(shí)例，展示電路分析和真實(shí)世界之間的聯(lián)系，可以引起學(xué)生的注意，使他們明確教學(xué)的意圖是什么，激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，有利于學(xué)生對(duì)基本概念、相關(guān)理論和原理的理解和掌握。例如在講解電阻電路時(shí)，先從學(xué)生熟悉的手機(jī)和平板電腦觸摸屏開始，有的觸摸屏是電阻式的，通常使用兩個(gè)由透明的電阻材料構(gòu)成的屏幕，通過透明絕緣層隔開。電阻式觸摸屏的電路模型如圖2所示。給出電路模型后，提出問題，當(dāng)屏幕被觸摸時(shí)，相關(guān)位置如何產(chǎn)生電壓？怎樣精確定位屏幕觸摸點(diǎn)？由此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。當(dāng)學(xué)習(xí)完這部分內(nèi)容后，再應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析、解決上述問題。而講解電容元件時(shí)，繼續(xù)從手機(jī)和平板電腦觸摸屏開始。由于電阻式觸摸屏有其局限性，如任一瞬間只能處理單一的觸摸，而需要通過擠壓手勢(shì)來放大或縮小屏幕時(shí)，電阻式觸摸屏就無能為力了，這種情況下大多使用電容式觸摸屏，從而引出電容元件。在這部分內(nèi)容學(xué)習(xí)結(jié)束后，通過實(shí)例進(jìn)行分析[11]。

圖2 電阻式觸摸屏的電路模型

3.2 比較式教學(xué)

比較式教學(xué)就是提取與編排彼此相互聯(lián)系或相互對(duì)立的教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生通過比較、比照、類比等積極的比較思維，概括總結(jié)出知識(shí)點(diǎn)之間的異同，深刻理解所學(xué)知識(shí)，進(jìn)而形成比較式思辨能力。具體指在教學(xué)實(shí)踐中，將具有某種相似或區(qū)別的一些知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，找出它們的異同點(diǎn)，使學(xué)生在掌握了一個(gè)知識(shí)點(diǎn)后，能夠迅速聯(lián)想到另一個(gè)知識(shí)點(diǎn)并理解掌握，從而完成預(yù)定的教學(xué)目標(biāo)。在一堂課的主體教學(xué)階段，比較式教學(xué)可以使學(xué)生能較好地完成知識(shí)與能力的遷移、內(nèi)化，在培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、集中注意力等方面有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

電路中有諸多不同知識(shí)點(diǎn)之間的對(duì)比。例如對(duì)偶原理，這一原理很好地總結(jié)說明了電路中存在的對(duì)偶元素和對(duì)偶關(guān)系。如果已經(jīng)導(dǎo)出電路某一關(guān)系式和結(jié)論，學(xué)生可以應(yīng)用對(duì)偶原理直接得出與它對(duì)偶的另一關(guān)系式和結(jié)論，起到事半功倍的效果[12]。當(dāng)然也要對(duì)比區(qū)別電路中的對(duì)偶和等效，兩者是完全不同的概念[12]。再如感性負(fù)載在直流電源激勵(lì)下的電壓、電流和功率的分析計(jì)算，對(duì)比同樣負(fù)載在正弦交流穩(wěn)態(tài)電路中的電壓、電流和功率的分析計(jì)算，幫助學(xué)生掌握正弦交流電路穩(wěn)態(tài)分析。

電路中也有同一知識(shí)點(diǎn)不同解決方法之間的對(duì)比，如分析求解一階動(dòng)態(tài)電路，對(duì)比原始的古典微分法，需要求解描述一階動(dòng)態(tài)電路的一階微分方程，而工程師通過總結(jié)歸納出的“三要素”法，同樣的問題，只需幾個(gè)簡單步驟，就可對(duì)電路進(jìn)行定量分析[12]。

3.3 討論式教學(xué)

討論式教學(xué)以啟發(fā)式教學(xué)思想為基礎(chǔ)，以“合作學(xué)習(xí)”、“合作探索”等為具體形式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，是以問題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)。通常在教師的引導(dǎo)下，圍繞某些問題，以小班為單位，學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作，通過自學(xué)，查閱相關(guān)資料，進(jìn)行討論、辯論，最終形成結(jié)論以解決問題，完成相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。這里教師要起到引導(dǎo)者的作用，而且具有多重身份，不僅作為組織者、評(píng)價(jià)者，有需要時(shí)也參與討論。

在具體教學(xué)實(shí)踐中，大多數(shù)學(xué)校面臨的是“電路”課程教學(xué)任務(wù)繁重、一個(gè)授課班級(jí)學(xué)生超過百人、教學(xué)學(xué)時(shí)緊張的局面。故討論課采用了由學(xué)有余力且有興趣的同學(xué)主動(dòng)參與、利用學(xué)時(shí)外的時(shí)間組織拓展內(nèi)容的討論式教學(xué)方式。例如關(guān)于功率因數(shù)提高的問題，大課教學(xué)直接給出解決方案是感性負(fù)載并聯(lián)電容器，圍繞這一問題可以進(jìn)一步進(jìn)行小組討論，擬定討論式教學(xué)計(jì)劃(如圖3所示)，為什么不串聯(lián)電容器？并聯(lián)電阻？過補(bǔ)償？補(bǔ)償?shù)焦β室驍?shù)為1？討論式教學(xué)能使學(xué)生有高度的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)其綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力和表達(dá)能力，并且可以具體體會(huì)工程思維的特性，工程活動(dòng)除了考慮技術(shù)要素之外，還包括經(jīng)濟(jì)要素等等。同一工程問題解決方案并不唯一，往往需要綜合考慮各種要素，從中選擇合適的方案。

圖3 討論式教學(xué)計(jì)劃

4 結(jié)束語

“電路”課程是理論性很強(qiáng)的課程，處處需要工程思維，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景，因而在課程教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)避免過于強(qiáng)調(diào)理論、填鴨式的枯燥講授和生搬硬套的學(xué)習(xí)。本文在該課程的教學(xué)實(shí)踐中，從教學(xué)策略、教學(xué)內(nèi)容和方法方面初步探索，力圖克服傳統(tǒng)教學(xué)中重視理論完整性和系統(tǒng)性，較少考慮工程實(shí)踐、忽視學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程素質(zhì)的培養(yǎng)等問題?！笆谌艘贼~，不如授之以漁 ”，課堂教學(xué)不只是傳授學(xué)生知識(shí)，更應(yīng)該是一種思維方法的培養(yǎng)。學(xué)生從中獲得的不僅僅是一個(gè)解答，而是學(xué)會(huì)了如何去處理未解決的問題。實(shí)踐證明，采用上述方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生用工程思維分析問題、解決問題的能力。