新工科背景下混合式創(chuàng)新實踐教學研究

陳宏 鄧元龍 費躍農 劉承香 鄭三元

[摘 要] “電路分析”課程作為電類專業(yè)的基礎課，在電子信息工程專業(yè)人才培養(yǎng)中發(fā)揮著重要的作用?；谛鹿た乒こ探逃男吕砟睿槍Α半娐贩治觥闭n程教學存在的問題，提出主線式模塊化理論教學、仿真和實體一體化實驗教學、工程項目群主導的跨學科創(chuàng)新實踐教學相結合的混合教學模式。教學實踐表明，該教學模式充分調動學生自主學習的主觀能動性，提高了理論基礎水平、工程實踐經驗和創(chuàng)新研究能力。

[關鍵詞] 電路分析;新工科;混合教學;工程實踐;創(chuàng)新

一、引言

為主動應對新一輪科技革命與產業(yè)變革，2017年2月以來教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”[1-3]。 “新工科”的“新”體現在工程教育的新理念、學科專業(yè)的新結構、人才培養(yǎng)的新模式和教育教學的新質量，提倡多領域結合、多學科相交叉，對當前高校人才培養(yǎng)提出了新的要求。

在新工科背景下，現有工科專業(yè)課程的教學模式需要進行深刻的改革創(chuàng)新，建立理論課程體系和實踐教學體系緊密結合的新的人才培養(yǎng)模式，以培養(yǎng)出具有扎實的理論知識、豐富的工程實踐經驗和創(chuàng)新創(chuàng)造思維的高素質復合型人才。根據新工科的新理念，以及“電路分析”課程特征和本校教學實踐總結，研究并建立了主線式模塊化理論教學、仿真和實體一體化實驗教學、課外實踐項目群情境化教學相結合的混合教學系統(tǒng)，探索出以提高工程實踐水平和培育創(chuàng)新研究能力為中心的“電路分析”課程的教學新模式[4]。

二、當前“電路分析”課程教學存在的問題

“電路分析”作為電類及相關專業(yè)的重要基礎課程，為學習“電子技術”“傳感器技術”“電機拖動”等專業(yè)課建立必要的電路基本知識和方法，其教學模式產生的學習效果直接影響到學生對于專業(yè)的深入理解和學術興趣。由于“電路分析”課程知識的學科特征、傳統(tǒng)教學思路的慣性，以及新舊教育理念和培養(yǎng)目標的差異，當前的教學模式和教育方法上存在以下問題：首先，偏重電路理論基礎知識的課堂灌輸式單向傳授，無法培養(yǎng)學生的自主學習能力和提高學習興趣;其次，學生對于同時學習的相關基礎課程群的融會貫通能力弱，專業(yè)知識的學科交叉和綜合應用能力不足;再次，學生不善于使用相應的工程軟件并結合課堂學習的理論知識有針對性地解決實際工程問題，不利于培養(yǎng)工程實踐經驗和創(chuàng)新研究能力。

在本校工科專業(yè)的“電路分析”課程實際教學過程中，存在著課堂講授內容多與少課時教學要求（總學分≤140分）的矛盾，綜合應用其他專業(yè)基礎課程知識的教學目標與單一固化的以PPT投影和板書為主要授課形式、以作業(yè)和考試為主要考核手段的傳統(tǒng)教學方法的矛盾，培養(yǎng)解決實際工程問題并啟發(fā)創(chuàng)新思維能力的教學目標與傳統(tǒng)的以理論知識學習為主、驗證性實驗為輔的教學形式的矛盾。

三、面向實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的混合教學模式

針對“電路分析”課程教學過程中存在的問題和突出矛盾，通過解析“電路分析”的知識結構特點和教學目標，基于應屆學生和重修學生的學科知識儲備梯度、心理認知規(guī)律以及同時段選修課程群的知識關聯(lián)度，建立以產出為導向的“電路分析”教學綜合考核評價體系。該體系可有效驅動理論教學、課程實驗、工程實踐相結合，跨學科課程的知識交叉和綜合應用，基于工程項目群和多工程軟件運用的多環(huán)節(jié)、全流程的創(chuàng)新實踐教學[5]?！半娐贩治觥被旌辖虒W系統(tǒng)能夠充分調動學生自主學習的主觀能動性，積極提升學習熱情和對本專業(yè)的認可度，探索出以提高工程實踐水平和培育創(chuàng)新研究能力為中心的“電路分析”課程混合式創(chuàng)新實踐教學模式（見圖1）。

（一）主線式模塊化理論教學

根據“電路分析”的知識分布和總課時分配，調整和優(yōu)化“電路分析”課程的理論教學內容，建立由不同課時權重比的主模塊構成的模塊鏈：①直流電路模塊（26學時）;②暫態(tài)電路模塊（6學時）;③交流電路模塊（20學時）;④三相電路模塊（2學時）。直流電路模塊是“電路分析”課程教學的基礎和重點，將其一般分析方法作為理論教學模塊鏈的主線，在此基礎上可以進一步在相關知識上進行拓展和延伸。要求學生在課余時間自學非正弦周期電流電路、非線型電路、動態(tài)電路的復頻域分析等，利用線上交流進行答疑和討論，不僅達到少學時要求，同時有效鍛煉和培養(yǎng)了學生自主學習的水平和自信心。

為檢驗并鞏固課程學習效果，采用課堂討論、課堂測試、課后隨機習題訓練和單元考試等方式，并對每次考核采用百分制計分并及時公布，以達到提升學習壓力和激勵學習動力。實時跟蹤和分析學生的考核數據，及時改進教學方法和方式，建立課上課下學習全面融合、以學定教以生為本的雙向互動教學模式。根本上解決原有的教學方案造成的課程純理論內容繁多、較少課時教學要求造成的“滿堂灌”的枯燥學習氣氛和低效的學習收獲，客觀上致使學生產生畏難心理、非上課時段松散學習狀態(tài)的教學現實問題。

（二）Multisim仿真和實體一體化實驗教學

Multisim是一款適合電路電子系統(tǒng)仿真分析與設計的EDA工具軟件，具備完備的元器件庫、功能強大的SPICE交互仿真能力、虛擬儀器測試和分析功能[6]。為加強學生對于電路理論的感性認識并提升學習興趣，對應于理論課的教學進度和知識體系，開發(fā)了基于基爾霍夫電路、RLC一階二階電路、微積分電路、串并聯(lián)諧振電路等基本電路，以及功率測量電路、電容倍增器電路、移相器電路等多類實際應用電路的Multisim仿真實驗，及時有效地把理論知識融會貫通于電路仿真實驗中。采用課上教學為引導和課下自學為主的方式，學生利用Multisim仿真電路調整電路結構和參數進行仿真實驗分析，不僅能夠快速地掌握軟件使用技巧，同時可以加深和拓展對理論知識的理解。

在理論和仿真實驗教學期間同步開展實體實驗（包括實驗室實操和口袋實驗操作），設計了電工儀表的使用、戴維寧定理、三相交流電路電壓電流的測量、含受控源電路等多個實驗項目（共計18學時），學生在電路電子實驗室或宿舍中根據自編實驗指導書完成電路實驗，通過對比和分析實際電路的理論計算、仿真實驗和物理實驗，進一步提高對電路理論的理解深度和實驗操作水平。

（三）工程項目群主導的跨學科創(chuàng)新實踐教學

作為專業(yè)基礎課程，“電路分析”的知識體系主要由理論概念、定律定理、基礎分析方法和計算構成，知識結構具有重理論輕實踐的特征。而采用理論為主的教學模式會降低學生學習熱情和教學效果，無法培養(yǎng)學生主動學習的良好習慣、創(chuàng)新研究的思維和解決實際問題的能力，也無法達成培養(yǎng)學生具有堅實的理論基礎和優(yōu)秀的理論研究水平的課程目標[7]。同時選課學生處于低年級階段，學生專業(yè)學科知識的綜合應用水平較低，需要建立相應的跨學科實踐教學環(huán)節(jié)，為高年級具備解決復雜工程應用問題的能力打下基礎。為解決上述矛盾，根據理論知識的模塊化系統(tǒng)，以及學生的學科知識背景和學習能力分布，基于理論教學和實體實驗的進度，對應教學重點、難點的直流電路和交流電路模塊，構建了包括3個同步的、難度等級適合且遞增的研究型課題的跨學科工程設計創(chuàng)新實踐項目群（見圖2）。

學生在課程教學全周期內，按期完成三項工程實際電路的解決方案規(guī)劃和設計、理論分析計算、程序設計、電路Multisim仿真實驗、項目設計報告書撰寫和現場答辯的全流程工作任務。設計項目的完成需要相關學科的知識交叉和綜合應用，包括高等數學和線性代數、程序設計、大學物理，并綜合使用MATLAB類數學計算軟件、C++類編程軟件和Multisim電路仿真軟件三類工程軟件以及Office辦公類軟件。在精心設計的實際工程項目情境中，學生可以真實經歷和體驗實踐課題的工程背景、設計思路和開發(fā)過程。項目解決方案工程應用價值、優(yōu)化設計和開放性設計理念促進學生不斷累積和強化渴求新知識的好奇心、開發(fā)設計需要的刻苦鉆研精神和解決復雜工程問題的成就感，有效提升了學生的自學能力、多學科知識交叉和綜合應用水平、工程實踐能力和經驗以及創(chuàng)新研究思維。

（四）產出為導向的教學綜合考核評價體系

原有教學模式的考核評分系統(tǒng)存在著多種現實問題，包括學生片面重視理論知識學習和期末課程筆試、學習前松后緊導致考前臨陣磨槍和考后知識基本遺忘、考核評價以期末考試答題對錯為主要評分手段等[8]。針對“電路分析”的學科特點和課程體系中專業(yè)基礎課程的地位，建立了多元化、全周期、理論結合實踐的、以學生為中心、以產出為導向的持續(xù)改進的考核評價系統(tǒng)（見表1）。

評價系統(tǒng)的理論考核設計配置了基礎習題和考研類、啟發(fā)類難題所構成的測試題庫，每個環(huán)節(jié)的百分制評價督促學生在學習全周期持續(xù)理解、鞏固和加深電路理論的基本概念、分析方法和拓展知識，在實踐考核中學生通過課堂、實驗室和電腦學習和積累各種基礎電路和應用電路的特性和分析設計方法，以工程項目設計為目標，提高對實際工程問題的分析和解決能力。對每屆學生的各項考核成績和課程目標達成度分布進行動態(tài)評價和分析，不斷調整優(yōu)化理論教學內容和教學方法、測試習題難易權重、仿真和實體實驗的應用電路集、工程實際項目環(huán)境、考核模式評分權等。

四、結論

為有效解決“電路分析”教學中存在的問題和矛盾，針對“電路分析”的學科特征、學習主體客觀狀況和課程教學目標，在新工科建設背景下，探索出以提高工程實踐水平和培育創(chuàng)新研究能力為中心，“電路分析”和其他學科課程相交叉，理論教學、實驗教學和工程項目實踐教學相結合的統(tǒng)一混合教學模式。經過三屆學生的教學實踐表明，該教學模式充分激發(fā)學生自主學習的主觀能動性，不僅鞏固了理論基礎知識，而且培養(yǎng)了學生發(fā)現問題、分析問題、解決問題的工程實踐能力和創(chuàng)新研究水平，滿足了新形勢下產業(yè)發(fā)展對工程和研究人才的迫切需求。

參考文獻

[1]教育部.”新工科”建設復旦共識.[EB/OL].[2017-2-18]. http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/201702/t20170223_297122.html.

[2]教育部.新工科”建設行動路線（“天大行動”）.[EB/BL].[2017-4-8].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/21704/t20170412_302427.html.

[3]教育部.新工科研究與實踐項目指南.[EB/BL].[2017-4-8].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201707/t20170703_308464.html.

[4]劉榮科，楊昕欣，洪韜.面向新工科建設的電子電路系列課程教學的思考與實踐[J].高教論壇，2018（9）：20-23.

[5]郭建敏.提高“電路分析”課程教學質量方法的研究[J].高教學刊，2019（9）：111-113.

[6]王志秀，張吉月，藍波.電類專業(yè)電學基礎技術課程改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2014（5）：179-183.

[7]田社平，張峰.基于電路應用實例的研究型教學實踐與探索[J].電氣電子教學學報，2018（2）：79-84.

[8]劉芬，雅靜.“電路分析基礎”課程考核方式的改革與實踐[J].教育教學論壇，2016（2）：129-130.