基于實踐的“電子電路”翻轉(zhuǎn)課堂建設(shè)

王 蓉，王 歡，黎 飛，李連鳴，張 雷

(東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

翻轉(zhuǎn)課堂是指教學(xué)中重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時間，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生。在這種教學(xué)模式下，教師不再占用課堂時間來講授，學(xué)生在課前通過在線視頻等資源完成自主學(xué)習(xí)，課堂內(nèi)時間，師生互動共同研究探索問題，從而達到更好的教育效果[1-3]。

目前，各高校的翻轉(zhuǎn)課堂建設(shè)工作處于起步階段，主要形式是以布置作業(yè)，安排自學(xué)，課堂答疑講解等為主，翻轉(zhuǎn)的主要內(nèi)容圍繞課程知識，較為單一。雖然培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力，但仍以知識傳授灌輸為主的翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致課堂師生研討話題很難深入，學(xué)生也很難有針對性地提出問題。

“電子電路基礎(chǔ)”是電類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是一門工程性、應(yīng)用性較強的課程，為學(xué)生提供半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)、電子器件、電子線路的分析和設(shè)計方法等，是一門理論與實踐結(jié)合的課程，相關(guān)的實驗教學(xué)在加深學(xué)生對理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生獨立解決問題的能力、工程設(shè)計能力和正確的科學(xué)探究方法等方面非常重要。學(xué)生實驗中遇到的問題，是最好的教學(xué)資源和翻轉(zhuǎn)課堂研討內(nèi)容[4-5]。

針對目前的翻轉(zhuǎn)課堂普遍缺乏圍繞實踐的互動研討這一問題，本文基于東南大學(xué)“電子電路基礎(chǔ)”課程的校級重點改革項目，探究在翻轉(zhuǎn)課程的建設(shè)過程中，如何把理論和實踐課完全融合，在在線課程資源充足的基礎(chǔ)上，把理論的重、難點知識以實驗實踐內(nèi)容展現(xiàn)，并將其作為翻轉(zhuǎn)課程研討的主要內(nèi)容[6]。

1 翻轉(zhuǎn)課堂目前存在的主要問題

翻轉(zhuǎn)課堂模式要求學(xué)生在上課之前通過在線課堂等方式學(xué)習(xí)相關(guān)知識。如果在翻轉(zhuǎn)課堂上僅僅是通過答疑方式或教師再次以重難點講解方式進行二次學(xué)習(xí)，那么實際上，學(xué)生花費了幾乎成倍的時間成本，不一定獲得成倍的學(xué)習(xí)收益；如果翻轉(zhuǎn)課堂以學(xué)生提問教師答疑，或教師設(shè)置問題，學(xué)生根據(jù)自學(xué)回答，此時師生研討的內(nèi)容很難深入具體。學(xué)生作為知識初學(xué)者，也很難發(fā)現(xiàn)或提出高質(zhì)量問題。翻轉(zhuǎn)課堂上師生研討的范圍依然局限在書本理論知識，雖可培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，但主要還是知識灌輸，缺乏實戰(zhàn)和應(yīng)用，缺乏深入互動的研討內(nèi)容。

2 實踐發(fā)現(xiàn)問題是最好的研討內(nèi)容

翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂相比較，獲取知識的方式發(fā)生了變化。如果只是簡單地實行課堂翻轉(zhuǎn)，即以傳遞知識、灌輸知識為核心，那么翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂一樣，僅強化鞏固了知識記憶。反之，如果翻轉(zhuǎn)課堂中的內(nèi)容設(shè)置和問題引導(dǎo)可以使學(xué)生進行探究式學(xué)習(xí)，養(yǎng)成發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、應(yīng)用知識去解釋和解決問題的思維方式，那么翻轉(zhuǎn)課堂才能真正激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和運用知識的能力。

理論實踐兼?zhèn)涞恼n程，實踐中的問題就是最好的引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的素材和契機。教師把課程中理論的重、難點以實踐項目的形式布置給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題；充分利用豐富的線上學(xué)習(xí)資源，引導(dǎo)學(xué)生課前思考這些問題，并嘗試用已學(xué)知識和在線知識去分析問題和解決問題；師生在翻轉(zhuǎn)課堂上對該問題的討論可以從基本概念開始，共同分析實踐中發(fā)現(xiàn)的問題，引導(dǎo)學(xué)生思考問題產(chǎn)生的原因和解決方案，使學(xué)生在解決問題的同時吸收知識，并提出新的問題。這種基于實踐發(fā)現(xiàn)問題的翻轉(zhuǎn)課堂，可以激發(fā)學(xué)生好奇心與學(xué)習(xí)興趣，并學(xué)會學(xué)以致用。具體實施時，①可根據(jù)問題大小，動態(tài)分組實行合作學(xué)習(xí)、討論，提高協(xié)作學(xué)習(xí)能力；②以能力、素質(zhì)培養(yǎng)為主線，訓(xùn)練自學(xué)能力、解決問題能力和創(chuàng)新能力，使學(xué)生能夠真正掌握知識、運用知識，獲得自主學(xué)習(xí)并解決問題的快樂。

3 基于“實踐問題”的翻轉(zhuǎn)設(shè)計案例

以東南大學(xué)“電子電路基礎(chǔ)”課程中的“頻響單元”來說明如何利用實踐來進行翻轉(zhuǎn)課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計。

3.1 理論和實踐教學(xué)目標(biāo)

教師確定翻轉(zhuǎn)課堂要實現(xiàn)的理論和實踐的教學(xué)目標(biāo)如表1所示。

表1 理論和實踐教學(xué)目標(biāo)

3.2 問題引導(dǎo)和自學(xué)指導(dǎo)

設(shè)置實驗項目，作為翻轉(zhuǎn)課堂前的問題引導(dǎo)和自學(xué)指導(dǎo)。要求在Multisim中輸入三種不同頻率(0.1 kHz、1 kHz和10 kHz)、相同峰峰值幅度(2 mVpp)的正弦波信號到已完成設(shè)計的放大器(前序課程已完成)，如圖1所示。觀察瞬態(tài)波形輸出，并從示波器上顯示的波形峰峰值獲得增益值，填入表2。

圖1 放大器電路圖

表2 不同頻率輸入信號時放大器增益值

問題引導(dǎo)：引導(dǎo)學(xué)生對比思考表2中的數(shù)據(jù)后回答：不同頻率信號輸入時，放大器的增益相同嗎？如果不相同，那么原因是什么呢？

自學(xué)指導(dǎo)：指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)課本和在線課程的“頻率響應(yīng)”章節(jié)，分析原因。

3.3 翻轉(zhuǎn)課堂

1)問題回顧和引導(dǎo)

翻轉(zhuǎn)課堂開始時，請學(xué)生發(fā)表對放大器不同頻率信號、不同增益的問題研究，包括該問題的研究過程、問題發(fā)現(xiàn)、合理解釋、學(xué)習(xí)了哪些知識、有無能解釋該問題、有何啟發(fā)、有無進一步的分析驗證等。

2)重點講解和課堂實踐

在師生充分交流的基礎(chǔ)上，教師總結(jié)該問題產(chǎn)生的原因和分析方法，總結(jié)本次課程的重點理論內(nèi)容——傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)及電路參數(shù)選擇與頻響關(guān)系。引導(dǎo)學(xué)生復(fù)習(xí)電路中學(xué)過的電容、電感特性，給出RC低通和高通電路，讓學(xué)生用自學(xué)的傳遞函數(shù)、極零點知識去推導(dǎo)電路的幅度和相位傳遞函數(shù)A(ω)、φA(ω)，理解極零點、帶寬與R，C的取值關(guān)系。采用仿真軟件和口袋實驗室測試電路上、下限頻率。用理論推導(dǎo)和實驗驗證雙重學(xué)習(xí)，讓學(xué)生理解電路中帶寬的決定因素，掌握如何改變帶寬。

3)分組實踐研討失真問題

翻轉(zhuǎn)課堂中繼續(xù)引入實踐環(huán)節(jié)，將全班同學(xué)分為A，B兩個大方向開展分組實踐研究失真問題。

A組學(xué)生給晶體管放大器電路加入峰峰值=10 mV，頻率=2 kHz的正弦波和峰峰值=10 mV，頻率=4 kHz的正弦波串聯(lián)作為信號源輸入，其示意圖如圖2(a)所示。觀察輸入輸出瞬態(tài)波形情況，并采用頻譜分析儀觀察輸入、輸出信號頻譜。再改為加入峰峰值=10 mV，頻率=2 kHz的正弦波和峰峰值=10 mV，頻率=40 kHz的正弦波串聯(lián)作為信號源，觀察輸入輸出波形和頻譜，其示意圖如圖2(b)(c)所示。

(a)信號源

B組學(xué)生給晶體管放大器電路分別加入峰峰值=1 mV，頻率=2 kHz的正弦波和峰峰值=100 mV，頻率=2 kHz的正弦波作為信號源輸入。采用示波器和頻譜分析儀，查看輸出信號波形和頻譜。

A組學(xué)生實驗觀察會發(fā)現(xiàn)，2/4 kHz輸入的頻譜輸出仍為2/4 kHz，且頻譜強度上，2 kHz與4 kHz差別不大；2/40 kHz輸入的頻譜輸出仍為2/40 kHz，但頻譜強度上，40 kHz比2 kHz小很多，這說明40 kHz信號的放大倍數(shù)遠低于2 kHz，這與前面的頻響問題互相印證，加深認知。同時，也帶出了線性失真的概念。

B組學(xué)生實驗觀察會發(fā)現(xiàn)，1 mV輸入時，輸出信號頻譜主要是2 kHz；100 mV輸入時，輸出信號頻譜主要是除了2 kHz，還含有大量的諧波分量。這里面就引導(dǎo)學(xué)生研討非線性失真概念。

失真問題對學(xué)生而言有一定難度，如果僅僅講解理論，學(xué)生很難理解透徹。用“實踐+研討”的方式學(xué)習(xí)，使學(xué)生先有了直觀認知。而后再引導(dǎo)學(xué)生去理解線性失真和非線性失真的異同，學(xué)生普遍感覺容易理解和接受。

4)學(xué)以致用的進階研究

頻率響應(yīng)的一個廣泛應(yīng)用就是濾波器。鼓勵學(xué)生通過在線課程資源，進一步擴展學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，靈活應(yīng)用頻率響應(yīng)單元的知識，了解低通、高通、帶通、帶阻等不同的濾波器類型，學(xué)習(xí)無源、有源濾波器的構(gòu)成和分析設(shè)計方法。

4 實踐翻轉(zhuǎn)教學(xué)效果

翻轉(zhuǎn)課堂是把學(xué)習(xí)求知的主動權(quán)交給學(xué)生，學(xué)生需要在正確的引導(dǎo)下，通過資料查找、視頻學(xué)習(xí)等完成自主學(xué)習(xí)，因此肯定會促進學(xué)生的自學(xué)能力提升。同時，課堂研討會增強師生互動，提高學(xué)生的表達能力。翻轉(zhuǎn)課堂實施以來，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被充分激發(fā)，學(xué)生學(xué)習(xí)變被動為主動，翻轉(zhuǎn)課堂中學(xué)生的參與積極性高，學(xué)生的知識應(yīng)用能力和解決問題的能力得到了極大的提高。

1)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，理論聯(lián)系實踐

翻轉(zhuǎn)課堂中教師的預(yù)設(shè)的問題不再是單純的理論知識或者完成作業(yè)題，而是從一個個實驗項目中，讓學(xué)生自己動手操作從實驗現(xiàn)象中去發(fā)現(xiàn)問題，驅(qū)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和好奇心。通過思考問題產(chǎn)生的原因，在教師提示下再去自學(xué)某個理論知識來試圖解決問題，會讓學(xué)生激發(fā)求知興趣，學(xué)會學(xué)以致用，增加成就感。

2)培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析和解決問題的能力

實踐中引導(dǎo)學(xué)生進行實驗結(jié)果的分析、對比和思考。授人以魚不如授人以漁。翻轉(zhuǎn)課堂中的教師不僅僅是知識的傳授者，更應(yīng)該是學(xué)習(xí)方法的引導(dǎo)者。讓學(xué)生在探究中打開思維，善于發(fā)現(xiàn)和分析。而如何解決問題，就是一個最好的綜合能力的訓(xùn)練。學(xué)生需要調(diào)動自己的知識儲備，當(dāng)所學(xué)知識不夠時，能學(xué)會如何外求資源，內(nèi)化吸收，從而解決問題。一些探究性問題，往往還會伴隨著創(chuàng)新過程。

5 結(jié)語

翻轉(zhuǎn)課堂對促進我國的課程教學(xué)改革向縱深的方向發(fā)展有非常積極的作用，而各種線上線下學(xué)習(xí)資源的極大豐富也為翻轉(zhuǎn)課堂的實施提供了極大的方便。翻轉(zhuǎn)課堂的有效實施必然會提升學(xué)生的學(xué)習(xí)深度和廣度，對學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)也有正向作用。但同時翻轉(zhuǎn)課堂也對教師和學(xué)生提出了更高的要求，教師需要更高的課程把控能力和更深的專業(yè)造詣及課堂組織能力，學(xué)生需要更積極的投入，更主動的學(xué)習(xí)，付出課后更多的時間精力。本文以“電子電路基礎(chǔ)”課程為例，展示了理論和實踐結(jié)合類課程的翻轉(zhuǎn)課堂的設(shè)計思路和教學(xué)案例，為翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)容建設(shè)提供了一種思路。實施效果表明，基于實踐內(nèi)容研討的翻轉(zhuǎn)課堂激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了翻轉(zhuǎn)課堂中學(xué)生的參與積極性，提升了學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，起到了良好的教學(xué)效果。