基于硬件設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)的“四位一體”教學(xué)模式構(gòu)建與實(shí)踐
——以測控電路課程為例

王榮秀，李昔華，李 明

(重慶工商大學(xué)人工智能學(xué)院，重慶 400067)

新工科建設(shè)的新產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的邏輯本質(zhì)即工程教育，以解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)為主線，以“學(xué)生為本、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”為核心理念，面向區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求培養(yǎng)人才[1]?；ヂ?lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，促進(jìn)了教學(xué)的信息化和多樣化。MOOC、SPOC等在線教學(xué)資源的建設(shè)，突破了教學(xué)的時(shí)空限制，促進(jìn)了教學(xué)內(nèi)容、方法、模式及教學(xué)管理體制機(jī)制的創(chuàng)新與變革[2]?；诖?，圍繞硬件設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)這一終極目標(biāo)，對(duì)測控電路理論與實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容和教學(xué)組織形式進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)展開，以思政案例貫穿，多層級(jí)多路徑實(shí)施以學(xué)生為中心的教與學(xué)。

1 課程簡介

測控電路是根據(jù)高校儀器類教指委第一次會(huì)議精神確定的測控技術(shù)與儀器專業(yè)的重要課程，是部分高校儀器類和電子信息類研究生復(fù)試科目。本校的測控電路課程是測控技術(shù)與儀器專業(yè)核心課程，也可供自動(dòng)化、電子信息等硬件類專業(yè)選學(xué)，包含理論課48學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課16學(xué)時(shí)。從2016年開始，實(shí)驗(yàn)課單列，開設(shè)在第六學(xué)期。學(xué)習(xí)該課程時(shí)，學(xué)生已具備電路和電子技術(shù)基礎(chǔ)，通過本課程的學(xué)習(xí)，掌握放大、濾波、調(diào)制解調(diào)、信號(hào)轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)等常用電路的原理和類型。對(duì)標(biāo)企業(yè)硬件工程師的要求，課程著重培養(yǎng)學(xué)生的讀圖能力；元器件參數(shù)計(jì)算能力；芯片選型能力；熟練使用EDA工具進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)、仿真、PCB設(shè)計(jì)能力；使用儀器調(diào)試電路，定位故障能力；文檔寫作能力；團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；解決復(fù)雜工程問題的能力。2017年之前，主要進(jìn)行了該課程的仿真資源庫建設(shè)，2017年立項(xiàng)校級(jí)課程建設(shè)項(xiàng)目，開展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)資源建設(shè)，2019年通過驗(yàn)收，開始SPOC教學(xué)，同年立項(xiàng)校級(jí)教改項(xiàng)目，進(jìn)行對(duì)分課堂教學(xué)方式改革，至今完整運(yùn)行三屆，2019年獲課堂教學(xué)創(chuàng)新三等獎(jiǎng)，2021年獲校級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。2019年，依托教育部協(xié)同育人項(xiàng)目，購買“A+D lab”雷實(shí)驗(yàn)裝置，開始線上線下混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。測控電路“四位一體”混合式課程體系是多年積累的結(jié)果，是新工科人才培養(yǎng)理念和工程教育理念在專業(yè)課程中的應(yīng)用體現(xiàn)。

2 課程教學(xué)存在的問題

第一，課程內(nèi)容多，綜合性較強(qiáng)。測控電路理論課程中所學(xué)電路種類繁多，每種電路的功能性較強(qiáng)，需要將電路、模電、數(shù)電、傳感器等課程的知識(shí)與技能融合，參數(shù)計(jì)算復(fù)雜。第二，學(xué)生硬件功底和基礎(chǔ)較差，與企業(yè)需求脫節(jié)。高校電子類課程實(shí)驗(yàn)裝置大都是實(shí)驗(yàn)箱和實(shí)驗(yàn)臺(tái)，學(xué)生芯片選用能力差，制作電路板時(shí)容易出錯(cuò)，部分學(xué)生的電路調(diào)試思路不清晰，EDA輔助設(shè)計(jì)工具掌握不熟練，硬件基礎(chǔ)較差。第三，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)動(dòng)力不足。測控電路因?yàn)榻虒W(xué)內(nèi)容體量龐大，對(duì)部分信號(hào)的處理以框圖形式呈現(xiàn)，較難看到電路實(shí)際處理效果，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力不足。

3 “四位一體”創(chuàng)新教學(xué)模式構(gòu)建思路與舉措

3.1 創(chuàng)新思路

按照知識(shí)點(diǎn)和能力點(diǎn)對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行劃分，知識(shí)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)練習(xí)題和課后作業(yè)來鞏固，能力點(diǎn)通過小組作業(yè)和實(shí)驗(yàn)來訓(xùn)練。理論教學(xué)時(shí)將大量教材框圖轉(zhuǎn)化成實(shí)際的電路原理圖并仿真演示，強(qiáng)化對(duì)電路原理和功能的理解。小組作業(yè)體現(xiàn)高階性，學(xué)生能在教師的引導(dǎo)下舉一反三，進(jìn)行復(fù)雜的電路分析、參數(shù)計(jì)算、電路設(shè)計(jì)等。將課程難點(diǎn)做成微課視頻，部分概念內(nèi)容引用學(xué)堂在線中的清華大學(xué)模擬電子技術(shù)課程微課視頻給學(xué)生自學(xué)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目全部改為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、電路仿真、元器件購買、電路搭建和測試等工作，實(shí)驗(yàn)中引入傳感器，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可觀測性，提高學(xué)生興趣。教學(xué)過程中注重及時(shí)反饋，一方面及時(shí)解答對(duì)分課堂上學(xué)生提出的問題，另一方面通過制作視頻解答學(xué)生在大作業(yè)中存在的問題。另外，可將實(shí)驗(yàn)成功的小組作品錄成視頻發(fā)布到班級(jí)微信群，闡述電路調(diào)試重點(diǎn)，幫助學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)中的問題，提升自信心。

以上課程設(shè)計(jì)思路如圖1所示，逐漸形成了在線學(xué)習(xí)空間、課堂學(xué)習(xí)空間、教學(xué)資源拓展、教學(xué)模型指導(dǎo)“四位一體”混合式課程體系。基于網(wǎng)絡(luò)在線SPOC課程平臺(tái)、雨課堂互動(dòng)平臺(tái)、“A+D Lab理工實(shí)驗(yàn)室”雷實(shí)驗(yàn)拓展平臺(tái)打造混合式在線學(xué)習(xí)空間；基于典型電路仿真，對(duì)分課堂教學(xué)方式組織小組討論、小組展示等打造互動(dòng)式課堂學(xué)習(xí)空間；基于微課視頻庫、知識(shí)點(diǎn)超鏈接庫、思政案例庫、實(shí)驗(yàn)案例庫等拓展混合式教學(xué)內(nèi)容；基于ARCS模型設(shè)計(jì)混合式教學(xué)流程和活動(dòng)。

圖1 課程設(shè)計(jì)思路Fig.1 Ideas of course deign

教學(xué)活動(dòng)采用ARCS教學(xué)模型設(shè)計(jì)，其目的是調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)[3]，如圖2所示。任務(wù)驅(qū)動(dòng)的小組作業(yè)、電路分析與仿真、雷實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)、元器件購買等主題任務(wù)提升同伴行為關(guān)注；過程性評(píng)價(jià)激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)和思辨；分層級(jí)任務(wù)布置和知識(shí)點(diǎn)超鏈接提高課程的高階性和挑戰(zhàn)度；全時(shí)間、全空間融入思政元素，引導(dǎo)價(jià)值塑造；全過程小組協(xié)作教學(xué)有利于提高團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)；師生雙向多輪實(shí)時(shí)互動(dòng)反饋教學(xué)保證了課程的持續(xù)改進(jìn)和創(chuàng)新；微課視頻推送掃清了部分學(xué)生的學(xué)習(xí)障礙；優(yōu)秀作業(yè)實(shí)名展示激勵(lì)學(xué)生認(rèn)真做事，追求卓越的科學(xué)品質(zhì)。

圖2 ARCS教學(xué)模型設(shè)計(jì)混合式教學(xué)活動(dòng)Fig.2 Blended teaching activities of ARCS teaching model design

3.2 創(chuàng)新舉措

課程教學(xué)首先進(jìn)行了全局規(guī)劃，隨著技術(shù)變革，按照每一章知識(shí)點(diǎn)在測控領(lǐng)域的重要性及知識(shí)本身特點(diǎn)規(guī)劃理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其中放大、濾波、信號(hào)轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)控制幾乎是任意一個(gè)測控儀器都包含的內(nèi)容。以信號(hào)濾波電路一章為例，說明課程的創(chuàng)新舉措。

第一，學(xué)情分析和目標(biāo)設(shè)定。信號(hào)濾波知識(shí)點(diǎn)多，教學(xué)目標(biāo)是學(xué)生能根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)中的信號(hào)頻率和噪聲頻率設(shè)計(jì)合理的濾波器進(jìn)行信號(hào)處理，提高測量精度。知識(shí)目標(biāo)：掌握濾波器的分類、各性能指標(biāo)的含義、常用的電路構(gòu)成等。能力目標(biāo)：掌握已知電路計(jì)算濾波器性能指標(biāo)、能夠根據(jù)指標(biāo)要求使用運(yùn)放加外圍元器件設(shè)計(jì)滿足功能要求的濾波器、能夠使用集成濾波器芯片設(shè)計(jì)濾波電路。

第二，內(nèi)容設(shè)計(jì)與資源整合。A.MOOC資源。各大慕課平臺(tái)上并沒有本課程的資源，但是部分章節(jié)可以使用電子技術(shù)課程的資源。本章使用了清華大學(xué)華成英教授的“有源濾波器概述”視頻作為課前推送。B.SPOC資源。在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的測控電路課程資源中，包含知識(shí)點(diǎn)精講視頻、教學(xué)PPT、習(xí)題集、典型例題講解視頻和濾波器輔助設(shè)計(jì)軟件使用視頻等。C.思政案例資源。包括濾波的起源，濾波在電子技術(shù)、航天科學(xué)、控制工程及其他科學(xué)技術(shù)部門中的應(yīng)用。從經(jīng)典濾波到現(xiàn)代濾波的發(fā)展，激勵(lì)學(xué)生勇于突破思維定勢，在科技工作和創(chuàng)新中善于多維度思考，積極發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，勇于攻堅(jiān)克難、勇于創(chuàng)新，樹立科技強(qiáng)國的責(zé)任感和使命感。D.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。本章需完成有源濾波器設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，教學(xué)資源包括實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、TI Filter Pro濾波器輔助設(shè)計(jì)軟件、A+D lab雷實(shí)驗(yàn)套件(直流電源；信號(hào)發(fā)生器；雙線示波器；波特圖繪圖儀)、萬用表等。學(xué)生自行計(jì)算電路參數(shù)，購買元器件，搭建電路并完成測試，在線提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

第三，教學(xué)過程與實(shí)施方法，如圖3所示。

圖3 信號(hào)濾波章節(jié)教學(xué)實(shí)施過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of signal filtering teaching implementation process

第四，學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)與教學(xué)反饋?？己朔绞綖檫^程性評(píng)價(jià)與期末考試相結(jié)合，通過關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，促進(jìn)混合式教學(xué)效果的提升。通過課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)效果、問卷調(diào)查等多個(gè)時(shí)空維度綜合考察學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)效果。測控電路實(shí)驗(yàn)單列，理論課程平時(shí)成績占比40%，期末考試占比60%。理論課過程考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 理論課過程考核評(píng)分細(xì)則Tab.1 Theory course process assessment scoring rules

實(shí)驗(yàn)沒有單獨(dú)組織實(shí)驗(yàn)考試，實(shí)驗(yàn)課期末總成績?yōu)樗拇螌?shí)驗(yàn)成績的平均。總評(píng)成績構(gòu)成比例=實(shí)做成績(60%)+報(bào)告成績(20%)+答辯成績(20%)，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)課考核評(píng)分細(xì)則Tab.2 Detailed rules for experimental class assessment scoring

學(xué)生學(xué)習(xí)反饋通過企業(yè)微信和在線教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行。大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)、仿真、實(shí)驗(yàn)中的問題，通過企業(yè)微信發(fā)送給老師解答。教師教學(xué)反饋主要通過課堂上的習(xí)題評(píng)講、優(yōu)秀作業(yè)展示進(jìn)行，部分問題比較集中的地方通過錄制視頻解決，拓展學(xué)習(xí)資源鏈接有時(shí)也通過企業(yè)微信在班級(jí)群發(fā)布。

在課程結(jié)束后的問卷調(diào)查中，95.6%的學(xué)生認(rèn)可線上線下混合式教學(xué)方式，98%的學(xué)生認(rèn)為電路仿真分析輔助教學(xué)手段對(duì)知識(shí)的掌握有很大幫助，98%的學(xué)生認(rèn)為本課程教師課前、課中和課后的安排合理，97%的學(xué)生認(rèn)為經(jīng)過一學(xué)期的學(xué)習(xí)收獲很大。對(duì)于課程實(shí)驗(yàn)，學(xué)生給出了“最能鍛煉動(dòng)手能力的一門實(shí)驗(yàn)”“非常的好，很合理”“教師講解得很到位，通過自己努力也得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，收獲很多”“很好，不需要改進(jìn)，希望對(duì)下一屆更加嚴(yán)格要求”等評(píng)語。部分教學(xué)過程展示如圖4所示。

圖4 教學(xué)過程圖片展示Fig.4 Picture display of teaching process

3.3 創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)

本課程在“互聯(lián)網(wǎng)+”教育背景下，針對(duì)工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及學(xué)生能力需求，提出“四位一體”混合式課程體系。創(chuàng)新點(diǎn)主要包括：第一，“分”層施教，精準(zhǔn)教學(xué)。圍繞典型電路的分析和設(shè)計(jì)，基于在線學(xué)習(xí)空間拓展討論問題和微課知識(shí)點(diǎn)推送，雷實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及精準(zhǔn)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了“分”層施教，精準(zhǔn)教學(xué)。小組課后拓展任務(wù)，保證了課程的高階性，學(xué)生資料查找能力、仿真軟件使用能力、設(shè)計(jì)創(chuàng)造能力等得到鍛煉，有力支撐了后續(xù)的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)。第二，“互”動(dòng)教學(xué)，及時(shí)反饋?；谡n堂學(xué)習(xí)空間的對(duì)分討論課堂，小組分別展示自己的“亮考幫”，對(duì)于“幫幫我”的問題，組間不能互答時(shí)，教師將及時(shí)解答，實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)反饋，達(dá)成了智慧互動(dòng)教學(xué)。針對(duì)大作業(yè)中的共性問題，教師制作視頻進(jìn)行有效指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)中的精準(zhǔn)指導(dǎo)，幫助學(xué)生克服動(dòng)手中的思路問題，建立學(xué)習(xí)自信，提升了課程滿意度。第三，“混”合案例，合作育人。基于教學(xué)資源拓展的實(shí)驗(yàn)案例分析、思政案例、公眾號(hào)優(yōu)質(zhì)科普文章、最新實(shí)用工具和器件的相關(guān)介紹，形成了有溫度、有廣度的混合式課堂。學(xué)生實(shí)現(xiàn)了價(jià)值塑造，積極完成雷實(shí)驗(yàn)任務(wù)、工程案例報(bào)告，提升了調(diào)試工具使用能力、故障定位能力，達(dá)成了課內(nèi)外拓展提升。學(xué)生課上、課下積極開展互助學(xué)習(xí)、交流討論，達(dá)成了主動(dòng)思辨的教學(xué)效果提升。

4 結(jié)語

課程建設(shè)和教學(xué)改革是師生雙向互動(dòng)下動(dòng)態(tài)提升的過程，在后續(xù)教學(xué)實(shí)踐中，除方案設(shè)計(jì)、原理圖設(shè)計(jì)和實(shí)物電路搭建測試外，將增加PCB設(shè)計(jì)內(nèi)容，結(jié)合競賽和產(chǎn)教融合項(xiàng)目，強(qiáng)化硬件設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)，學(xué)生將在課程群中完成硬件設(shè)計(jì)的全過程，對(duì)接企業(yè)需求。測控電路“四位一體”混合式課程體系是新工科人才培養(yǎng)理念和工程教育理念在專業(yè)課程中的應(yīng)用體現(xiàn)，圍繞硬件設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)這一目標(biāo)，對(duì)課程內(nèi)容和教學(xué)組織形式進(jìn)行反向設(shè)計(jì)，并在教學(xué)模型的指導(dǎo)下科學(xué)組織實(shí)施，最終達(dá)成產(chǎn)出目標(biāo)。本課程的創(chuàng)新思路對(duì)其他新工科混合式課程的教學(xué)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值，具有一定的可推廣性和可復(fù)制性。