“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”融合式教學(xué)改革

翁 玲 李永建 陳盛華 孫 英

(河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 天津 300401)

“融合式教學(xué)”(Hybrid Learning)是指傳統(tǒng)課堂與在線教育相互融合的教學(xué)方式,被認(rèn)為是混合式教學(xué)(Blended Learning) 2.0 版本[1]。融合式教學(xué)更加強(qiáng)調(diào)傳統(tǒng)課堂和在線教育的充分融合與互相交織,強(qiáng)調(diào)在完整的教學(xué)過程中(包含教學(xué)方法、教學(xué)形式、學(xué)生的學(xué)習(xí)評價等)進(jìn)行全方面多維度的深度融合[2]。因?yàn)橛辛恕巴侥Ｊ健?融合式教學(xué)具有靈活性強(qiáng)、互動性多等突出優(yōu)點(diǎn),這些恰好是混合式教學(xué)所不具備的。融合式教學(xué)不是簡單的“線上教學(xué)”+“線下教學(xué)”,而是通過不同認(rèn)知目標(biāo)的知識分類,將知識配置到不同的教學(xué)形式中,從而發(fā)揮線上教學(xué)和線下教學(xué)的最大效能[3-4]。融合式教學(xué)在疫情防控常態(tài)化階段發(fā)揮了重要作用[1-2],在一流課程建設(shè)中,融合式教學(xué)也正在成為主流教學(xué)模式[5]。

近年,課程思政在高等學(xué)校中被反復(fù)提及并逐漸深入[6]。習(xí)近平總書記在2016年指出,“使各類課程與思想政治理論課同向同行,形成協(xié)同效應(yīng)”。各高校持續(xù)深入執(zhí)行課程思政理念,清華大學(xué)于歆杰教授指出要開展高質(zhì)量課程思政,課程要做到思政教育和混合式教學(xué)相互促進(jìn)[7]。

“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程是電氣工程及其自動化、生物醫(yī)學(xué)工程、新能源科學(xué)技術(shù)、自動化等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。為落實(shí)教育部指導(dǎo)綱要,各高校“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程結(jié)合學(xué)校自身特點(diǎn),積極進(jìn)行混合式教學(xué)改革,同時進(jìn)行課程思政建設(shè)實(shí)踐。清華大學(xué)電子學(xué)課程組將辯證思想貫穿模擬電子技術(shù)分析與設(shè)計(jì)中。華中科技大學(xué)結(jié)合慕課堂線上學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)與線下考試成績研究學(xué)生在線學(xué)習(xí)的行為表現(xiàn)與學(xué)習(xí)效果之間的關(guān)聯(lián)性,從而持續(xù)改進(jìn)[8]。中北大學(xué)通過在“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程中變換教學(xué)方式、設(shè)計(jì)教學(xué)活動、選擇教學(xué)材料方面滲透思政教育[9]。江蘇科技大學(xué)進(jìn)行了電工電子“課程思政”建設(shè),主要從教師的思政意識、特色的教學(xué)設(shè)計(jì)和綜合的教學(xué)改革等方面開展[10]。西安文理學(xué)院從傳統(tǒng)文化中挖掘大量充分的思政教學(xué)素材用于“電子技術(shù)”課程的“課程思政”[11]。

河北工業(yè)大學(xué)電子學(xué)課程組持續(xù)進(jìn)行“電子技術(shù)”基礎(chǔ)課程線上線下混合式教學(xué),注重學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[12]。然而在教學(xué)中仍然存在以下痛點(diǎn)問題:教師難于精確掌握學(xué)生學(xué)習(xí)效果;理論課和實(shí)驗(yàn)課分開進(jìn)行,不能保證每次理論課后立即進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn),理論與實(shí)踐結(jié)合困難;在疫情防控常態(tài)化的今天,學(xué)生不能全員返校等。發(fā)揮實(shí)質(zhì)等效的教學(xué)效果急需進(jìn)行融合式教學(xué)改革。“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程組經(jīng)過多年探索與實(shí)踐,從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)模式、教學(xué)活動、考核評價等方面進(jìn)行融合式教學(xué)改革,在凸顯學(xué)生學(xué)習(xí)主體地位的同時發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用,起到了良好的教學(xué)效果。

1 思政引領(lǐng)、知能并重修訂課程目標(biāo)

1.1 課程目標(biāo)修訂

依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求,“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程目標(biāo)從知識、能力和素質(zhì)三個層面出發(fā),使學(xué)生獲得模擬電子技術(shù)方面的基本知識和基本技能,轉(zhuǎn)變學(xué)生思維,拓展學(xué)生視野,培養(yǎng)創(chuàng)新意識,提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、實(shí)踐動手和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。具體體現(xiàn)為:

(1)知識與能力目標(biāo):掌握常用半導(dǎo)體器件應(yīng)用,了解模擬電子技術(shù)前沿發(fā)展及在工程領(lǐng)域中的主要應(yīng)用。掌握模擬電路基本概念和分析方法,選擇合適模型計(jì)算電路性能指標(biāo),培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和分析解決復(fù)雜電子系統(tǒng)問題的能力。能識別單元電路和電子電路系統(tǒng),選定合適參數(shù)完成電路設(shè)計(jì),提高團(tuán)結(jié)協(xié)作和實(shí)踐創(chuàng)新的綜合能力。

(2)素質(zhì)與思政目標(biāo):引導(dǎo)學(xué)生辯證思考,培養(yǎng)學(xué)生深度分析、精益求精、勇于創(chuàng)新的精神,形成嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科學(xué)素養(yǎng)和高級思維,激發(fā)學(xué)生科技強(qiáng)國的家國情懷和“興工報國”的使命擔(dān)當(dāng)。

1.2 課程思政融入

為達(dá)成課程目標(biāo),除知識傳授與能力培養(yǎng)外,課程組結(jié)合辯證唯物主義思想,廣泛而深入地發(fā)掘“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程蘊(yùn)含的課程思政元素,建立課程思政案例庫,潤物無聲融入思政,助力課程的素質(zhì)與思政目標(biāo)達(dá)成。如學(xué)習(xí)電子技術(shù)集成電路知識時,借助國內(nèi)外的重要時政(如華為、中興事件),說明核心技術(shù)是國之重器,鼓勵學(xué)生發(fā)奮學(xué)習(xí),刻苦鉆研,掌握扎實(shí)的專業(yè)技術(shù)助力國家科技進(jìn)步。在“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”分析和設(shè)計(jì)過程中暗含辯證思想,有一利必有一弊,授課時結(jié)合授課內(nèi)容適時引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的三觀。如表1所示為“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)的課程思政元素。課程共梳理出30個課程思政元素,基本實(shí)現(xiàn)每次課 “潤物無聲,化鹽于水”的思政效果。

表1 課程知識點(diǎn)與思政元素

2 線上線下融合教學(xué)轉(zhuǎn)變教學(xué)模式

2.1 教學(xué)環(huán)節(jié)與信息技術(shù)融合提升教學(xué)效果

課程采用清華大學(xué)“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”精品在線開放課程和課程組自行錄制的視頻,依托“雨課堂”“雷實(shí)驗(yàn)”平臺開展線上與線下融合式教學(xué)。根據(jù)課程內(nèi)容屬性,將教學(xué)環(huán)節(jié)與信息技術(shù)緊密融合,利用“雨課堂”中的大數(shù)據(jù)技術(shù)精確分析學(xué)生學(xué)情,采用不同的融合式教學(xué)方法。

“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”的教學(xué)內(nèi)容主要有:基礎(chǔ)部分(半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)、基本放大電路分析、集成運(yùn)算放大電路分析、頻率響應(yīng)等)和應(yīng)用部分(反饋放大電路、信號的運(yùn)算與處理電路、波形發(fā)生電路、信號轉(zhuǎn)換電路、直流電源、功率放大電路等)兩大類?；A(chǔ)部分重基本概念,利用“雨課堂”發(fā)布的課前線上預(yù)習(xí)內(nèi)容少(預(yù)習(xí)內(nèi)容選用學(xué)堂在線中清華大學(xué)“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”精品在線開放課程),主要以教師課堂線下講授為主,課后學(xué)生需要線上完成的主觀題作業(yè)較多,夯實(shí)基本概念;應(yīng)用部分偏工程實(shí)際,利用“雨課堂”發(fā)布的課前線上自學(xué)視頻較多,教師線下講授較少,課堂以分組討論、知識點(diǎn)串講、案例教學(xué)為主,課后學(xué)生完成線上主觀題、綜合設(shè)計(jì)等作業(yè),擴(kuò)展應(yīng)用范圍。經(jīng)過近四年的融合式教學(xué)實(shí)踐,學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性顯著提高,教學(xué)效果較好。

2.2 雨課堂與雷實(shí)驗(yàn)結(jié)合開展智慧實(shí)驗(yàn)

目前很多高校“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”的理論課程與實(shí)驗(yàn)課程為獨(dú)立的兩門課程[13],減少了課程中的相互融合。由于實(shí)驗(yàn)室空間與時間限制,學(xué)生學(xué)完理論內(nèi)容后不能立即進(jìn)行實(shí)驗(yàn),降低了教學(xué)效果?；诒銛y式電子實(shí)驗(yàn)平臺和“雨課堂”教學(xué)工具,北京時代行云公司開發(fā)了能線上線下混合的智慧“雷實(shí)驗(yàn)(Lab of Electronics Intelligence,LEI)”系統(tǒng),“雷實(shí)驗(yàn)”系統(tǒng)具備便攜、實(shí)驗(yàn)時間不受時空限制、實(shí)驗(yàn)報告自動生成等突出特點(diǎn)。

河北工業(yè)大學(xué)“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程構(gòu)建了如圖1所示的輔助智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[14],系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)儀器為“雷實(shí)驗(yàn)”,信息交互媒介為“雨課堂”。具體實(shí)施時教師在學(xué)期初發(fā)給學(xué)生“雷實(shí)驗(yàn)”便攜實(shí)驗(yàn)平臺,依據(jù)教學(xué)內(nèi)容布置“雷實(shí)驗(yàn)”題目,學(xué)生在“雷實(shí)驗(yàn)”平臺上做完教師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)分為3個層次:第一層次為學(xué)生使用“雷實(shí)驗(yàn)”完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),如單管和差分放大電路等;第二層次為利用“雷實(shí)驗(yàn)”平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),如積分微分運(yùn)算電路設(shè)計(jì)等;第三層次為綜合性實(shí)驗(yàn),學(xué)生利用課余時間以線上線下結(jié)合的方式在“雷實(shí)驗(yàn)”平臺完成具體的模塊電路實(shí)驗(yàn),于固定時間內(nèi)在模電實(shí)驗(yàn)室完成整個綜合實(shí)驗(yàn)。第二、三層次由教師發(fā)布任務(wù),學(xué)生自主完成。第三層次模塊實(shí)驗(yàn)為自愿完成。從實(shí)際運(yùn)行來看,利用“雷實(shí)驗(yàn)”平臺的便攜性,學(xué)生可任選時間地點(diǎn)完成大部分的模塊電路實(shí)驗(yàn),簡化了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室安排實(shí)驗(yàn)時間的流程。

圖1 基于“雷實(shí)驗(yàn)”平臺的輔助智慧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3 理論教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐提升學(xué)生能力

3.1 云學(xué)堂助力理實(shí)結(jié)合

當(dāng)病毒肆虐學(xué)生無法返校時,“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程結(jié)合河北工業(yè)大學(xué)實(shí)際情況,在實(shí)驗(yàn)室錄制示波器的使用、二極管應(yīng)用電路、單管放大電路靜態(tài)與動態(tài)調(diào)試、雷實(shí)驗(yàn)平臺使用、差分放大電路、反饋放大電路交直流測試、運(yùn)算放大器檢驗(yàn)、電壓比較器等25個微課和綜合考試實(shí)驗(yàn)、往屆學(xué)生復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)等50個綜合設(shè)計(jì)視頻,發(fā)布在河工云學(xué)堂平臺,作為理論課程內(nèi)容的必要補(bǔ)充。學(xué)生根據(jù)課程進(jìn)度隨時觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,增加對課程講授的理論知識的理解,做到理論實(shí)驗(yàn)強(qiáng)結(jié)合。

3.2 科教融合擴(kuò)展視野

采用科教融合的方法,結(jié)合電氣工程領(lǐng)域的發(fā)展前沿和典型電子技術(shù)應(yīng)用,將省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的最新成果合理引入本科生課堂。如在講述運(yùn)算放大電路時,引出Science上發(fā)表的關(guān)于數(shù)字觸覺傳感器論文,論文把觸覺信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量,需要用壓控振蕩電路,積分運(yùn)算電路是壓控振蕩電路的核心部分,從而引出運(yùn)算放大電路的內(nèi)容,既吸取了學(xué)生的注意力,又能把重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中關(guān)于磁致伸縮觸覺傳感器的內(nèi)容融入本科生課堂。講述積分、微分和信號變換等運(yùn)算電路時,引入國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的磁性材料三維磁特性測量系統(tǒng)、磁性材料多參數(shù)磁測量系統(tǒng)等裝置,在進(jìn)行磁材料磁滯回線測試時,由于測得的信號較弱,需要利用基本運(yùn)算電路對信號進(jìn)行放大和濾波。在測量磁感應(yīng)強(qiáng)度時,由電磁感應(yīng)定律測得的磁感應(yīng)強(qiáng)度和線圈兩端的電壓為積分關(guān)系,測試系統(tǒng)中需要利用積分電路獲得被測材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

3.3 科技競賽提升能力

課程組鼓勵并指導(dǎo)學(xué)生積極參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽、挑戰(zhàn)杯、電子設(shè)計(jì)競賽等。學(xué)生參加科技競賽,需要進(jìn)行資料查閱、器件選擇、電路設(shè)計(jì)、方案驗(yàn)證等工作,參加競賽既能培養(yǎng)學(xué)生動手實(shí)踐能力,提高學(xué)生工程創(chuàng)新和團(tuán)結(jié)協(xié)作能力,又可驗(yàn)證融合式教學(xué)效果。比如:結(jié)合基于信號處理電路、濾波電路、模擬/數(shù)字與數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路等進(jìn)行機(jī)器人觸覺傳感器信號采集與智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、多傳感器輸出信號濾波與數(shù)據(jù)融合等指導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽。近三年,課程組教師指導(dǎo)學(xué)生獲得2022年第十七屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽總決賽國家二等獎、2022年第七屆“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽國家二等獎、第六屆“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國家三等獎、第十四屆iCAN國際創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中國總決賽國家三等獎等獎勵,提升了學(xué)生的綜合能力。

4 多元考核融入過程優(yōu)化考評方式

課程考評貫穿課程教學(xué)的全過程,對課程教學(xué)進(jìn)行有效延伸,是師生對前一階段課程教學(xué)的總結(jié)與評價,也對新課程教學(xué)起到鋪墊和指引作用。按照教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求,“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程改變“一張期末試卷”的傳統(tǒng)考核方式,以期末考試與平時成績相結(jié)合的考核評價方法,過程化與個性化結(jié)合,形成性評價與結(jié)果性評價結(jié)合,全面考核學(xué)生綜合能力。針對課程的基礎(chǔ)知識、課程的授課方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式等設(shè)計(jì)了多維考核方式,線上考核以客觀題為主、作業(yè)以主觀題為主,線下考核采用學(xué)生匯報、案例報告等多種形式。

以2022春季學(xué)期為例,平時成績以100分計(jì),占比40%,分成以下部分:①課堂表現(xiàn)(占比30%)?？己朔绞綖橛暾n堂視頻預(yù)習(xí)、課堂測驗(yàn)、線上測驗(yàn)等;②雨課堂預(yù)習(xí)(占比15%),考核方式為雨課堂視頻預(yù)習(xí)線上測驗(yàn)等;③雨課堂測試(占比15%),考核方式為雨課堂線上測驗(yàn)、期中測試、單元測試等;④平時作業(yè)(占比20%),考核方式為線下紙質(zhì)作業(yè)、雨課堂等線上作業(yè);⑤綜合設(shè)計(jì)大作業(yè)(占比20%),考核方式為研究報告(設(shè)計(jì)方案、電路仿真、仿真結(jié)果及分析)。期末考試以100分計(jì),占比60%,考核學(xué)生對各部分知識點(diǎn)的掌握情況。將多元考核融入教學(xué)全過程,全面考核學(xué)生對本課程的知識掌握情況和經(jīng)過系統(tǒng)學(xué)習(xí)后的綜合能力。

5 結(jié)語

“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程積極推進(jìn)了融合式教學(xué)改革,探索了教學(xué)要素、教學(xué)環(huán)節(jié)的有機(jī)融合。教改過程不僅進(jìn)行了線上線下教學(xué)方式的融合,還包括融入課程思政、理論與實(shí)踐結(jié)合、多種教學(xué)資源融合、多元考核方式融合等,切實(shí)提升了教學(xué)效果,促進(jìn)了一流課程建設(shè)。