□曹玉蘋 劉潤華 劉復(fù)玉 賀 利 周蘭娟
面向卓越計劃的少課時“電工電子學(xué)”課程教學(xué)改革與實踐
□曹玉蘋劉潤華劉復(fù)玉賀利周蘭娟
為了提高非電專業(yè)學(xué)生的應(yīng)用能力,針對卓越計劃的教育需求,圍繞少課時“電工電子學(xué)”課程研究改革方案,在基本理論教學(xué)內(nèi)容中融入實際應(yīng)用電路、在實驗教學(xué)內(nèi)容中增加故障模擬和典型應(yīng)用電路、布置電工電子產(chǎn)品論文、采用半閉卷考試等。教學(xué)實踐表明,該方案能夠有效激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、提高實際應(yīng)用能力、培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新思維。所提方案可以推廣到其他少課時專業(yè)基礎(chǔ)課中運用。
卓越計劃;電工電子學(xué);應(yīng)用能力;創(chuàng)新思維
為了提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量,2010年教育部發(fā)布了《教育部關(guān)于實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的若干意見》,中國石油大學(xué)(華東)是第一批獲批卓越計劃的高等院校之一。卓越工程師的核心能力是創(chuàng)新能力和工程實踐能力。為了培養(yǎng)具有一定創(chuàng)新能力和較強工程實踐能力的本科畢業(yè)生,有必要面向卓越工程師教育培養(yǎng)計劃研究切實可行的教學(xué)方案[1-3]。高等院校非電類專業(yè)普遍開設(shè)了“電工電子學(xué)”課程,結(jié)合卓越工程師教育培養(yǎng)計劃,制定了教學(xué)改革方案。因此,針對中國石油大學(xué)(華東)石油工程、化學(xué)工程與工藝等專業(yè)開設(shè)的少課時“電工電子學(xué)”課程,分析課程教學(xué)中存在的問題,研究適合于非電卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的教學(xué)改革方案。
中國石油大學(xué)(華東)的“電工電子學(xué)”課程已成為國家級精品課和國家級精品資源共享課,形成的國家級教學(xué)團隊在教材建設(shè)、理論教學(xué)和實踐教學(xué)等方面取得了一定研究成果。針對新時期卓越工程師的教育需求和少課時的客觀條件,現(xiàn)有教學(xué)方案存在以下不足:
(一)理論教學(xué)內(nèi)容涉及的實際應(yīng)用電路偏少
少課時“電工電子學(xué)”課程教學(xué)內(nèi)容只包括電路的基本概念、定律和分析方法、正弦交流電路、電路的暫態(tài)分析、常用半導(dǎo)體器件、基本放大電路、集成運算放大器及其應(yīng)用和數(shù)字集成電路及其應(yīng)用[4]。在實際工程應(yīng)用中,石油工程、化學(xué)工程與工藝等非電工程師需要面對測量與控制系統(tǒng)、變壓器、電動機、直流穩(wěn)壓電源等典型電工電子設(shè)備。因此,如何在現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上有效融入實際應(yīng)用電路或典型設(shè)備是需要解決的關(guān)鍵問題[5]。
(二)實驗教學(xué)內(nèi)容以驗證為主,缺乏應(yīng)用背景
實驗電路多為針對單一元器件的典型電路,不具有明確的應(yīng)用功能[6]。實驗內(nèi)容以驗證電路的工作原理為主,未涉及故障情況的分析和處理。由于實驗時間有限,損壞器件會影響成績或經(jīng)濟賠償,學(xué)生無法根據(jù)興趣對電路的故障特性進行測試。因此,如何增強實驗電路的實際應(yīng)用背景是亟待解決的關(guān)鍵問題。
(三)現(xiàn)有考核形式不利于培養(yǎng)創(chuàng)新能力
實際工程應(yīng)用中只有問題,需要工程師自己確定采用何種方式分析哪些參數(shù)。而現(xiàn)有考試已在題目中明確指出電路分析方法和需求的參數(shù),導(dǎo)致學(xué)生腦海里只見公式,不見知識體系,只見單個獨立的方法,不見各方法的對比與綜合。因此,如何通過合理設(shè)置考核方式引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維是需要解決的關(guān)鍵問題。
針對上述問題,從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核形式等方面進行研究,探討適合卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的少課時“電工電子學(xué)”教學(xué)方案。
(一)優(yōu)化整合理論教學(xué)內(nèi)容
1.結(jié)合專業(yè)特色介紹自動控制系統(tǒng)。如針對化學(xué)工程和工藝專業(yè)介紹煉油廠分布式控制系統(tǒng),針對石油工程專業(yè)介紹采油控制系統(tǒng)。通過接觸工程實踐中的系統(tǒng),使學(xué)生建立完整的電工電子系統(tǒng)的概念,不僅拓寬了視野而且調(diào)動了學(xué)習(xí)積極性。
2.結(jié)合生活場景介紹電路的設(shè)計和制作過程。如以空調(diào)的溫度檢測和控制系統(tǒng)為例(如圖1所示),介紹項目需求、功能分析、電路設(shè)計、電路制作和調(diào)試等環(huán)節(jié),使學(xué)生從宏觀上建立模塊化分析和設(shè)計的概念,有利于學(xué)生對所學(xué)零散知識進行有機整合。
圖1 空調(diào)溫度檢測和控制系統(tǒng)
3.在相關(guān)理論章節(jié)融入實際應(yīng)用電路或典型設(shè)備。如在電感元件部分引入變壓器,在三相交流電路部分引入三相變壓器和三相異步電動機,在二極管元件部分引入直流穩(wěn)壓電源等。典型應(yīng)用電路增強了理論知識的實用性,不僅能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的實際應(yīng)用能力。
(二)增強實驗教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用背景
1.為了體現(xiàn)實驗電路的應(yīng)用功能,對實驗電路的規(guī)模進行擴大。以“一階RC電路過渡過程的研究”為例,該實驗主要觀察電阻和電容端電壓的波形,電路缺乏實際工程意義。可以在現(xiàn)有器件的基礎(chǔ)上增加555定時器以構(gòu)成脈沖信號發(fā)生器,學(xué)生重點研究一階RC電路,同時了解應(yīng)用廣泛的555定時器,明確一階RC電路的實際工程應(yīng)用價值。
2.在實驗預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)增加軟件仿真,學(xué)生通過仿真軟件模擬實驗內(nèi)容。為了了解故障電路的特點,模擬元件短路、開路、電容容量衰減等典型故障。學(xué)生還可以根據(jù)個人興趣和愛好對電路進行改造,觀察信號的變化。通過軟件仿真不僅滿足了學(xué)生嘗試改變電路的好奇心,而且使學(xué)生了解了故障電路的特點,有助于在實際操作中快速解決故障。
對于非電工程師,“電工電子學(xué)”課程教學(xué)的重點不是講授深奧的理論,而是培養(yǎng)學(xué)生將電工電子基本知識應(yīng)用于各自專業(yè)的工程實踐能力。因此,應(yīng)研究有效的教學(xué)方法,以使學(xué)生能夠在實際工程問題面前有章可循地聯(lián)系所學(xué)知識和方法。
(一)從研究性教學(xué)方法出發(fā)組織教學(xué)內(nèi)容
為了解決具體問題,應(yīng)首先介紹電路的基本元件、基本概念、定律和分析方法,其中基本元件不僅包括電路分析中的基本元件還包括模擬電子技術(shù)中的基本元件。學(xué)習(xí)完這部分內(nèi)容之后,學(xué)生就具備了自主分析電路的基礎(chǔ)。然后選擇既在生產(chǎn)和生活中具有實際應(yīng)用價值又能夠覆蓋主要教學(xué)內(nèi)容的典型案例,引導(dǎo)學(xué)生將案例需求作為研究目標(biāo),將各個功能模塊作為研究內(nèi)容。教師按照功能模塊組織教學(xué)內(nèi)容,針對每個功能模塊講授涉及的典型電路,引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識設(shè)計功能電路。由于石油工程專業(yè)、化學(xué)工程與工藝等專業(yè)對電路硬件制作要求不高,所以只對電路進行仿真調(diào)試,不進行硬件制作和調(diào)試。典型案例如空調(diào)溫度檢測和控制系統(tǒng),該系統(tǒng)涉及溫度檢測(熱敏電阻)、比較(集成運算放大器)、延時(暫態(tài)分析)、發(fā)光報警(二極管)、聲音報警(555定時器和功率放大)、繼電控制、直流穩(wěn)壓電源等環(huán)節(jié),能夠覆蓋主要教學(xué)內(nèi)容。
(二)利用啟發(fā)教學(xué)法增強學(xué)生自主獲取所需知識的能力
在理論知識的學(xué)習(xí)中,引導(dǎo)學(xué)生提煉電工電子工程師實現(xiàn)功能設(shè)計的深層次思維內(nèi)涵。例如逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器體現(xiàn)了逆向思維,戴維寧定理體現(xiàn)了黑箱建模的思想,啟發(fā)學(xué)生利用這些思維方式分析問題解決問題。
對融入相關(guān)理論章節(jié)的典型工程應(yīng)用電路或設(shè)備,重點介紹外部特性和關(guān)鍵原理,啟發(fā)學(xué)生自主思考,通過查閱資料和討論理解工作原理。如變壓器,主要講授電能和磁場能的互相轉(zhuǎn)換原理,剩余內(nèi)容由學(xué)生自學(xué)完成。
課堂上涉及的工程應(yīng)用案例有限,可以啟發(fā)學(xué)生思考如何利用典型案例解決同一類型問題。如介紹空調(diào)溫度檢測和控制系統(tǒng),引導(dǎo)學(xué)生嘗試設(shè)計煉油廠反應(yīng)器壓力檢測和控制電路、有害氣體報警器等。
近年來普遍采用的多元考核方式有作業(yè)、半開卷考試、課程論文等,根據(jù)卓越計劃特點對考核方式進行優(yōu)化,以重點培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新思維。
(一)改革傳統(tǒng)作業(yè)模式,創(chuàng)新多元化考核方式
現(xiàn)有的電工電子學(xué)作業(yè)大多是抽象和簡化的電路,實際工程意義已被省略。為了緊密聯(lián)系工程應(yīng)用,應(yīng)大量增加具有實際工程背景的作業(yè)。作業(yè)題目應(yīng)介紹實際應(yīng)用背景、電路模型與實際器件的對應(yīng)關(guān)系。如一階線性電路暫態(tài)分析作業(yè)采用延時繼電器,二極管作業(yè)采用整流電路,集成運算放大器的作業(yè)采用變送器中信號變換和放大電路等。該類型的作業(yè)不僅能夠使學(xué)生明確理論知識的實際應(yīng)用,而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)建模能力。
由于電工電子學(xué)技術(shù)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活的方方面面,一些基本知識和方法隨時可以用到,需要牢記。傳統(tǒng)的閉卷考試容易誤導(dǎo)學(xué)生死記硬背應(yīng)付考試;允許自由攜帶少量資料的半開卷考試容易使學(xué)生產(chǎn)生無需記憶的懈怠心理,導(dǎo)致一些需要牢記的知識和方法沒有掌握。為了避免上述問題,可以采用半閉卷的考核方式,即由教師統(tǒng)一提供參考資料。由教師明確哪些知識和方法是需要牢記的(如三相交流電、一階線性電路的暫態(tài)分析等),哪些知識和方法在應(yīng)用時可以查閱資料 (如常用中規(guī)模組合邏輯電路和時序邏輯電路的功能表)。對于后者,在試卷中應(yīng)根據(jù)需要提供資料。
為了引導(dǎo)學(xué)生建立完整的知識體系,對題目要求進行改革,不再明確指出利用什么方法求哪些參數(shù),而是由學(xué)生根據(jù)應(yīng)用需要自行確定哪種方法最優(yōu)、哪些關(guān)鍵參數(shù)需要分析。這種類型的題目有助于學(xué)生明確方法的使用特點、公式的適用條件,培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神。
(二)設(shè)置課程論文環(huán)節(jié),培養(yǎng)科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新思維
為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)規(guī)范和創(chuàng)新思維,設(shè)置課程論文環(huán)節(jié)。結(jié)合典型電工電子產(chǎn)品講授什么是創(chuàng)新以及創(chuàng)新的重要性。由學(xué)生自主選定生活中的電氣電子產(chǎn)品作為研究對象,查閱資料、獨立思考并撰寫論文。要求闡述所選產(chǎn)品的主要工作原理,指出存在的問題,展望發(fā)展方向。學(xué)生利用幻燈片做報告,回答提問。該課程論文利用所學(xué)知識分析實際電路,不僅有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且拓寬了視野。啟發(fā)學(xué)生分析電子產(chǎn)品存在的問題,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力。根據(jù)需求啟發(fā)學(xué)生分析電子產(chǎn)品的發(fā)展方向,培養(yǎng)創(chuàng)新思維。
從卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的需求出發(fā),研究少課時“電工電子學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式的改革方案。對于課程論文環(huán)節(jié),學(xué)生選題不僅有傳統(tǒng)的電熱毯、收音機、LED顯示屏等傳統(tǒng)電子產(chǎn)品,還出現(xiàn)了移動電源、智能手環(huán)、心臟起搏器、電吉他等新興產(chǎn)品,豐富了教學(xué)內(nèi)容。教師針對學(xué)生困惑進行解答,并指導(dǎo)論文寫作規(guī)范,學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)得到培養(yǎng)和鍛煉。課程實踐表明,該方案能夠有效激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,提高理論知識的實際應(yīng)用能力。該教學(xué)方案也可以推廣到其他少課時專業(yè)基礎(chǔ)課,提高學(xué)生的實際應(yīng)用能力。
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責(zé)任編輯時紅兵
曹玉蘋(1982-),女,山東單縣人,中國石油大學(xué)(華東)講師,博士,研究方向為電工電子學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué);劉潤華(1958-),男,山東梁山人,中國石油大學(xué)(華東)教授,研究方向為電工電子學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué);劉復(fù)玉(1963-),男,山東濰坊人,中國石油大學(xué)(華東)副教授,研究方向為電工電子學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué);賀利(1972-),女,四川廣安人,中國石油大學(xué)(華東)講師,研究方向為電工電子學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué);周蘭娟(1978-),女,山東德州人,中國石油大學(xué)(華東)講師,研究方向為電工電子學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)。
山東省高等學(xué)校教學(xué)改革項目“電類基礎(chǔ)課程自主性、探究性教學(xué)方法的研究與實踐”(編號:2012145),主持人:劉潤華。
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1001-7518(2015)02-0066-03