王心剛, 賀 利, 張冬至, 任旭虎

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

電工電子學(xué)課程研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革與實(shí)踐

王心剛, 賀 利, 張冬至, 任旭虎

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

提出一種適用于電工電子學(xué)課程研究性教學(xué)模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。該教學(xué)方式將實(shí)用性或趣味性電路與課程內(nèi)容融于一體，采用制作的實(shí)物電路激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)課程的熱情，引導(dǎo)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式貫穿于整個(gè)課程學(xué)習(xí)期間，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容靈活多樣，成效明顯。實(shí)踐證明，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力、動手實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力。

電工電子學(xué)； 研究性教學(xué)模式； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 自主學(xué)習(xí)

0 引 言

對于“電工電子學(xué)”這門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，各高校都在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面進(jìn)行了多方面的改革，來提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力，比如提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的比重，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分類分層次，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增加設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，引入仿真軟件，開放實(shí)驗(yàn)時(shí)間等措施，取得了很好的教學(xué)效果[1-11]。

我校為了更好地貫徹教育部的“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，成立了拔尖班和卓越班。拔尖班和卓越班的學(xué)生是通過選拔的精英學(xué)生，他們吸收知識快、學(xué)習(xí)積極性高，且采用小班授課。學(xué)校鼓勵在這些班開展教學(xué)模式改革，因此作者對裝控拔尖班2013級“電工電子學(xué)”課程采用研究性教學(xué)模式授課。研究性教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、提高工程實(shí)踐和創(chuàng)新實(shí)踐能力等方面展現(xiàn)出很大的作用，許多高校在不同課程中進(jìn)行了實(shí)踐，并取得了一定的效果[12-15]。

作者根據(jù)多年的授課經(jīng)驗(yàn)，針對課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，授課過程中強(qiáng)調(diào)動手做電路，用電路吸引學(xué)生學(xué)知識，用電路引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用知識。實(shí)驗(yàn)教學(xué)上采取全程實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢?shí)驗(yàn)時(shí)間貫穿課程學(xué)習(xí)期間，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)有機(jī)融合，給學(xué)生充分的思考、驗(yàn)證、分析、實(shí)踐的時(shí)間，學(xué)中做，做中學(xué)，在學(xué)與做中消化吸收運(yùn)用知識。

1 研究性教學(xué)模式中“電工電子學(xué)”實(shí)驗(yàn)流程

研究性教學(xué)模式中理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)融為一體，不再細(xì)分。理論教學(xué)采取精講基礎(chǔ)知識、泛講器件應(yīng)用電路、微視頻輔助教學(xué)等措施，使學(xué)生在扎實(shí)掌握基礎(chǔ)知識的同時(shí)，減少理論教學(xué)的學(xué)時(shí)，并將這部分學(xué)時(shí)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)上。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課所占學(xué)時(shí)約為總學(xué)時(shí)的20%，研究性教學(xué)模式下實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)約為總學(xué)時(shí)的40%。實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的增多，為學(xué)生動手實(shí)踐提供了時(shí)間保障。實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程如圖1所示，主要包括選題、確定方案、制作電路、功能展示、提交電路報(bào)告等環(huán)節(jié)。

1.1 選題

開學(xué)第一次課給學(xué)生詳細(xì)講述了本課程學(xué)習(xí)的要求，給出期末成績評分標(biāo)準(zhǔn)，將電路任務(wù)發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生自主選擇，一人一題，一周后確定名單。

1.2 確定方案

方案確定包括查閱資料、篩選方案、電路仿真、PPT答辯、提交設(shè)計(jì)報(bào)告等步驟。學(xué)生邊上課邊查資料，選擇實(shí)現(xiàn)電路的方案。由于學(xué)生是在課程初期選擇方案，所選方案來自查閱的各種資料，學(xué)生沒有能力判斷方案是否可行，或者方案在實(shí)施時(shí)是否難度合適，這就需要和教師反復(fù)溝通，最后確定合適的方案。這一環(huán)節(jié)教師起了引導(dǎo)和決策的角色，非常關(guān)鍵。方案確定后，學(xué)生自己分析電路原理，并將電路仿真，仿真時(shí)學(xué)生會發(fā)現(xiàn)查閱來的電路并不是很完善，里面存在的諸多問題，需要繼續(xù)完善方案。在完善方案期間，學(xué)生需要自學(xué)一些超出課程范圍的知識。對于這些超綱內(nèi)容，學(xué)生自學(xué)無法理解透徹的，教師單獨(dú)輔導(dǎo)講解。

理解方案原理并完成電路仿真后，全班分成3組進(jìn)行PPT答辯，答辯時(shí)學(xué)生不僅要講清楚電路原理，還要回答教師的問題。

這一環(huán)節(jié)，教師要付出相當(dāng)多的時(shí)間去和學(xué)生進(jìn)行密切交流，保證學(xué)生有問題及時(shí)得到解決。

1.3 制作電路

制作電路分3步驟：

(1) 熟悉實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、儀器儀表和基本元器件的使用。為了讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、儀器儀表和基本元器件的使用，有些理論課內(nèi)容放在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行，比如二極管、三極管、基本放大電路、運(yùn)算放大器、數(shù)字電路芯片等內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)室學(xué)生邊聽理論知識，邊搭建簡單電路并熟悉器件。這里的簡單實(shí)驗(yàn)可以采用實(shí)驗(yàn)書中的常規(guī)實(shí)驗(yàn)。每個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)的電路不同，里面會用到不同的器件，學(xué)生需自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路，熟悉所用到的特殊器件。

(2) 在面包板上搭建、調(diào)試電路。這是做電子電路的常規(guī)步驟，由于電子元件參數(shù)的分散性、偏差、非線性等原因，根據(jù)理論計(jì)算的參數(shù)和仿真的參數(shù)制作出的實(shí)際電路，總會出現(xiàn)問題，為了便于調(diào)試電路參數(shù)，先在面包板上搭建電路，調(diào)節(jié)參數(shù)。將方案用元器件搭建出來，看到實(shí)物，學(xué)生的興趣非常高。當(dāng)電路中出現(xiàn)問題，總是先自己分析查找，有些故障比較容易查出，有些故障查起來比較困難。由于時(shí)間充足，學(xué)生并不急于完成電路，能沉下心想辦法排除故障。有些故障排除耗費(fèi)兩天課余時(shí)間，把電路搭建十多遍的都有。還有些故障，教師需自已搭建電路和學(xué)生一起分析故障原因，找到解決方案。這一環(huán)節(jié)要求教師動手能力要強(qiáng)，熟悉一些實(shí)用電路。學(xué)生在做實(shí)物電路中遇到的問題千奇百怪，開始學(xué)生能沉下心思考，自己實(shí)在解決不了，請同學(xué)幫忙，如果還解決不了，求助于教師。如果教師不能及時(shí)解決，意味著后續(xù)環(huán)節(jié)就得拖延，學(xué)生就會產(chǎn)生焦慮急躁的情緒。因此，采用這種教學(xué)模式的教師前期一定要做好準(zhǔn)備工作，盡可能多地儲備知識。

(3) 在電路板上焊接電路。很多學(xué)生是第一次焊接電路，教師要給學(xué)生演示如何使用電烙鐵、如何防止虛焊、器件如何排列、布局、如何走線等。通過這個(gè)階段的訓(xùn)練，學(xué)生動手能力有了明顯提高。為后續(xù)的電工電子實(shí)習(xí)或參加電子設(shè)計(jì)競賽打下了良好的基礎(chǔ)。

1.4 電路功能展示

學(xué)生完成電路后，自己準(zhǔn)備好講解內(nèi)容，教師錄制學(xué)生電路功能展示視頻。錄制好的視頻可作為教學(xué)資料保存，在今后的授課中可以放給學(xué)生觀摩。電路功能展示環(huán)節(jié)不僅督促學(xué)生獨(dú)立完成電路、熟悉電路的工作原理、熟悉電路的工作過程，還鍛煉學(xué)生的口頭表達(dá)，增加學(xué)生的成就感。

1.5 提交項(xiàng)目報(bào)告

電路完成后，學(xué)生需要提交項(xiàng)目報(bào)告，主要包括電路原理、仿真電路、實(shí)際調(diào)試出來的電路圖、原理分析、故障排除情況說明、知識點(diǎn)應(yīng)用的體會等內(nèi)容。

2 研究性教學(xué)模式中“電工電子學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

2.1 實(shí)驗(yàn)時(shí)間充足

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一個(gè)實(shí)驗(yàn)通常2個(gè)學(xué)時(shí)。由于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的重視程度不夠，很多學(xué)生預(yù)習(xí)報(bào)告敷衍了事，做實(shí)驗(yàn)比著葫蘆畫瓢，不了解實(shí)驗(yàn)電路原理，看到別的同學(xué)完成電路，著急浮躁，遇到問題不能靜心解決，甚至抄別人的數(shù)據(jù)交給老師，實(shí)驗(yàn)老師即使發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有問題，也沒有時(shí)間和設(shè)備讓學(xué)生重做。

研究性教學(xué)模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間貫穿整個(gè)學(xué)期。實(shí)驗(yàn)流程中的每一環(huán)節(jié)都留有充分的時(shí)間，每一個(gè)學(xué)生有問題都可以通過課前課后、QQ群等方式和教師溝通，得到教師及時(shí)的指導(dǎo)；教師發(fā)現(xiàn)某個(gè)學(xué)生的問題，及時(shí)反饋給學(xué)生，督促修改完善電路；同學(xué)之間可以交流電路原理，幫忙查找故障原因。提供充足的實(shí)驗(yàn)時(shí)間讓學(xué)生定心靜氣地研究電路并制作電路。

2.2 過程考核維持學(xué)生高漲的學(xué)習(xí)熱情

有趣的電路引發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，如何讓這股熱情一直持續(xù)下去,實(shí)驗(yàn)時(shí)間充足是研究性教學(xué)模式下“電工電子學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一大優(yōu)點(diǎn)，但如果不加以過程考核，學(xué)生很容易由學(xué)期初的興趣盎然變成學(xué)期末的敷衍了事。

過程考核從實(shí)驗(yàn)流程中的第二個(gè)環(huán)節(jié)起，每一部分在期末總評中都占一定比例，比如確定方案和制作電路中的常規(guī)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)占20%，制作電路中的面包板調(diào)試和電路焊接占30%，功能展示和電路報(bào)告10%，另外為督促學(xué)生徹底弄清電路原理和制作電路時(shí)出現(xiàn)故障的原因，設(shè)置電路問題回答環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)占10%。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)

學(xué)期初，學(xué)生要查資料確定電路方案，此時(shí)學(xué)生對電路原理并不理解，但知道后面要完成它，這就督促學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中格外用心，比如在后面實(shí)驗(yàn)電路實(shí)例中單相電實(shí)現(xiàn)三相電的電路就是理論學(xué)習(xí)中的一道課后習(xí)題，做這個(gè)電路的學(xué)生會主動地去研究這道題。對于不理解原理的電路，比如需要自學(xué)的三相整流電路，要求學(xué)生先搭建仿真電路，觀察電路波形或測量電路數(shù)據(jù)，用現(xiàn)象或數(shù)據(jù)總結(jié)電路功能，進(jìn)而幫助理解電路原理。因此本課程學(xué)習(xí)完，學(xué)生還自學(xué)了Multisim仿真軟件[16]，并能熟練使用它。

2.4 教學(xué)相長的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

在完成電路的過程，學(xué)生選擇的方案、遇到的問題都是教師無法預(yù)料的，因此需要教師不僅要有扎實(shí)的理論知識，還要有過硬的動手能力，否則學(xué)生方案是否正確，在做電路過程中遇到的千奇百怪的問題很難及時(shí)回答，影響教學(xué)進(jìn)度，甚至?xí)?dǎo)致學(xué)生對完成電路喪失信心。在解決學(xué)生問題的過程中，教師不斷地學(xué)習(xí)、創(chuàng)新、實(shí)踐，提高了業(yè)務(wù)能力。

2.5 實(shí)驗(yàn)成果明顯

課程學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生將學(xué)期初的任務(wù)書做成了可以操作的實(shí)用電路，成就感不言而喻。學(xué)生完成的電路教師可以作為教學(xué)資料保存起來，在今后的教學(xué)中使用。

學(xué)生完成的部分電路如圖2所示。

圖2 學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)電路作品

3 實(shí)驗(yàn)電路實(shí)例

研究性教學(xué)模式中實(shí)驗(yàn)電路的選擇很關(guān)鍵。電路內(nèi)容除了涉及本學(xué)期所學(xué)內(nèi)容外，還有些內(nèi)容需學(xué)生自學(xué)完成。

在選擇電路時(shí)應(yīng)遵循下以下幾條：① 電路題目最好有實(shí)際含義或工程背景。② 電路所涉及內(nèi)容盡量包含課程主要知識點(diǎn)。③ 電路難度適中，學(xué)生通過自學(xué)或答疑能夠理解電路原理。④ 電路具有直觀性、趣味性、實(shí)用性。⑤ 電路使用基本器件可以實(shí)現(xiàn)。

針對實(shí)施班級，筆者設(shè)計(jì)了相序指示和缺相保護(hù)電冰箱多功能保護(hù)器、能畫出聲音的鉛筆、精神壓力緩解器、蓄電池過壓過流保護(hù)電路、過量程報(bào)警的頻率計(jì)、汽車前燈自動變光控制電路、花盆缺水告知電路、反應(yīng)速度測試器、塑料袋封口機(jī)等具有實(shí)用性或趣味性的、用常規(guī)器件可以實(shí)現(xiàn)的26個(gè)實(shí)驗(yàn)電路。

比如在相序指示和缺相保護(hù)電冰箱多功能保護(hù)器中，設(shè)計(jì)完成的電路滿足下列要求：① 將單相交流電轉(zhuǎn)換成三相交流電；② 檢測三相交流電的相序；③ 三相電源缺相檢測；④ 檢測結(jié)果顯示電路。實(shí)現(xiàn)該電路，涉及正弦交流電路、半導(dǎo)體器件、比較器、觸發(fā)器、直流穩(wěn)壓電源等課本知識，學(xué)生還需自學(xué)三相整流的知識。圖3是學(xué)生做的缺相檢測及顯示的仿真電路。

4 結(jié) 語

研究性教學(xué)模式中實(shí)驗(yàn)教學(xué)貫穿整個(gè)課程學(xué)習(xí)期間，既有常規(guī)實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解課本知識，又有學(xué)生自己設(shè)計(jì)的個(gè)性實(shí)驗(yàn)幫助理解自學(xué)的內(nèi)容，還有綜合性很強(qiáng)的電路引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)用理論知識，感受學(xué)有所用的樂趣。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生從查閱資料、動手實(shí)踐、口頭表達(dá)、報(bào)告撰寫、相互協(xié)作等方面得到了鍛煉。通過實(shí)踐證明，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力。

[1] 化曉茜,王紫婷. 改革電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30 (6):151-153.

[2] 徐英雷,謝美俊,何圣仲,等.電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主體性教育探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2009,26(12):119-121.

[3] 金 波. 電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(2):113-116.

[4] 蒲永紅,余 粟,王維榮. Multisim輔助電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(9):174-177.

[5] 馮翠菊,蔡莉莉.以研究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)新人才[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(5):75-76,93.

[6] 石松泉,沈紅衛(wèi),梁 偉.虛實(shí)結(jié)合的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008(8):184-186.

[7] 周素茵,曾松偉,章 云. 電工電子實(shí)踐教學(xué)模式改革與實(shí)踐[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2014,36(1):103-104.

[8] 李 平,霍小慧.電工電子實(shí)踐教學(xué)模式改革的探索與實(shí)踐—以長沙理工大學(xué)為例[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會科學(xué)版), 2005,6(5 ):84-85.

[9] 肖 看,尹 仕,嚴(yán)國萍.創(chuàng)新型電工電子全開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(4):79-82.

[10] 申文達(dá),董云鳳,李 可.啟發(fā)式教學(xué)方法在電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(4):265-266.

[11] 丁守成.理工科電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(3):114-117.

[12] 胡曉光,肖 瑾. 電工電子類基礎(chǔ)課廣泛展開研究性教學(xué)的探索[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(增刊):135-138.

[13] 宋義林,高樹枚,陳 剛.基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的研究性教學(xué)模式的探索與實(shí)踐[J].黑龍江高教研究,2014(6): 142-144.

[14] 于歆杰,陸文娟,王樹民. 專業(yè)基礎(chǔ)課中的研究型教學(xué)—清華大學(xué)電路原理課案例研究[J].高等工程教育研究,2006( 1):118-121.

[15] 盧德馨,許 望. 以研究型教學(xué)為目標(biāo)的大學(xué)物理課程建設(shè)[J].中國大學(xué)教學(xué),2004(5):20-21.

[17] 聶 典,丁 偉.Multisim10計(jì)算機(jī)仿真在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.7.

Reform and Practice of Research-Oriented Experiment Teaching Mode in the Course of Electrical and Electronics

WANGXingang，HELi，ZHANGDongzhi，RENXuhu

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum(East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

This paper presents a suitable research-oriented mode in experimental teaching for the course of electrical and electronics. The learning of theory knowledge is combining with the making of practical and interesting circuit in this teaching mode. The fabrication of these circuits is beneficial to stimulate the learning enthusiasm of students, as well as guide students to apply what they have learned. The experimental teaching mode is performed throughout the period of the course learning with facile and diverse experimental content, and effective and obvious results are obtained. It is proved that this way of experimental teaching is good to cultivate students' ability of analyzing and resolving problems, practical ability and autonomous learning ability.

electrical and electronics; research-oriented teaching mode; experimental teaching; autonomous learning

2016-05-30

山東省重點(diǎn)教改項(xiàng)目“基于能力培養(yǎng)的電工電子學(xué)課程體系與教學(xué)模式的探索與實(shí)踐”(2015Z025)，中國石油大學(xué)(華東)教改項(xiàng)目(YK201320，YK201411)

王心剛( 1969-) ，男，山東高密人，學(xué)士，副教授，研究方向電氣控制及自動化。

Tel.：18266639970; E-mail: wxg7038@ sina.com

G 642.423

A

1006-7167(2017)04-0188-04