常翠芝, 羅 明, 蔡 超

(武漢工程大學 a. 電氣信息學院; b. 教務處， 武漢 430205)

0 引 言

近幾來,大規(guī)模開放式在線課程(Massive open online courses,MOOC)的迅猛發(fā)展,讓人們看到了信息技術與高等教育深度融合的端倪,MOOC的大規(guī)模應用創(chuàng)造了一個全新的、公平的教育模式,為學生提供了一種新型的知識獲取渠道和學習模式,同時也迫使大學對傳統(tǒng)教學模式進行深刻反思[1-2]。

傳統(tǒng)教學模式以教師為中心,教師是知識的傳授者,學生是知識的接受者,整個教學活動教師是主導者,學生只是被動的接受知識。但是在MOOC模式下,學生成了學習的主人，可以在家里或者寢室利用網絡課堂學習,學習資源空前豐富,學習的自由度大增。

盡管MOOC有傳統(tǒng)課堂不可比擬的優(yōu)勢，但是業(yè)界對MOOC的評價以及對其發(fā)展前景并不樂觀，焦點主要集中于在線課程學習模式缺乏生動的課堂效果與積極的面對面教學互動,導致學生學習興趣難以維持、教學效果并不理想等問題[3]。據統(tǒng)計，雖然一門MOOC課程會吸引成千上萬的參與者，但MOOC課程的平均完成率只有5%～10%[4]。對MOOC課堂歸結有如下弊端：① 無法實現流暢的師生交流；② 無法實現實驗或共建項目；③ MOOC學員對課程的內化程度參差不齊，有時枯燥的理論學習很難讓學生堅持下來。這使教育質量問題成為MOOC最嚴峻的考驗[5]。因此，教學法的新變革，教學方式/學習方式正在由MOOC的完全自主在線學習向混合學習、翻轉課堂、協作學習轉變，以往傳統(tǒng)的課堂作為翻轉課堂(Flipped Class)，成為老師和學生互動的場所，包括課程指導，討論/答疑解惑，實驗實習指導/項目咨詢等。楊丹等[6]人指出，在線教育具有人性化、重復性、互動性的特征，混合式學習和翻轉課堂是在線教育的未來趨勢。在這種模式下，學生自主地借助龐大的MOOC資源來學習,老師不再是教學的主體，而是類似于提供服務的“服務員”的角色，以互聯網為依托，向學生展示文字、動畫動態(tài)、流媒體等不同形式的課程指導。

雖然教學形式有了重大改進，綜合了傳統(tǒng)教學和MOOC教學各自的優(yōu)勢，但是在教學內容上如不加以適當的引導和設計，學生也會對浩如煙海的學習資料感到疲倦，思維仍然停留在解題的階段。尤其對于工科的學生，工程思維得不到訓練，對課程的興趣和學習積極性仍然難以持續(xù)，達不到理想的教學效果。那么如何利用這些優(yōu)勢在教學內容上做更好的改進，讓學生對所學學科的運用有更多的了解，理解理論與運用之間邏輯聯系，體會其中的思維過程，并能夠從中得到啟發(fā)，而不僅僅局限于提高應試成績，真正做到提高教學效率?針對此問題，本文以電工電子技術課程為例，提出了在MOOC背景下應用工程案例教學設計，此設計體現了理論與實踐學習的自然過渡過程。

1 工程案例的教學設計

電工電子技術是高校非電類理工科學生必修的一門實踐性很強的技術基礎課，對培養(yǎng)學生應用分析能力、知識融合能力以及實踐創(chuàng)新能力具有極其重要的作用[7-9]。但因其內容覆蓋面廣、理論性強且相對抽象，工程應用廣泛，對于非電類的學生而言學習難度大，并且分配的學時與內容不匹配，導致了傳統(tǒng)的教學只能局限于理論，學生課堂學習缺乏主動性和積極性，普遍感覺內容枯燥難懂，教學效果不佳[10]。學生對于所學知識的應用背景知之甚少，嚴重缺乏工程應用思維，視界狹窄,對跨專業(yè)跨學科的項目更是鮮少聽聞，碰到實際工程問題無從下手，同時也反過來影響學生對理論的理解和學習興趣，學習也只是應付考試，顯然這種教學現狀不符合新時代的教育要求。

案例教學法是一種以案例為基礎的教學方法[11-13],其起源于上世紀20年代,由美國哈佛大學商學院所倡導,其方法是采取獨特的案例形式進行課堂教學,這些案例都是來自于商業(yè)管理的真實情境或事件。此種教學方式有助于引導學生主動參與課堂討論,領會案例涉及領域業(yè)務實踐中的重要思想、基本技能及內在原理[14]。工程案例教學法[15-16],則是在具有較強工程背景的課程教學中,引入工程實際案例,供教師與學生進行分析和討論,旨在培養(yǎng)學生的工程觀念,提高學生的綜合能力和解決實際問題的能力,進而達到激勵學生主動參與教學活動、提高教學效果的目的。以理論為主線，以工程應用案例為載體，設計如圖1所示的翻轉課堂教學環(huán)節(jié)。

圖1 基于應用案例的教學設計

1.1 應用案例的選取

作為工程類課程，每個知識點的應用案例有很多，但是選取適宜教學的案例尤為重要。以應用案例作切入點，導出知識點，既要兼顧案例，又不能脫離理論，理論的學習促使學生對應用的進一步的思考，故對案例的選取應注意以下原則：

(1) 要注意和課程知識點的高度關聯性。脫離知識點的案例很難讓學生建立理論與應用的邏輯聯系。

(2) 注意學時分配合理。既有對案例的分析介紹，又要有對知識點的解析，合理分配學時。

(3) 兼顧授課對象的基礎和接受能力。超出學生理解能力的案例會讓學生望而生畏，影響學生的學習積極性。

(4) 具有較強的連貫性和綜合性。綜合性應用案例有助于學生思維模式的培養(yǎng)，讓學生將一個個看起來孤立的知識點串起來，培養(yǎng)學生的綜合應用和解決實際問題的能力。

例如針對電工電子技術這門課程，選取的部分應用案例與部分知識點對應如表1所示。

表1 各章部分理論模塊對應的應用案例模塊

1.2 案例教學的實施方法

在教學過程中，針對不同的知識點及其應用案例的特點，可按以下方法實施案例教學。

(1) 導入式案例法。在講到某個概念或者定義時，自然引入其引用，比如講到功率符號的物理意義，即可引入其應用在電動機的四象限運行的狀態(tài)判斷。

(2) 比較案例法。比較案例法是利用相似功能或者條件，實現的元件或者方案不同，卻具有不同的性能。例如講到不同器件的性質時，可以利用其應用電路看出它們之間的差別，比如普通二極管的整流電路與晶閘管的相控整流，以及高頻整流之區(qū)別，很好地理解和記住了這些元件的不同性質。又如由三相異步電動機的電磁公式，結合磁性材料的磁化曲線，推導出電動機的恒轉矩和恒功率的控制方法，比較兩者的區(qū)別，引出不同的應用場合。

(3) 問題案例法。所謂問題案例法，即在授課過程中針對某一知識點在講授知識內容前，先列舉出工程中存在的實際問題，分析該問題產生的原因及解決該問題的方法，再引出本知識點的內容[7]，例如電動機電路中功率因數偏低，帶來的損耗問題及效率問題如何解決？引出提高功率因數的原理這個知識點。

(4) 綜合案例法。電工電子技術是一門工程類課程，應用極廣，在很多工程應用中都綜合了強電/弱電，數模電處理電路，軟硬件電路等，綜合案例法就可以通過一個綜合了多個知識點的應用案例，把課程知識點串聯起來。

例如圖2中的基于DSP的三相SPWM變頻電源控制系統(tǒng),涵蓋了電工和電子的多個知識點。既有強/弱電電路，又有模/數信號處理電路以及模數轉換電路，是一個很好的綜合應用案例。

圖2 基于DSP的三相SPWM變頻電源控制系統(tǒng)

對該案例根據章節(jié)知識點進行分解，在每一章節(jié)中對該案例所面臨的不同理論問題和實際問題進行解析，實現章節(jié)之間理論知識的關聯性以及與工程案例實際應用的統(tǒng)一性，并利用一些仿真軟件進行驗證，將理論教學與實踐教學能夠有機地結合起來，同時使學生能夠理解理論知識體系的連貫性，對理論知識的工程應用形成深入的掌握。

2 案例教學的實踐

案例教學與普通教學最大的區(qū)別在于以工程案例為載體，通過教師的引導，將學生處于真實問題的情境之中，并帶著問題設身處地地思考，尋求問題的解決方法，進行探索式的學習，在獲取專業(yè)理論知識的同時體驗工程思維方法，培養(yǎng)分析、解決問題的能力和對理論知識的綜合應用能力。

2.1 案例的實驗與仿真

MOOC背景下，在翻轉課堂上可以把更多的時間放在案例分析與實踐上，通過實驗或者仿真來驗證理論，比單純的理論教學更有說服力和吸引力。

例如，在正弦交流電路功率因數的提高案例中，利用日光燈、啟輝器、電感鎮(zhèn)流器及三相電源，設計一簡單的日光燈照明系統(tǒng)，如圖3所示，實驗測得的數據如表2所示，由數據可知該照明系統(tǒng)的功率因數僅為0.45，與供電規(guī)則要求的0.9相差甚遠。

前面學生已經在MOOC上學習了相關理論，比如電容電感的無功補償等。

圖3 日光燈照明電路

改進方案：并聯電容。并聯電容并不影響燈管的工作電壓，電路如圖4所示，根據現有的參數及公式，先計算出所需電容大小，然后根據實際情況選擇功率因數最優(yōu)解。實際測得的實驗數據如表3所示。

圖4 并聯電容方案的電路

通過實驗數據，可以很明顯的看出并聯電容后，功率因數提高的同時，端電壓及有功功率幾乎不變，但是線路電流和無功功率大大降低，這意味著線路損耗降低，電源的利用率提高。

作為對比，也可以并聯電子鎮(zhèn)流器來實現功率因數的提高，如圖5所示。不難發(fā)現，除了端電壓不變外，和電感鎮(zhèn)流器電路相比，其線路電流也降低了許多,達到提高功率因數、降低線路損耗等目的，如表4所示。

圖5 并聯電子鎮(zhèn)流器方案的電路

這里引入的電子鎮(zhèn)流器，又可以引出一個案例應用：電子鎮(zhèn)流器的結構及工作原理。它提高功率因數的原理與并聯電容有什么區(qū)別？即使相關知識還沒學，可是學生已經充滿了好奇與期待。

當然，因為時間和成本的限制，對有些稍顯復雜的案例不可能全部進行實驗，但是可以選擇一些仿真工具展現出來。

2.2 考核及效果分析

為了檢驗本教學方法的效果，與傳統(tǒng)的教學方法做了對比試驗。作者在自己的教學工作中，對同一學年所教的機械8個班做了教學試驗：同一教師教學條件下，對8個班分2組教學，每組4個班，每組的人數大約均為120人，上下兩學期分別為電工技術和電子技術2個階段。試驗安排表如表5所示。

表5 工程案例教學與傳統(tǒng)教學對比試驗安排

為了盡可能的減少統(tǒng)計誤差，作者連續(xù)對2屆機械專業(yè)的學生做了教學試驗，考核內容分為3部分：理論部分，占50%，案例分析與設計占30%,實驗操作占20%，兩年的考核難度系數相當，同一年級同一學期考核內容完全一樣，兩年的考核成績如表6所示。

表6 工程案例教學與傳統(tǒng)教學考核結果對比 %

從表6可以看出，① 整體而言，本教學方法比傳統(tǒng)的教學方法在三部分的平均成績都得到了提高；② 兩種教學方法下案例分析與設計的得分差別平均達到16.85%,是三部分考核內容中差別最大的。③ 第二年的教學差別比第一年更明顯。分析可能是教學案例的內容更為完善，與學生接受能力的契合度提高了。④ 工程應用案例教學也促進了理論和實驗成績的提高，進一步說明案例教學有助于學生對理論的深度理解，提高了學生的動手實踐能力。

2.3 案例的呈現與延伸

利用MOOC資源，學生打好理論基礎，作為重要的補充，案例教學重點在“案例”上，如何將案例實驗呈現出來，除了傳統(tǒng)的靜態(tài)多媒體軟件外，更重要可以通過動畫軟件和視頻軟件等多種手段將實驗過程與結果更直觀地展現出來，提高學生對理論的理解程度，激發(fā)學生的學習熱情。

通過案例分析與實驗的講解，很容易實現從理論到實驗與實訓的自然過渡，從課內小的單一的知識點應用，到課程的多知識點的綜合應用，及至最后的多個課程甚至跨學科的復雜系統(tǒng)，遵循認知規(guī)律，實現工程思維質的飛躍。

目前，我校已經連續(xù)舉辦了兩屆“弘電杯”大學生電子設計競賽，參賽對象包括所有工科院系，參賽內容涵蓋控制、檢測、電源、信號處理及通信等不同類別的賽題，涉及學科范圍廣[17]，學生反響熱烈，積極參與，這為更高級別的競賽打下了堅實的基礎，也為以后的課程設計及多學科綜合設計的嘗試做了很好的鋪墊。

3 結 語

利用MOOC帶來的巨大優(yōu)勢，以拓寬工科學生視野及培養(yǎng)工程思維和應用能力為目標，設計應用案例教學模式，遵循認知規(guī)律，注重各個教學環(huán)節(jié)的良好銜接，提高了教學質量與效率。當然，在實施過程中，根據教學效果的反饋，這一體系也會不斷修正完善，還有對學生相應的考評內容和制度也是必須在后面的探索中逐步加以完善。

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