馮瑞玨， 馬海霞*， 曾獻(xiàn)煜， 王智東

(1.廣州城市理工學(xué)院，電氣工程學(xué)院，廣東，廣州 510800；2.華南理工大學(xué)，電力學(xué)院，廣東，廣州 510640)

0 引言

電路課程是高等院校工科專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，在工科體系中起著積基樹(shù)本的作用。課程中電工電路的知識(shí)、能力和素質(zhì)既是前期“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”等課程內(nèi)容的加深延續(xù)，也是后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的基礎(chǔ)，起著承前啟后的作用。課程中的學(xué)習(xí)使用電工器具操作、電路設(shè)計(jì)及測(cè)量、電路故障分析等學(xué)到的工程規(guī)范、分析和解決問(wèn)題的能力為今后從業(yè)奠定了職業(yè)基礎(chǔ)。受限于教學(xué)制度、教學(xué)和課程特點(diǎn)等諸多約束，大部分工科學(xué)生對(duì)電路課程“望電生畏”，不利于課程知識(shí)的學(xué)習(xí)而削弱了對(duì)后續(xù)專(zhuān)業(yè)知識(shí)了解的興趣[1-3]。電路課程的教學(xué)一直無(wú)法達(dá)到學(xué)生能力培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，如何優(yōu)化電路課程的教學(xué)環(huán)節(jié)、降低課程的學(xué)習(xí)難度和觸發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣成為急需解決的問(wèn)題。

針對(duì)電路課程學(xué)習(xí)中存在的教與學(xué)不佳的問(wèn)題，結(jié)合電路課程的特點(diǎn)，對(duì)電路課程進(jìn)行“三化”教學(xué)改革，即知識(shí)功能模塊化、電路圖形動(dòng)態(tài)化、考核智能化，并將此模式推廣到其他課程中。

1 電路課程教學(xué)現(xiàn)狀

在新工科建設(shè)持續(xù)推進(jìn)下，應(yīng)用型大學(xué)應(yīng)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，成為具備動(dòng)手解決實(shí)際工程問(wèn)題能力的應(yīng)用型人才，以適應(yīng)社會(huì)的需求。

近年來(lái)，學(xué)校推行適應(yīng)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的課程調(diào)整，電工教研室承擔(dān)全校的電工類(lèi)課程，長(zhǎng)期以來(lái)建立了一套符合各專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和要求的教學(xué)體系，在保證基礎(chǔ)共性的同時(shí)，根據(jù)不同專(zhuān)業(yè)的教學(xué)要求構(gòu)建課程內(nèi)容，并建立與之配套的課程體系和實(shí)驗(yàn)體系，取得了一定的教學(xué)效果。自2017年以來(lái)，對(duì)電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的“電路”課程的理論課和實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行了不同程度的改革。電路實(shí)驗(yàn)在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增設(shè)了設(shè)計(jì)類(lèi)實(shí)驗(yàn)，滿(mǎn)足不同層次的學(xué)生能獲得良好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。其中，“可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”與“三相電路故障測(cè)量與分析”兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分別榮獲了“2019年第六屆全國(guó)電工電子基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大學(xué)競(jìng)賽(鼎陽(yáng)杯)”二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)。理論課程在2017年開(kāi)始根據(jù)對(duì)電氣專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)情況的調(diào)研調(diào)整了使用教材，使用由本校教師針對(duì)應(yīng)用型大學(xué)的電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)所參與編寫(xiě)的《電路分析基礎(chǔ)》，并根據(jù)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案有針對(duì)性地進(jìn)行內(nèi)容講授。2019年進(jìn)行了“電路”線(xiàn)上課程建設(shè)，以知識(shí)點(diǎn)為單位進(jìn)行了微課錄制，并配套了詳細(xì)習(xí)題庫(kù)供學(xué)生進(jìn)行鞏固練習(xí)，2020年開(kāi)展了混合式教學(xué)，以線(xiàn)上學(xué)習(xí)為主，以線(xiàn)下學(xué)習(xí)為補(bǔ)充的模式進(jìn)行。電路課程的微課在校級(jí)第一屆微課比賽中獲得優(yōu)秀獎(jiǎng)。以上這些改革都取得了一定的成效，但在教與學(xué)兩者的優(yōu)化上仍然存在需解決的問(wèn)題。

1)“學(xué)時(shí)越來(lái)越少，內(nèi)容越來(lái)越多”

各學(xué)科相關(guān)專(zhuān)業(yè)在制定本專(zhuān)業(yè)的教學(xué)計(jì)劃時(shí)，為了擴(kuò)展專(zhuān)業(yè)面，不斷削減電工類(lèi)課程學(xué)時(shí)，“學(xué)時(shí)越來(lái)越少，內(nèi)容越來(lái)多越多”，任課教師為了完成課程任務(wù)，采用“填鴨式”教學(xué)方法居多，缺乏啟發(fā)式、探究式、開(kāi)放式、討論式、案例式等教學(xué)設(shè)計(jì)，難以啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。電工課程具有理論性強(qiáng)而內(nèi)容廣、概念繁、公式多且內(nèi)容僵化、知識(shí)點(diǎn)分散的特點(diǎn)。目前“電路”課程一共88學(xué)時(shí)(72學(xué)時(shí)理論課+16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課)，內(nèi)容包括電路的基本概念和基本定律、電阻電路的等效變換和分析方法、正弦穩(wěn)態(tài)電路分析、電路的頻率響應(yīng)、三相電路、線(xiàn)性電路的穩(wěn)態(tài)分析等。這些內(nèi)容涉及面廣、知識(shí)點(diǎn)分散，在教學(xué)過(guò)程中，師生疲于應(yīng)付，難以有興趣進(jìn)行創(chuàng)造性實(shí)踐性。如何根據(jù)人才培養(yǎng)方案對(duì)內(nèi)容進(jìn)行分模塊“教”成為需要探討的重要問(wèn)題之一。

2)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和參與度不高

電路課程大多數(shù)設(shè)置在大學(xué)一年級(jí)，學(xué)生還沒(méi)完全從高中模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤白灾鲗W(xué)習(xí)”，認(rèn)為電路課程難學(xué)、難記、難理解，產(chǎn)生畏難情緒，陷入死記硬背、不求甚解的學(xué)習(xí)困境。而后逐漸轉(zhuǎn)變成“被動(dòng)參與學(xué)習(xí)”，學(xué)習(xí)積極性和課程參與度不高，對(duì)作業(yè)或所需掌握知識(shí)“云里霧里”。

3)課程考核方式不完善

電路課程成績(jī)考核基本上以“平時(shí)成績(jī)30%+期末成績(jī)70%”的方式評(píng)定。平時(shí)成績(jī)僅僅考慮在課程上的考勤或有限次的作業(yè)完成度，由于課程人數(shù)眾多，依靠單純的教師考核方式難度大且不夠全面，缺乏全面的評(píng)價(jià)機(jī)制，不能有效激勵(lì)學(xué)生積極地參與到課程中來(lái)。

針對(duì)電路教學(xué)中存在的問(wèn)題，2019學(xué)年在電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)共360名學(xué)生中開(kāi)展了基于“三化”電路課程的教學(xué)改革，更新教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)方法和教學(xué)手段，全面優(yōu)化考核方式[4]。如圖1所示。針對(duì)電路課程內(nèi)容廣而全但分散、雜亂的特點(diǎn)，在對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，采用功能化教學(xué)，將知識(shí)點(diǎn)中內(nèi)在邏輯相同或相近合成相對(duì)獨(dú)立的單元，且結(jié)合人才培養(yǎng)方案，將相關(guān)單元合成教學(xué)模塊，使教師在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)也可以實(shí)現(xiàn)比較精準(zhǔn)的教學(xué)目標(biāo)定位；針對(duì)課程中電路邏輯性強(qiáng)、分析步驟繁瑣、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高的特點(diǎn)，采用知識(shí)圖形化，應(yīng)用計(jì)算機(jī)虛擬仿真軟件，將電路以仿真動(dòng)畫(huà)的立體形式表現(xiàn)，使教與學(xué)化難為易、化靜為動(dòng)、化抽象為具體；針對(duì)單靠人工考核、評(píng)分不夠全面的方式，采用“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)進(jìn)行智能化考核。

圖1 “三化”電路教學(xué)改革

2 “單一參數(shù)三相交流電”應(yīng)用案例

2.1 知識(shí)功能模塊化

單一參數(shù)交流電路課程要介紹電阻、電感、電容元件分別在交流電路中的應(yīng)用關(guān)系，包括電壓與電流的瞬時(shí)值關(guān)系、相位關(guān)系、有效值關(guān)系、相量關(guān)系、功率關(guān)系等。這些關(guān)系包含各種公式變換和邏輯推理，單純靠理論介紹，學(xué)生一般會(huì)覺(jué)得枯燥無(wú)味，產(chǎn)生“厭學(xué)”情緒。采用知識(shí)功能模塊化教學(xué)，將功能相同的知識(shí)歸納在同一單元內(nèi)進(jìn)行對(duì)比分析，加深理解和記憶，并提高教學(xué)及考核內(nèi)容的透明度，從而提高整個(gè)學(xué)習(xí)的靈活度。圖2為按所需掌握知識(shí)點(diǎn)劃分的功能模塊圖，共7個(gè)模塊組成。模塊的分類(lèi)按電阻、電容和電感的定義開(kāi)始，逐層深入。在知識(shí)講授的過(guò)程中可按模塊1至8的順序，循序漸進(jìn)地進(jìn)行分析與比較，并配合電路仿真或動(dòng)畫(huà)演示的方式加深理解。根據(jù)每一模塊的功能特點(diǎn)，總結(jié)出相應(yīng)的記憶點(diǎn)，加深理解，例如在有效值關(guān)系中，電壓與電流的關(guān)系滿(mǎn)足歐姆定律，均可記憶成電壓等于電流與“對(duì)電流的阻礙作用”的乘積。

圖2 單一參數(shù)模塊化

2.2 電路動(dòng)態(tài)化

單一參數(shù)交流電路邏輯性強(qiáng)，信息量大，使得學(xué)生學(xué)完后仍是“云里霧里”，停留在只知道一些零散的符號(hào)和算式階段，對(duì)電路缺乏直觀的認(rèn)識(shí)，更構(gòu)建不出對(duì)課程內(nèi)容的理論體系。在傳統(tǒng)的單純教學(xué)模式(教師結(jié)合PPT課件進(jìn)行書(shū)寫(xiě)、畫(huà)圖、講解)下，學(xué)生聽(tīng)講、想象、理解，不但不能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力反而制約了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。改革傳統(tǒng)的教學(xué)模式，將Multisim仿真軟件與電路課程緊密結(jié)合，最大限度地提高單位學(xué)時(shí)講授的深度和廣度，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

利用Multisim仿真軟件進(jìn)行電路圖制作，直觀、形象和動(dòng)態(tài)地演示電路分析和計(jì)算過(guò)程，通過(guò)數(shù)據(jù)或圖形給出結(jié)果，并對(duì)電路進(jìn)行分析。圖3為單一參數(shù)交流電路所建立的電路仿真庫(kù)，由元件實(shí)物介紹、基礎(chǔ)電路演示和設(shè)計(jì)型電路等3部分組成。

圖3 電路仿真庫(kù)

實(shí)物圖片演示主要演示各種元件不同型號(hào)的外觀區(qū)別，并結(jié)合其電路符號(hào)、單位變換等知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分解。基礎(chǔ)演示用于教學(xué)過(guò)程中對(duì)電路變化過(guò)程進(jìn)行分析，如電容、電感的充放電過(guò)程，變換參數(shù)后時(shí)間常數(shù)的變化區(qū)別等。設(shè)計(jì)型電路則為鍛煉學(xué)生的綜合素質(zhì)，教學(xué)過(guò)程可開(kāi)放任務(wù)，學(xué)生根據(jù)要求設(shè)計(jì)電路及對(duì)參數(shù)進(jìn)行選擇，獨(dú)立進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整各參數(shù)值，得出符合要求的測(cè)試電路，如電阻與電感的串聯(lián)、電阻與電容的串聯(lián)、電容與電感的串聯(lián)。通過(guò)測(cè)試這些電路的電壓與電流關(guān)系，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度。利用軟件示波器進(jìn)行波形分析，充分理解電路的原理，大大提高了學(xué)習(xí)的效率，也克服了上課過(guò)程中缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制。

2.3 考核智能化

以往的考核方式一般由期末成績(jī)和平時(shí)成績(jī)組成，且期末成績(jī)占比較大，基本成為衡量學(xué)生成績(jī)的決定性指標(biāo)，這種考核方法單一機(jī)械，忽略了過(guò)程性評(píng)價(jià)，對(duì)創(chuàng)新性人才培養(yǎng)起不到積極的促進(jìn)作用[5-6]，且傳統(tǒng)過(guò)程性評(píng)價(jià)采用“人工”方式，容易加入印象化、情緒化等個(gè)人色彩。為了更好地在電路課程中促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和更全面的評(píng)價(jià)方式，利用超星“學(xué)習(xí)通”平臺(tái)開(kāi)展智能化的考核模式，考核過(guò)程如圖4所示。

圖4 考核智能化體系

整個(gè)考核體系分成5個(gè)部分組成。第一部分為課程知識(shí)點(diǎn)的復(fù)習(xí)。電路課程提供自建MOOC課程，為線(xiàn)下課堂提供必要補(bǔ)充和輔助，并將知識(shí)點(diǎn)設(shè)為任務(wù)點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)習(xí)理解，如完成任務(wù)可獲得相應(yīng)分值。第二部分為到課率考核。采用上課簽到的模式，督促學(xué)生上課并作為加分項(xiàng)形式。為杜絕學(xué)生“幫簽”行為，隨機(jī)采用普通簽到、二維碼簽到和位置簽到等3種方式。第三部分為課堂互動(dòng)。改革傳統(tǒng)教師主宰課堂的單向傳播模式，積極促進(jìn)與學(xué)生之間的互動(dòng)，并打破單一的“提問(wèn)”方式，課堂上營(yíng)造與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的情景，增設(shè)參與投票、問(wèn)卷調(diào)查、搶答和討論環(huán)節(jié)，激發(fā)和維持學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，對(duì)參與者進(jìn)行獲得分?jǐn)?shù)獎(jiǎng)勵(lì)。第四部分為課后作業(yè)的完成。課后作業(yè)是教學(xué)成果的一個(gè)間接檢驗(yàn)，電路作業(yè)采用從題抽題的方式，并亂項(xiàng)亂序發(fā)放，防范學(xué)生的抄襲行為，取所有作業(yè)的平均分作為最后的得分值。最后一部分為線(xiàn)下考試，作為檢驗(yàn)學(xué)生成果的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)之一。

3 “三化”電路課程教學(xué)改革效果

知識(shí)功模塊化、電路動(dòng)態(tài)化和考核智能化的“三化”電路教學(xué)改革已經(jīng)在電氣工程專(zhuān)業(yè)中實(shí)施了1年的時(shí)間，有了明顯的教學(xué)效果,學(xué)生的主觀能動(dòng)性大大提高。由于過(guò)程考核的多樣性，學(xué)生到課率增加，均能積極參與各項(xiàng)活動(dòng)且在課后對(duì)微課視頻訪問(wèn)量有質(zhì)的提升。課后作業(yè)所布置的開(kāi)放性電路設(shè)計(jì)，參考值雖然可根據(jù)理論得出，但常常需要根據(jù)實(shí)際做出調(diào)整，學(xué)生可在虛擬環(huán)境下根據(jù)思路隨時(shí)調(diào)整參數(shù)或修改電路，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量與分析，加深了所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解，提高了學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。學(xué)生成績(jī)普遍有所提高，如圖5所示。

圖5 學(xué)生課程參與度

4 總結(jié)

電路課程是電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)第一門(mén)基礎(chǔ)課程，起著積基樹(shù)本的作用。但電路課程內(nèi)容豐富、邏輯性強(qiáng)，學(xué)生普遍學(xué)習(xí)性不高，主觀能動(dòng)性較弱。對(duì)電路課程進(jìn)行了“三化”改革。以學(xué)生較難理解的單一參數(shù)交流電路分例，將內(nèi)容按模塊化分成7個(gè)部分進(jìn)行教學(xué)，并以比喻或編制口訣的方式進(jìn)行理解記憶，使師生的教與學(xué)更清晰理解；結(jié)合仿真軟件對(duì)R、L、C電路變化過(guò)程進(jìn)行演示，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與降低對(duì)內(nèi)容的理解難度；最后利用超星“學(xué)習(xí)通”進(jìn)行智能化考核。此改革方案教學(xué)效果顯著，學(xué)生參與過(guò)程學(xué)習(xí)度顯著提升，有效培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。