王榮秀，李昔華，李 明

(重慶工商大學人工智能學院，重慶 400067)

新工科建設的新產業(yè)發(fā)展需求的邏輯本質即工程教育，以解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)為主線，以“學生為本、產出導向、持續(xù)改進”為核心理念，面向區(qū)域經濟發(fā)展需求培養(yǎng)人才[1]?；ヂ?lián)網的快速發(fā)展，促進了教學的信息化和多樣化。MOOC、SPOC等在線教學資源的建設，突破了教學的時空限制，促進了教學內容、方法、模式及教學管理體制機制的創(chuàng)新與變革[2]。基于此，圍繞硬件設計能力培養(yǎng)這一終極目標，對測控電路理論與實驗課程內容和教學組織形式進行反向設計，以任務驅動展開，以思政案例貫穿，多層級多路徑實施以學生為中心的教與學。

1 課程簡介

測控電路是根據(jù)高校儀器類教指委第一次會議精神確定的測控技術與儀器專業(yè)的重要課程，是部分高校儀器類和電子信息類研究生復試科目。本校的測控電路課程是測控技術與儀器專業(yè)核心課程，也可供自動化、電子信息等硬件類專業(yè)選學，包含理論課48學時，實驗課16學時。從2016年開始，實驗課單列，開設在第六學期。學習該課程時，學生已具備電路和電子技術基礎，通過本課程的學習，掌握放大、濾波、調制解調、信號轉換、驅動等常用電路的原理和類型。對標企業(yè)硬件工程師的要求，課程著重培養(yǎng)學生的讀圖能力；元器件參數(shù)計算能力；芯片選型能力；熟練使用EDA工具進行原理圖設計、仿真、PCB設計能力；使用儀器調試電路，定位故障能力；文檔寫作能力；團隊協(xié)作能力；解決復雜工程問題的能力。2017年之前，主要進行了該課程的仿真資源庫建設，2017年立項校級課程建設項目，開展網絡教學平臺資源建設，2019年通過驗收，開始SPOC教學，同年立項校級教改項目，進行對分課堂教學方式改革，至今完整運行三屆，2019年獲課堂教學創(chuàng)新三等獎，2021年獲校級教學成果一等獎。2019年，依托教育部協(xié)同育人項目，購買“A+D lab”雷實驗裝置，開始線上線下混合式實驗教學。測控電路“四位一體”混合式課程體系是多年積累的結果，是新工科人才培養(yǎng)理念和工程教育理念在專業(yè)課程中的應用體現(xiàn)。

2 課程教學存在的問題

第一，課程內容多，綜合性較強。測控電路理論課程中所學電路種類繁多，每種電路的功能性較強，需要將電路、模電、數(shù)電、傳感器等課程的知識與技能融合，參數(shù)計算復雜。第二，學生硬件功底和基礎較差，與企業(yè)需求脫節(jié)。高校電子類課程實驗裝置大都是實驗箱和實驗臺，學生芯片選用能力差，制作電路板時容易出錯，部分學生的電路調試思路不清晰，EDA輔助設計工具掌握不熟練，硬件基礎較差。第三，學生缺乏學習興趣，學習動力不足。測控電路因為教學內容體量龐大，對部分信號的處理以框圖形式呈現(xiàn)，較難看到電路實際處理效果，學生學習興趣和動力不足。

3 “四位一體”創(chuàng)新教學模式構建思路與舉措

3.1 創(chuàng)新思路

按照知識點和能力點對課程內容進行劃分，知識點通過網絡平臺練習題和課后作業(yè)來鞏固，能力點通過小組作業(yè)和實驗來訓練。理論教學時將大量教材框圖轉化成實際的電路原理圖并仿真演示，強化對電路原理和功能的理解。小組作業(yè)體現(xiàn)高階性，學生能在教師的引導下舉一反三，進行復雜的電路分析、參數(shù)計算、電路設計等。將課程難點做成微課視頻，部分概念內容引用學堂在線中的清華大學模擬電子技術課程微課視頻給學生自學。實驗項目全部改為設計型實驗，學生需進行方案設計、電路仿真、元器件購買、電路搭建和測試等工作，實驗中引入傳感器，增強實驗的可觀測性，提高學生興趣。教學過程中注重及時反饋，一方面及時解答對分課堂上學生提出的問題，另一方面通過制作視頻解答學生在大作業(yè)中存在的問題。另外，可將實驗成功的小組作品錄成視頻發(fā)布到班級微信群，闡述電路調試重點，幫助學生解決實驗中的問題，提升自信心。

以上課程設計思路如圖1所示，逐漸形成了在線學習空間、課堂學習空間、教學資源拓展、教學模型指導“四位一體”混合式課程體系?；诰W絡在線SPOC課程平臺、雨課堂互動平臺、“A+D Lab理工實驗室”雷實驗拓展平臺打造混合式在線學習空間；基于典型電路仿真，對分課堂教學方式組織小組討論、小組展示等打造互動式課堂學習空間；基于微課視頻庫、知識點超鏈接庫、思政案例庫、實驗案例庫等拓展混合式教學內容；基于ARCS模型設計混合式教學流程和活動。

圖1 課程設計思路Fig.1 Ideas of course deign

教學活動采用ARCS教學模型設計，其目的是調動學生的學習動機[3]，如圖2所示。任務驅動的小組作業(yè)、電路分析與仿真、雷實驗項目方案設計、元器件購買等主題任務提升同伴行為關注；過程性評價激勵學生主動參與學習和思辨；分層級任務布置和知識點超鏈接提高課程的高階性和挑戰(zhàn)度；全時間、全空間融入思政元素，引導價值塑造；全過程小組協(xié)作教學有利于提高團隊合作意識；師生雙向多輪實時互動反饋教學保證了課程的持續(xù)改進和創(chuàng)新；微課視頻推送掃清了部分學生的學習障礙；優(yōu)秀作業(yè)實名展示激勵學生認真做事，追求卓越的科學品質。

圖2 ARCS教學模型設計混合式教學活動Fig.2 Blended teaching activities of ARCS teaching model design

3.2 創(chuàng)新舉措

課程教學首先進行了全局規(guī)劃，隨著技術變革，按照每一章知識點在測控領域的重要性及知識本身特點規(guī)劃理論教學和實驗項目，其中放大、濾波、信號轉換和驅動控制幾乎是任意一個測控儀器都包含的內容。以信號濾波電路一章為例，說明課程的創(chuàng)新舉措。

第一，學情分析和目標設定。信號濾波知識點多，教學目標是學生能根據(jù)實際系統(tǒng)中的信號頻率和噪聲頻率設計合理的濾波器進行信號處理，提高測量精度。知識目標：掌握濾波器的分類、各性能指標的含義、常用的電路構成等。能力目標：掌握已知電路計算濾波器性能指標、能夠根據(jù)指標要求使用運放加外圍元器件設計滿足功能要求的濾波器、能夠使用集成濾波器芯片設計濾波電路。

第二，內容設計與資源整合。A.MOOC資源。各大慕課平臺上并沒有本課程的資源，但是部分章節(jié)可以使用電子技術課程的資源。本章使用了清華大學華成英教授的“有源濾波器概述”視頻作為課前推送。B.SPOC資源。在學校網絡教學平臺的測控電路課程資源中，包含知識點精講視頻、教學PPT、習題集、典型例題講解視頻和濾波器輔助設計軟件使用視頻等。C.思政案例資源。包括濾波的起源，濾波在電子技術、航天科學、控制工程及其他科學技術部門中的應用。從經典濾波到現(xiàn)代濾波的發(fā)展，激勵學生勇于突破思維定勢，在科技工作和創(chuàng)新中善于多維度思考，積極發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，勇于攻堅克難、勇于創(chuàng)新，樹立科技強國的責任感和使命感。D.實驗設計。本章需完成有源濾波器設計型實驗，教學資源包括實驗指導書、TI Filter Pro濾波器輔助設計軟件、A+D lab雷實驗套件(直流電源；信號發(fā)生器；雙線示波器；波特圖繪圖儀)、萬用表等。學生自行計算電路參數(shù)，購買元器件，搭建電路并完成測試，在線提交實驗報告。

第三，教學過程與實施方法，如圖3所示。

圖3 信號濾波章節(jié)教學實施過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of signal filtering teaching implementation process

第四，學習評價與教學反饋?？己朔绞綖檫^程性評價與期末考試相結合，通過關注學生的學習過程，促進混合式教學效果的提升。通過課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、實驗效果、問卷調查等多個時空維度綜合考察學生的學習能力和學習效果。測控電路實驗單列，理論課程平時成績占比40%，期末考試占比60%。理論課過程考核評價標準如表1所示。

表1 理論課過程考核評分細則Tab.1 Theory course process assessment scoring rules

實驗沒有單獨組織實驗考試，實驗課期末總成績?yōu)樗拇螌嶒灣煽兊钠骄??？傇u成績構成比例=實做成績(60%)+報告成績(20%)+答辯成績(20%)，如表2所示。

表2 實驗課考核評分細則Tab.2 Detailed rules for experimental class assessment scoring

學生學習反饋通過企業(yè)微信和在線教學平臺進行。大部分學生在學習、仿真、實驗中的問題，通過企業(yè)微信發(fā)送給老師解答。教師教學反饋主要通過課堂上的習題評講、優(yōu)秀作業(yè)展示進行，部分問題比較集中的地方通過錄制視頻解決，拓展學習資源鏈接有時也通過企業(yè)微信在班級群發(fā)布。

在課程結束后的問卷調查中，95.6%的學生認可線上線下混合式教學方式，98%的學生認為電路仿真分析輔助教學手段對知識的掌握有很大幫助，98%的學生認為本課程教師課前、課中和課后的安排合理，97%的學生認為經過一學期的學習收獲很大。對于課程實驗，學生給出了“最能鍛煉動手能力的一門實驗”“非常的好，很合理”“教師講解得很到位，通過自己努力也得到了實驗結果，收獲很多”“很好，不需要改進，希望對下一屆更加嚴格要求”等評語。部分教學過程展示如圖4所示。

圖4 教學過程圖片展示Fig.4 Picture display of teaching process

3.3 創(chuàng)新點總結

本課程在“互聯(lián)網+”教育背景下，針對工程專業(yè)培養(yǎng)目標及學生能力需求，提出“四位一體”混合式課程體系。創(chuàng)新點主要包括：第一，“分”層施教，精準教學。圍繞典型電路的分析和設計，基于在線學習空間拓展討論問題和微課知識點推送，雷實驗項目設計及精準指導，實現(xiàn)了“分”層施教，精準教學。小組課后拓展任務，保證了課程的高階性，學生資料查找能力、仿真軟件使用能力、設計創(chuàng)造能力等得到鍛煉，有力支撐了后續(xù)的課程設計和畢業(yè)設計。第二，“互”動教學，及時反饋。基于課堂學習空間的對分討論課堂，小組分別展示自己的“亮考幫”，對于“幫幫我”的問題，組間不能互答時，教師將及時解答，實現(xiàn)了學習實時反饋，達成了智慧互動教學。針對大作業(yè)中的共性問題，教師制作視頻進行有效指導。實驗前和實驗中的精準指導，幫助學生克服動手中的思路問題，建立學習自信，提升了課程滿意度。第三，“混”合案例，合作育人。基于教學資源拓展的實驗案例分析、思政案例、公眾號優(yōu)質科普文章、最新實用工具和器件的相關介紹，形成了有溫度、有廣度的混合式課堂。學生實現(xiàn)了價值塑造，積極完成雷實驗任務、工程案例報告，提升了調試工具使用能力、故障定位能力，達成了課內外拓展提升。學生課上、課下積極開展互助學習、交流討論，達成了主動思辨的教學效果提升。

4 結語

課程建設和教學改革是師生雙向互動下動態(tài)提升的過程，在后續(xù)教學實踐中，除方案設計、原理圖設計和實物電路搭建測試外，將增加PCB設計內容，結合競賽和產教融合項目，強化硬件設計能力培養(yǎng)，學生將在課程群中完成硬件設計的全過程，對接企業(yè)需求。測控電路“四位一體”混合式課程體系是新工科人才培養(yǎng)理念和工程教育理念在專業(yè)課程中的應用體現(xiàn)，圍繞硬件設計能力培養(yǎng)這一目標，對課程內容和教學組織形式進行反向設計，并在教學模型的指導下科學組織實施，最終達成產出目標。本課程的創(chuàng)新思路對其他新工科混合式課程的教學設計具有參考價值，具有一定的可推廣性和可復制性。