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(shè)的新產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的邏輯本質(zhì)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(chǎn)出導向、持續(xù)改進”為核心理念，面向區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展需求培養(yǎng)人才[1]?；ヂ?lián)網(wǎng)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(shè)，突破了教學的時空限制，促進了教學內(nèi)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(shè)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(nèi)容和教學組織形式進行反向設(shè)計，以任務驅(qū)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(shù)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(shù)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(shè)在第六學期。學習該課程時，學生已具備電路和電子技術(shù)基礎(chǔ)，通過本課程的學習，掌握放大、濾波、調(diào)制解調(diào)、信號轉(zhuǎn)換、驅(qū)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(shè)計、仿真、PCB設(shè)計能力；使用儀器調(diào)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(shè)，2017年立項校級課程建設(shè)項目，開展網(wǎng)絡教學平臺資源建設(shè)，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(jié)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(nèi)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(chǔ)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(diào)試思路不清晰，EDA輔助設(shè)計工具掌握不熟練，硬件基礎(chǔ)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(nèi)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(gòu)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(nèi)容進行劃分，知識點通過網(wǎng)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(zhuǎn)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(shè)計等。將課程難點做成微課視頻，部分概念內(nèi)容引用學堂在線中的清華大學模擬電子技術(shù)課程微課視頻給學生自學。實驗項目全部改為設(shè)計型實驗，學生需進行方案設(shè)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(diào)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(shè)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。基于網(wǎng)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(nèi)容；基于ARCS模型設(shè)計混合式教學流程和活動。

圖1 課程設(shè)計思路Fig.1 Ideas of course deign

教學活動采用ARCS教學模型設(shè)計，其目的是調(diào)動學生的學習動機[3]，如圖2所示。任務驅(qū)動的小組作業(yè)、電路分析與仿真、雷實驗項目方案設(shè)計、元器件購買等主題任務提升同伴行為關(guān)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(zhì)。

圖2 ARCS教學模型設(shè)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(shù)變革，按照每一章知識點在測控領(lǐng)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(zhuǎn)換和驅(qū)動控制幾乎是任意一個測控儀器都包含的內(nèi)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(shè)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(shè)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(gòu)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(shè)計滿足功能要求的濾波器、能夠使用集成濾波器芯片設(shè)計濾波電路。

第二，內(nèi)容設(shè)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(shù)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(wǎng)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(shè)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(shù)、航天科學、控制工程及其他科學技術(shù)部門中的應用。從經(jīng)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(shè)計。本章需完成有源濾波器設(shè)計型實驗，教學資源包括實驗指導書、TI Filter Pro濾波器輔助設(shè)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。考核方式為過程性評價與期末考試相結(jié)合，通過關(guān)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(diào)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?。總評成績構(gòu)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(jié)束后的問卷調(diào)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(jīng)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(jié)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(jié)

本課程在“互聯(lián)網(wǎng)+”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(shè)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(shè)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(shè)計創(chuàng)造能力等得到鍛煉，有力支撐了后續(xù)的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計。第二，“互”動教學，及時反饋?；谡n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(zhì)科普文章、最新實用工具和器件的相關(guān)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(diào)試工具使用能力、故障定位能力，達成了課內(nèi)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(jié)語

課程建設(shè)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(shè)計、原理圖設(shè)計和實物電路搭建測試外，將增加PCB設(shè)計內(nèi)容，結(jié)合競賽和產(chǎn)教融合項目，強化硬件設(shè)計能力培養(yǎng)，學生將在課程群中完成硬件設(shè)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(shè)計能力培養(yǎng)這一目標，對課程內(nèi)容和教學組織形式進行反向設(shè)計，并在教學模型的指導下科學組織實施，最終達成產(chǎn)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(shè)計具有參考價值，具有一定的可推廣性和可復制性。