高校電工電子類課程教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)

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摘要:電工電子類課程作為多數(shù)工科的基礎(chǔ)課程，成熟且不斷創(chuàng)新。目前，高校在電工電子類課程教學(xué)方面不斷積累經(jīng)驗(yàn)，提出開展技術(shù)促進(jìn)的教學(xué)改革，加強(qiáng)開放式、研究性教學(xué)方式在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的推廣，加強(qiáng)自主分析、綜合設(shè)計(jì)的教學(xué)方式在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用，加強(qiáng)開放多元的教學(xué)方式在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用。最后結(jié)合實(shí)際案例，說明理論教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革對增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)具有重要啟示功能。

關(guān)鍵詞:電工電子;技術(shù)促進(jìn);多元開放;課程教學(xué)改革

2018年11月24日舉行的第十一屆“中國大學(xué)教學(xué)論壇”上，教育部高等教育司司長吳巖表示，課程是人才培養(yǎng)的核心要素，是教育的微觀問題，解決的卻是戰(zhàn)略大問題。迫切需要加快工程教育改革創(chuàng)新，客觀上要求各高校重新建構(gòu)工科傳統(tǒng)課程的教學(xué)法［1］。近年來，隨著高等教育教學(xué)改革不斷深入，以教師授課為主向以學(xué)生自學(xué)為主的教學(xué)方式的探索也越來越深入。涌現(xiàn)出被廣泛認(rèn)可的教學(xué)方法，比如，采用啟發(fā)式教學(xué)，讓學(xué)生自主制定學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)時(shí)間，并進(jìn)行自主學(xué)習(xí);在課堂中及時(shí)做筆記，完成指定的任務(wù);在實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目研究中逐步提升自身的創(chuàng)造能力;采取專題講座、課堂討論等方式培養(yǎng)學(xué)生的興趣，鍛煉學(xué)生的能力。學(xué)生的自學(xué)能力的直接關(guān)系著教學(xué)方法以及教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮自主學(xué)習(xí)能力是創(chuàng)造能力以及發(fā)展其他各種能力的前提條件。［2］

一、開展技術(shù)促進(jìn)的教學(xué)改革

傳統(tǒng)的理論課程教學(xué)方法主要基于粉筆和黑板講解，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法主要基于“動手感受”的教學(xué)，學(xué)生通過問題來清楚地了解主要概念。實(shí)際教學(xué)過程中，由于技術(shù)和數(shù)學(xué)內(nèi)容要求較高，學(xué)生更傾向記憶變量和表達(dá)式，恰恰忘記了主要概念和物理原理。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，盡管相應(yīng)的理論已經(jīng)在課堂上得到了廣泛的介紹，并通過實(shí)驗(yàn)講義描述了實(shí)驗(yàn)室設(shè)施設(shè)備和實(shí)驗(yàn)的程序，學(xué)生在來到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)通常還是會遇到困難。此外，學(xué)生的思維、分析和解決問題的能力在常規(guī)教學(xué)中并未被重視，導(dǎo)致教學(xué)動機(jī)偏差和互動程度低。

(一)重視引入計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)

將現(xiàn)代技術(shù)充分運(yùn)用到教育領(lǐng)域，利用技術(shù)進(jìn)步改進(jìn)教學(xué)方法，在實(shí)際教學(xué)過程中，引進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)，是一個(gè)很好的嘗試。重視EDA軟件、DSP、MATLAB的分析以及仿真軟件在實(shí)踐教學(xué)中輔助作用，將電路設(shè)計(jì)中的FPGA的使用以及嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)方法引入課程教學(xué)改革中，加強(qiáng)電工電子類課程家教學(xué)現(xiàn)代化。以問題為導(dǎo)向，以應(yīng)用為目標(biāo)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為手段，將軟件與硬件相互結(jié)合，在教授學(xué)生電工電子課程原理和方法的同時(shí)，教會學(xué)生利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行輔助分析和設(shè)計(jì)。

(二)重視原理結(jié)構(gòu)的模擬仿真

實(shí)際教學(xué)中，明顯存在以下現(xiàn)象:物理教師傾向于培養(yǎng)概念知識，例如電容器中電場和能量的變化;電工電子教師往往強(qiáng)調(diào)程序知識，例如計(jì)算電路中的電流、電壓或響應(yīng)時(shí)間，并使用該電路在電子系統(tǒng)中產(chǎn)生時(shí)間延遲;而數(shù)學(xué)老師很少在課堂上展示物理或電子的例子。這種現(xiàn)象割裂了知識和技術(shù)，恰恰是分析方法的局限性。在實(shí)際教學(xué)過程中，限于專業(yè)背景及知識架構(gòu)，不能指望物理或數(shù)學(xué)老師做大的調(diào)整，電工電子老師應(yīng)主動改革教學(xué)方法。電工電子設(shè)備的原理結(jié)構(gòu)是非常重要的，二維靜態(tài)的圖片加上文字描述的知識，很難將抽象的問題向?qū)W生講解透徹，學(xué)生學(xué)習(xí)理解起來也相對困難。實(shí)際教學(xué)改革過程中，為了使學(xué)生能夠?qū)﹄姽る娮釉O(shè)備全面、深刻且形象的理解，利用計(jì)算機(jī)虛擬系統(tǒng)對設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行模擬仿真。公共計(jì)算機(jī)軟件創(chuàng)設(shè)出了真實(shí)的設(shè)備內(nèi)部環(huán)境，電腦平布可以顯示操作設(shè)備內(nèi)部的原理結(jié)構(gòu)圖，內(nèi)部線路以及外部操作按鈕之間的聯(lián)系，并且能用動畫的形式展現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部的電流方向、信號轉(zhuǎn)換、調(diào)制解調(diào)、數(shù)模變換等電子信息領(lǐng)域常見的基本變化。學(xué)生通過形象的畫面更好地了解設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從內(nèi)而外地對所學(xué)習(xí)的設(shè)備進(jìn)行更深刻的了解與掌握。

二、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的改革嘗試

如今，新技術(shù)革命給教育學(xué)帶來了快速的進(jìn)步。云計(jì)算，邊緣計(jì)算和5G網(wǎng)絡(luò)的普及為移動教育的發(fā)展提供了新的機(jī)遇，使終身教育和碎片化教育成為可能。同時(shí)，人工智能(AI)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的全球應(yīng)用正在改變教育技術(shù)的研究領(lǐng)域，并將在個(gè)性化教育和教學(xué)改革中帶來新的教育范式。STEM教育恰好表達(dá)了以綜合的方式教授科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)科目而不是作為單獨(dú)的科目的想法。第一，電工電子課程依賴物理知識和概念，例如電荷、場、電流、電壓、電磁學(xué)、聲波和電磁波。第二，電工電子課程在很大程度上基于數(shù)學(xué)理論，例如代數(shù)、幾何、三角學(xué)、對數(shù)、指數(shù)函數(shù)、微積分和微分方程。第三，電工電子專業(yè)是主要的工程領(lǐng)域之一，它涉及使用科學(xué)和數(shù)學(xué)工具進(jìn)行基于規(guī)范的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化材料和能源的使用，并分析產(chǎn)品和系統(tǒng)的安全性和可靠性。第四，電工電子學(xué)與控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)密切相關(guān)，這也是基于數(shù)學(xué)和物理的綜合。因此，電工電子類課程教學(xué)非常適合STEM教育。［3］

(一)加強(qiáng)開放式、研究性、創(chuàng)業(yè)型教學(xué)方式在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的推廣

在電工電子技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，要求技術(shù)人員需要具備優(yōu)良的理論基礎(chǔ)以及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革方面，建立了以學(xué)生作為主體，將能力培養(yǎng)作為重要內(nèi)容，實(shí)行啟發(fā)式、自主探究式的教學(xué)模式。例如，基于DSP以及EDA的創(chuàng)新組合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，采用自己設(shè)計(jì)開發(fā)的模塊在實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行驗(yàn)證和分析。［4］重點(diǎn)帶領(lǐng)學(xué)生將學(xué)習(xí)到的知識轉(zhuǎn)變成為獲取知識的能力、應(yīng)用知識的能力以及創(chuàng)新能力。創(chuàng)設(shè)開放式、研究性、創(chuàng)業(yè)型教學(xué)方式，加強(qiáng)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和意識，強(qiáng)化學(xué)生的動手能力，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，使學(xué)生從知識型轉(zhuǎn)變成為能力型，從專業(yè)型轉(zhuǎn)變成為素質(zhì)型，從適應(yīng)型轉(zhuǎn)變成為創(chuàng)造型。幫助學(xué)生緊跟時(shí)代的腳步，順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，全面提升電工電子專業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量。［5］

(二)加強(qiáng)自主分析、綜合設(shè)計(jì)的教學(xué)方式在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用

在過去，電工電子課程通常是從學(xué)習(xí)特定的部件，如電阻器、電容器、二極管和晶體管開始的。在實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生們通過“實(shí)驗(yàn)”，驗(yàn)證組件的特性或構(gòu)建簡單的模擬和數(shù)字電路。然而，在前幾年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，對電子產(chǎn)品采用這種方式教學(xué)，對學(xué)生越來越?jīng)]有吸引力，因?yàn)樗麄冃枰獛讉€(gè)月甚至更長時(shí)間才能從日常生活中了解實(shí)用的電子設(shè)備。另一種方法是通過教授熟悉的電工電子系統(tǒng)，比如從聲音系統(tǒng)切入電工電子課程。在實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生可以處理組裝一個(gè)系統(tǒng)，驗(yàn)證并檢查它的屬性，或者添加連接來聽智能手機(jī)上的音樂，以便從各個(gè)方面全面了解聲音系統(tǒng)的組成、功能、運(yùn)行方式、電路原理等。然后，學(xué)生才可能會了解和測試系統(tǒng)中更緊密的特定組件，如麥克風(fēng)或放大器。只有主修電子專業(yè)的學(xué)生才會在稍后詳細(xì)了解電子電路和元件。上述電工電子學(xué)教學(xué)方法的變化可以被稱為“從系統(tǒng)到組件”的范式，而不是傳統(tǒng)的“從組件到系統(tǒng)”的教學(xué)方法。［6］實(shí)驗(yàn)教學(xué)從最基礎(chǔ)的“演示”到“驗(yàn)證”，再到“分析”“綜合”等，如果實(shí)驗(yàn)課堂遍歷這些環(huán)節(jié)，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此，要對實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行重新改革和調(diào)整。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上減縮驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，添加綜合性、設(shè)計(jì)性等開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系整體優(yōu)化，使得重新組合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系成為比較獨(dú)立的教學(xué)體系。有獨(dú)立的教材、獨(dú)立的學(xué)分，鼓舞學(xué)生主動提出更加高效的實(shí)驗(yàn)解決方案，有助于培養(yǎng)學(xué)生自主分析以及解決問題的能力、實(shí)踐動手能力、主動探究的初步科研精神。［7］在整合之后減少了必須要做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增加了選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，客觀上迫使學(xué)生花費(fèi)更多時(shí)間進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生夯實(shí)基礎(chǔ)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力以及實(shí)踐能力，有助于實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)實(shí)踐型人才的宗旨，強(qiáng)化專業(yè)主干實(shí)驗(yàn)課實(shí)踐創(chuàng)新教育功能，分層次分步驟開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，發(fā)散學(xué)生思維空間，強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新能力。［8］

(三)加強(qiáng)開放多元的教學(xué)方式在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用

利用課程設(shè)計(jì)、大學(xué)生競賽，參與教師科研項(xiàng)目等活動，在選題、構(gòu)思、方案比選、實(shí)施、撰寫等多環(huán)節(jié)方面逐步引導(dǎo)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。創(chuàng)設(shè)固定的校外專業(yè)實(shí)習(xí)、培訓(xùn)基地，為學(xué)生提供實(shí)踐鍛煉平臺。創(chuàng)設(shè)長時(shí)間開放實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)在時(shí)間、空間上的全方位開放，培養(yǎng)學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技能和利用所學(xué)知識進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的能力。通過參與大學(xué)生競賽，教師科研項(xiàng)目等活動，學(xué)生綜合能力得到鍛煉，僅2020年，就獲得了一系列成果。例如，指導(dǎo)學(xué)生獲得了計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)1項(xiàng);授權(quán)實(shí)用新型專利1項(xiàng);獲得2020年安徽省機(jī)器人大賽二等獎;獲得2020年安徽省第六屆“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銅獎;獲得2020年第九屆“挑戰(zhàn)杯”安徽省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計(jì)劃競賽銅獎;獲得2020年第十五屆“全國大學(xué)生智能汽車競賽”安徽賽區(qū)普通四輪組三等獎;獲得2020年黃山學(xué)院第三屆“大學(xué)生節(jié)能減排社會實(shí)踐與科技競賽”二等獎1項(xiàng)，三等獎1項(xiàng);指導(dǎo)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)。以上是在2020年指導(dǎo)的3個(gè)小組取得的成績。當(dāng)作教改總結(jié)時(shí)，課題組老師們普遍感到振奮，可以想象，如果真正全面實(shí)現(xiàn)這種開放多元的教學(xué)改革，對釋放學(xué)生的創(chuàng)造力將產(chǎn)生極為重要的推動作用，也必將真正使得自主學(xué)習(xí)在學(xué)生內(nèi)心生根發(fā)芽，幫助他們以后獲得更大的持續(xù)的增長。這些成績充分說明了開放多元的教學(xué)方式對學(xué)生綜合能力的提高的確起到顯著的作用。

三、課程教學(xué)改革的經(jīng)驗(yàn)

在實(shí)際課程教學(xué)活動中，學(xué)生在頭腦風(fēng)暴階段顯示出高度的參與和熱情，這一點(diǎn)在收集最終觀點(diǎn)時(shí)表現(xiàn)得尤為顯著。老師一旦給予學(xué)生機(jī)會思考和預(yù)測機(jī)器在所呈現(xiàn)的場景中的行為時(shí)，學(xué)生就會主動模擬，并在相應(yīng)界面上出現(xiàn)運(yùn)行結(jié)果，進(jìn)而獲得可視化變量。這種在理論教學(xué)中，學(xué)生通過自主探索并成功驗(yàn)證理論結(jié)論的過程，令課題組老師們感到驚訝和振奮。此外，在教改活動中明顯發(fā)現(xiàn)，參與過電工電子項(xiàng)目的學(xué)生傾向于:采用靈活的策略，創(chuàng)造新的想法，如即興冒險(xiǎn)、愿意試錯、迅速從一種設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向另一種設(shè)計(jì)、學(xué)生之間互補(bǔ)知識、共同討論想法等特質(zhì)。相反，未參與過電工電子項(xiàng)目的學(xué)生更有可能沿著線性路徑前進(jìn):規(guī)劃、構(gòu)建、故障排除和改進(jìn)。除了對幾個(gè)概念的解釋外，如果所提出的情景與實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況相似，于是便想同時(shí)解釋理論、模擬和實(shí)際部分，這種在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開發(fā)的這種想法過于理想，因?yàn)閷W(xué)生數(shù)過多。因此模擬是目前作為理論和實(shí)驗(yàn)部分之間的相對最好的中間步驟。通過模擬，最大限度地實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的“動手”鍛煉，可以認(rèn)為是在虛擬場景中引入了真實(shí)元素。此外，學(xué)生也有機(jī)會對比模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具有很大的形成價(jià)值。

作者：李錚 趙年順 周云艷 單位：黃山學(xué)院信息工程學(xué)院