談高校電工電子類課程教學(xué)改革

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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，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)方式在實驗實踐教學(xué)的推廣，加強(qiáng)自主分析、綜合設(shè)計的教學(xué)方式在實驗實踐教學(xué)的應(yīng)用，加強(qiáng)開放多元的教學(xué)方式在實驗實踐教學(xué)的應(yīng)用。最后結(jié)合實際案例，說明理論教學(xué)改革和實驗教學(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)時間，并進(jìn)行自主學(xué)習(xí);在課堂中及時做筆記，完成指定的任務(wù);在實驗和項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，實驗課程教學(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。實際經(jīng)驗表明，盡管相應(yīng)的理論已經(jīng)在課堂上得到了廣泛的介紹，并通過實驗講義描述了實驗室設(shè)施設(shè)備和實驗的程序，學(xué)生在來到實驗室進(jìn)行實驗時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)重視引入計算機(jī)輔助分析與設(shè)計將現(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，在實際教學(xué)過程中，引進(jìn)計算機(jī)技術(shù)，是一個很好的嘗試。重視EDA軟件、DSP、MATLAB的分析以及仿真軟件在實踐教學(xué)中輔助作用，將電路設(shè)計中的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，教會學(xué)生利用計算機(jī)軟件進(jìn)行輔助分析和設(shè)計。

(二)重視原理結(jié)構(gòu)的模擬仿真實際教學(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，例如計算電路中的電流、電壓或響應(yīng)時間，并使用該電路在電子系統(tǒng)中產(chǎn)生時間延遲;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。公共計算機(jī)軟件創(chuàng)設(shè)出了真實的設(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、實驗實踐教學(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。云計算，邊緣計算和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，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，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)方式在實驗實踐教學(xué)的推廣在電工電子技術(shù)快速發(fā)展的時代，要求技術(shù)人員需要具備優(yōu)良的理論基礎(chǔ)以及豐富的實踐經(jīng)驗。在實驗教學(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)新組合實驗，學(xué)生根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的要求，采用自己設(shè)計開發(fā)的模塊在實驗臺進(jìn)行驗證和分析。［4］重點帶領(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)生緊跟時代的腳步，順應(yīng)時代的發(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)計的教學(xué)方式在實驗實踐教學(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。在實驗室里，學(xué)生們通過“實驗”，驗證組件的特性或構(gòu)建簡單的模擬和數(shù)字電路。然而，在前幾年的實驗教學(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，因為他們需要幾個月甚至更長時間才能從日常生活中了解實用的電子設(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。在實驗室里，學(xué)生可以處理組裝一個系統(tǒng)，驗證并檢查它的屬性，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］實驗教學(xué)從最基礎(chǔ)的“演示”到“驗證”，再到“分析”“綜合”等，如果實驗課堂遍歷這些環(huán)節(jié)，顯然是不現(xiàn)實的。因此，要對實驗課程進(jìn)行重新改革和調(diào)整。在實驗內(nèi)容上減縮驗證性實驗，添加綜合性、設(shè)計性等開放性實驗教學(xué)的內(nèi)容，促使實驗教學(xué)內(nèi)容體系整體優(yōu)化，使得重新組合的實驗教學(xué)內(nèi)容體系成為比較獨立的教學(xué)體系。有獨立的教材、獨立的學(xué)分，鼓舞學(xué)生主動提出更加高效的實驗解決方案，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驗項目，增加了選做實驗項目，客觀上迫使學(xué)生花費更多時間進(jìn)行自主實驗，幫助學(xué)生夯實基礎(chǔ)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力以及實踐能力，有助于實現(xiàn)培養(yǎng)實踐型人才的宗旨，強(qiáng)化專業(yè)主干實驗課實踐創(chuàng)新教育功能，分層次分步驟開展創(chuàng)新實驗項目，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)方式在實驗實踐教學(xué)的應(yīng)用利用課程設(shè)計、大學(xué)生競賽，參與教師科研項目等活動，在選題、構(gòu)思、方案比選、實施、撰寫等多環(huán)節(jié)方面逐步引導(dǎo)學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。創(chuàng)設(shè)固定的校外專業(yè)實習(xí)、培訓(xùn)基地，為學(xué)生提供實踐鍛煉平臺。創(chuàng)設(shè)長時間開放實驗室，實現(xiàn)在時間、空間上的全方位開放，培養(yǎng)學(xué)生基本的實驗技能和利用所學(xué)知識進(jìn)行綜合設(shè)計的能力。通過參與大學(xué)生競賽，教師科研項目等活動，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)生獲得了計算機(jī)軟件著作權(quán)1項;授權(quán)實用新型專利1項;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)能減排社會實踐與科技競賽”二等獎1項，三等獎1項;指導(dǎo)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育訓(xùn)練計劃項目2項。以上是在2020年指導(dǎo)的3個小組取得的成績。當(dāng)作教改總結(jié)時，課題組老師們普遍感到振奮，可以想象，如果真正全面實現(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

在實際課程教學(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，這一點在收集最終觀點時表現(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，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、愿意試錯、迅速從一種設(shè)計轉(zhuǎn)向另一種設(shè)計、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)。除了對幾個概念的解釋外，如果所提出的情景與實驗室的實際情況相似，于是便想同時解釋理論、模擬和實際部分，這種在實驗室內(nèi)開發(fā)的這種想法過于理想，因為學(xué)生數(shù)過多。因此模擬是目前作為理論和實驗部分之間的相對最好的中間步驟。通過模擬，最大限度地實現(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元素。此外，學(xué)生也有機(jī)會對比模擬和實驗結(jié)果，具有很大的形成價值。

作者：李錚 趙年順 周云艷 單位：黃山學(xué)院信息工程學(xué)院