談高校電工電子類課程教學改革

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摘要:電工電子類課程作為多數工科的基礎課程，成熟且不斷創(chuàng)新。目前，高校在電工電子類課程教學方面不斷積累經驗，提出開展技術促進的教學改革，加強開放式、研究性教學方式在實驗實踐教學的推廣，加強自主分析、綜合設計的教學方式在實驗實踐教學的應用，加強開放多元的教學方式在實驗實踐教學的應用。最后結合實際案例，說明理論教學改革和實驗教學改革對增強學生自主學習具有重要啟示功能。

關鍵詞:電工電子;技術促進;多元開放;課程教學改革

2018年11月24日舉行的第十一屆“中國大學教學論壇”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工科傳統(tǒng)課程的教學法［1］。近年來，隨著高等教育教學改革不斷深入，以教師授課為主向以學生自學為主的教學方式的探索也越來越深入。涌現出被廣泛認可的教學方法，比如，采用啟發(fā)式教學，讓學生自主制定學習任務、學習時間，并進行自主學習;在課堂中及時做筆記，完成指定的任務;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)學生的興趣，鍛煉學生的能力。學生的自學能力的直接關系著教學方法以及教學目標的實現，充分發(fā)揮自主學習能力是創(chuàng)造能力以及發(fā)展其他各種能力的前提條件。［2］

一、開展技術促進的教學改革

傳統(tǒng)的理論課程教學方法主要基于粉筆和黑板講解，實驗課程教學方法主要基于“動手感受”的教學，學生通過問題來清楚地了解主要概念。實際教學過程中，由于技術和數學內容要求較高，學生更傾向記憶變量和表達式，恰恰忘記了主要概念和物理原理。實際經驗表明，盡管相應的理論已經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施設備和實驗的程序，學生在來到實驗室進行實驗時通常還是會遇到困難。此外，學生的思維、分析和解決問題的能力在常規(guī)教學中并未被重視，導致教學動機偏差和互動程度低。

(一)重視引入計算機輔助分析與設計將現代技術充分運用到教育領域，利用技術進步改進教學方法，在實際教學過程中，引進計算機技術，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中輔助作用，將電路設計中的FPGA的使用以及嵌入式系統(tǒng)的教學方法引入課程教學改革中，加強電工電子類課程家教學現代化。以問題為導向，以應用為目標，以計算機技術為手段，將軟件與硬件相互結合，在教授學生電工電子課程原理和方法的同時，教會學生利用計算機軟件進行輔助分析和設計。

(二)重視原理結構的模擬仿真實際教學中，明顯存在以下現象: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調程序知識，例如計算電路中的電流、電壓或響應時間，并使用該電路在電子系統(tǒng)中產生時間延遲;而數學老師很少在課堂上展示物理或電子的例子。這種現象割裂了知識和技術，恰恰是分析方法的局限性。在實際教學過程中，限于專業(yè)背景及知識架構，不能指望物理或數學老師做大的調整，電工電子老師應主動改革教學方法。電工電子設備的原理結構是非常重要的，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學生講解透徹，學生學習理解起來也相對困難。實際教學改革過程中，為了使學生能夠對電工電子設備全面、深刻且形象的理解，利用計算機虛擬系統(tǒng)對設備的結構和原理進行模擬仿真。公共計算機軟件創(chuàng)設出了真實的設備內部環(huán)境，電腦平布可以顯示操作設備內部的原理結構圖，內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設備內部的電流方向、信號轉換、調制解調、數模變換等電子信息領域常見的基本變化。學生通過形象的畫面更好地了解設備的內部結構，從內而外地對所學習的設備進行更深刻的了解與掌握。

二、實驗實踐教學的改革嘗試

如今，新技術革命給教育學帶來了快速的進步。云計算，邊緣計算和5G網絡的普及為移動教育的發(fā)展提供了新的機遇，使終身教育和碎片化教育成為可能。同時，人工智能(AI)和大數據技術的全球應用正在改變教育技術的研究領域，并將在個性化教育和教學改革中帶來新的教育范式。STEM教育恰好表達了以綜合的方式教授科學、技術、工程和數學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、聲波和電磁波。第二，電工電子課程在很大程度上基于數學理論，例如代數、幾何、三角學、對數、指數函數、微積分和微分方程。第三，電工電子專業(yè)是主要的工程領域之一，它涉及使用科學和數學工具進行基于規(guī)范的系統(tǒng)設計，優(yōu)化材料和能源的使用，并分析產品和系統(tǒng)的安全性和可靠性。第四，電工電子學與控制系統(tǒng)的分析和設計密切相關，這也是基于數學和物理的綜合。因此，電工電子類課程教學非常適合STEM教育。［3］

(一)加強開放式、研究性、創(chuàng)業(yè)型教學方式在實驗實踐教學的推廣在電工電子技術快速發(fā)展的時代，要求技術人員需要具備優(yōu)良的理論基礎以及豐富的實踐經驗。在實驗教學方法改革方面，建立了以學生作為主體，將能力培養(yǎng)作為重要內容，實行啟發(fā)式、自主探究式的教學模式。例如，基于DSP以及EDA的創(chuàng)新組合實驗，學生根據產品設計的要求，采用自己設計開發(fā)的模塊在實驗臺進行驗證和分析。［4］重點帶領學生將學習到的知識轉變成為獲取知識的能力、應用知識的能力以及創(chuàng)新能力。創(chuàng)設開放式、研究性、創(chuàng)業(yè)型教學方式，加強培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和意識，強化學生的動手能力，提升學生的綜合素養(yǎng)，使學生從知識型轉變成為能力型，從專業(yè)型轉變成為素質型，從適應型轉變成為創(chuàng)造型。幫助學生緊跟時代的腳步，順應時代的發(fā)展，全面提升電工電子專業(yè)人才的培養(yǎng)質量。［5］

(二)加強自主分析、綜合設計的教學方式在實驗實踐教學的應用在過去，電工電子課程通常是從學習特定的部件，如電阻器、電容器、二極管和晶體管開始的。在實驗室里，學生們通過“實驗”，驗證組件的特性或構建簡單的模擬和數字電路。然而，在前幾年的實驗教學過程中，對電子產品采用這種方式教學，對學生越來越沒有吸引力，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、運行方式、電路原理等。然后，學生才可能會了解和測試系統(tǒng)中更緊密的特定組件，如麥克風或放大器。只有主修電子專業(yè)的學生才會在稍后詳細了解電子電路和元件。上述電工電子學教學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)”的教學方法。［6］實驗教學從最基礎的“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)，顯然是不現實的。因此，要對實驗課程進行重新改革和調整。在實驗內容上減縮驗證性實驗，添加綜合性、設計性等開放性實驗教學的內容，促使實驗教學內容體系整體優(yōu)化，使得重新組合的實驗教學內容體系成為比較獨立的教學體系。有獨立的教材、獨立的學分，鼓舞學生主動提出更加高效的實驗解決方案，有助于培養(yǎng)學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，客觀上迫使學生花費更多時間進行自主實驗，幫助學生夯實基礎，提升學生的創(chuàng)新能力以及實踐能力，有助于實現培養(yǎng)實踐型人才的宗旨，強化專業(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)散學生思維空間，強化學生創(chuàng)新能力。［8］

(三)加強開放多元的教學方式在實驗實踐教學的應用利用課程設計、大學生競賽，參與教師科研項目等活動，在選題、構思、方案比選、實施、撰寫等多環(huán)節(jié)方面逐步引導學生，培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。創(chuàng)設固定的校外專業(yè)實習、培訓基地，為學生提供實踐鍛煉平臺。創(chuàng)設長時間開放實驗室，實現在時間、空間上的全方位開放，培養(yǎng)學生基本的實驗技能和利用所學知識進行綜合設計的能力。通過參與大學生競賽，教師科研項目等活動，學生綜合能力得到鍛煉，僅2020年，就獲得了一系列成果。例如，指導學生獲得了計算機軟件著作權1項;授權實用新型專利1項;獲得2020年安徽省機器人大賽二等獎;獲得2020年安徽省第六屆“互聯(lián)網+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銅獎;獲得2020年第九屆“挑戰(zhàn)杯”安徽省大學生創(chuàng)業(yè)計劃競賽銅獎;獲得2020年第十五屆“全國大學生智能汽車競賽”安徽賽區(qū)普通四輪組三等獎;獲得2020年黃山學院第三屆“大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽”二等獎1項，三等獎1項;指導國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育訓練計劃項目2項。以上是在2020年指導的3個小組取得的成績。當作教改總結時，課題組老師們普遍感到振奮，可以想象，如果真正全面實現這種開放多元的教學改革，對釋放學生的創(chuàng)造力將產生極為重要的推動作用，也必將真正使得自主學習在學生內心生根發(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方式對學生綜合能力的提高的確起到顯著的作用。

三、課程教學改革的經驗

在實際課程教學活動中，學生在頭腦風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得尤為顯著。老師一旦給予學生機會思考和預測機器在所呈現的場景中的行為時，學生就會主動模擬，并在相應界面上出現運行結果，進而獲得可視化變量。這種在理論教學中，學生通過自主探索并成功驗證理論結論的過程，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，參與過電工電子項目的學生傾向于:采用靈活的策略，創(chuàng)造新的想法，如即興冒險、愿意試錯、迅速從一種設計轉向另一種設計、學生之間互補知識、共同討論想法等特質。相反，未參與過電工電子項目的學生更有可能沿著線性路徑前進:規(guī)劃、構建、故障排除和改進。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，這種在實驗室內開發(fā)的這種想法過于理想，因為學生數過多。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，最大限度地實現了學生的“動手”鍛煉，可以認為是在虛擬場景中引入了真實元素。此外，學生也有機會對比模擬和實驗結果，具有很大的形成價值。

作者：李錚 趙年順 周云艷 單位：黃山學院信息工程學院