高等院校教學設計創(chuàng)新大賽特等獎展示：電路原理

高等院校教學設計創(chuàng)新大賽特等獎展示：電路原理一、課程教學設計方案（整門課程的教學設計）1.學情分析與課程目標“電路原理”是我校電類專業(yè)學生必修的第一門專業(yè)基礎課，課程通常在大一下學期進行授課。上課學生量大面廣，每年全校上課人數(shù)在500人左右，分別來自電氣工程、自動化、軟件工程、計算機科學與技術等專業(yè)，課程內(nèi)容掌握情況對后續(xù)課程（如模擬電子技術、電力系統(tǒng)分析等）有重要影響。學生數(shù)理基礎普遍較好，但差異性也很大，千人一面的傳統(tǒng)授課模式很難滿足所有學生的學習需求，因此基于“以學生為中心”的教學理念，有必要針對不同基礎、不同需求的學生采用不同的教學模式，提高學生的學習成效。本課程面向電氣工程專業(yè)部分動手能力強、自我期望高的學生，采用基于小班完全翻轉課堂的混合式教學模式。秉承我?！皟r值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授”三位一體的育人理念，本課程的教學目標包括：（1）掌握與電路元件、電路拓撲、電路分析（含線性/非線性直流、動態(tài)、正弦穩(wěn)態(tài)）相關的概念，并能快速找到合適方法，準確求解線性電阻電路、非線性電阻電路、動態(tài)電路的過渡過程和正弦激勵下動態(tài)電路的穩(wěn)態(tài)解。（2）勇于接受挑戰(zhàn)，面對新元件新系統(tǒng)，能夠應用現(xiàn)有方法，對其進行建模和有效分析，具有較好的研究性學習能力。（3）能夠根據(jù)給出的工程約束，設計出符合要求的電路，通過仿真驗證其正確性，并能進一步搭建出實際的實驗電路進行測試和分析，具有一定的創(chuàng)新能力。（4）樂于并善于與他人合作，共同學習，共享成果。（5）了解學科和產(chǎn)業(yè)前沿，初步建立專業(yè)認同，樹立終身學習意識。2.課程教學設計思路2.1教學改革重點解決的問題本課程在教學中遇到的兩個突出問題是：（1）百年“老”課如何上出“新”意？電路原理課程中的理論體系絕大部分大約100年前就已經(jīng)發(fā)展成熟了，這樣一門“老”課如何能夠在教學方法、教學資源尤其是在教學內(nèi)容上做到與時俱進，從而激發(fā)學生的學習興趣？另外，由于在這個理論體系形成過程中，基本沒有中國人的參與，課程思政如何做？價值塑造如何落實？（2）如何滿足一部分想挑戰(zhàn)自己的學生的學習需求？在傳統(tǒng)的千人一面的授課模式下，總有一部分學生處于“吃不飽”的狀態(tài)，他們有的可能想在理論上做進一步探索，有的可能想運用基本原理解決最新的工程應用中的實際問題，有的可能想創(chuàng)新性地設計一些具體特定功能的電路或系統(tǒng)，如何滿足這些學生的學習需求，點燃他們的求知欲望，保護他們的探索熱情，是教師必須要解決的問題。2.2混合式教學設計傳統(tǒng)教學模式無法有效解決上述兩個問題，為此本課程提出并實施了基于小班完全翻轉課堂的混合式教學模式，主要設計如下。（1）充分利用線上資源，與線下教學形成一種替代與協(xié)作并存的新型關系本課程課前要求學生基于我們的國家級一流線上課程——“電路原理”，自學完成全部知識點，這也是“完全翻轉課堂”中“完全”二字的由來。課前的充分學習替代了一部分線下課堂教學，為課堂教學中把教學內(nèi)容向深度和廣度拓展、提高課程挑戰(zhàn)度提供了時間保障和知識基礎。線上線下教學形成了一種替代與協(xié)作并存的新型關系。對于一些簡單的知識點，學生自學線上資源就完全可以替代課堂講授；對于大多數(shù)知識點，二者是協(xié)作關系，課前自學線上資源有明確的時間和評價要求，這是高效的、個性化的課堂討論的前提；課后提供的線上資源則是對課堂教學的延伸。（2）從教學內(nèi)容、組織形式、教學環(huán)節(jié)和評價機制等多個角度著手，實現(xiàn)高效課堂討論從教學內(nèi)容上，除了討論傳統(tǒng)知識點、解決學生在課前學習中遇到的疑難問題以外，還會從最新的工程應用中提煉出一些綜合習題讓學生討論，體現(xiàn)基本概念和原理的前沿應用；適當穿插一些科學史、及我國電力工業(yè)發(fā)展史及現(xiàn)狀，如鹽入味地進行價值塑造；從組織形式上，合理分組，強調(diào)合作，提高課堂討論效率的同時增強學生進行創(chuàng)新探索的勇氣和信心；從教學環(huán)境上，采用每個小組圍坐一張圓桌、布置多塊黑板等形式，創(chuàng)造輕松便捷的討論氛圍；從評價機制上，將課堂的主觀討論和基于雨課堂的客觀答題都納入考核環(huán)節(jié)，并在調(diào)查問卷中讓學生對每個人的課堂表現(xiàn)進行自評和互評，促進大家積極參與課堂討論。（3）利用雨課堂、雷實驗等先進的教學工具和平臺，實現(xiàn)基礎性、趣味性和挑戰(zhàn)度并存的課外學習理論講授與實驗內(nèi)容有機結合，重點針對培養(yǎng)學生的研究性能力和創(chuàng)新學習能力。課程一共設計了13個實驗，既包括要求課前完成的一些驗證性實驗，也包括要求課后完成的一些研究性實驗，其中競賽實驗主題自選，給學生提供了充分的創(chuàng)新空間。教師參與設計并開發(fā)了基于雨課堂的智慧實驗平臺——雷實驗，打破了傳統(tǒng)實驗模式在時間、地點和內(nèi)容上的局限，實現(xiàn)了線上線下相結合的混合式智慧實驗。2.3課程內(nèi)容與資源的建設與應用情況本課程采用復合式立體教學資源，包括慕課、新型教材、智慧實驗設備等，各種資源與教學環(huán)節(jié)的關系如下圖所示。各種資源具體介紹如下：（1）慕課資源2013年10月本團隊建成了全國第一門“電路原理”慕課，并在學堂在線和edX兩個平臺同時上線，迄今已有來自160多個國家和地區(qū)的近40萬社會學習者學習了本課程，2017年被評為首批“國家精品在線開放課程”，2019年被評為“線上一流課程”。（2）新型教材2016年本團隊編著出版了全國第一本專門面向混合式教學需求的《電路原理》教材（高等教育出版社，2016），迄今印數(shù)已達11000冊。（3）課前學習指導教師在每一講課前提供一份“課前安排”文檔，內(nèi)容一般包括指定自學的SPOC內(nèi)容、指定教材閱讀章節(jié)、知識點列表（教師為全部29講內(nèi)容提煉出了336個知識點）、課前練習題等，根據(jù)所講內(nèi)容，有時還會有一些補充閱讀材料、文獻檢索要求等，為課前學習提供了有效指導。（4）PPT課件為了滿足以討論為主的課堂教學需求，所有PPT課件由傳統(tǒng)教學模式下的順序式呈現(xiàn)改為以知識點為主干的超鏈接式呈現(xiàn)。（5）智慧實驗設備本課程為學生配備了便攜式實驗設備，從單機版（NI的myDAQ、AD2）發(fā)展到現(xiàn)在基于雨課堂的混合式智慧實驗工具——雷實驗，2人一組，每組一套，所有實驗由小組成員協(xié)作完成。實驗設備外形和實驗流程分別如下圖所示。利用該實驗設備，教師登錄雨課堂，可以隨時了解每組實驗的進展情況，并獲得真實詳細的實驗數(shù)據(jù)；學生登錄雨課堂后，依次完成設計仿真電路、仿真結果截圖、搭建實驗電路、實驗電路拍照上傳、實驗結果拍照上傳、實驗數(shù)據(jù)后臺上傳，就可以完成一次完整的線上線下相結合的實驗，無需另外再寫實驗報告。利用該設備，學生不僅可以完成教師布置的實驗任務，還可以隨時將自己在學習過程中靈光一現(xiàn)的一些想法付諸實驗，甚至作為課外科技活動的實驗平臺。本課程共設計了12個基礎實驗（包括課前驗證性實驗和課后研究型實驗兩大類）和1個競賽實驗（持續(xù)6周）。從2013年春季學期開始，本課程共積累了超50個競賽實驗項目，基于競賽實驗成果獲得了5項實用新型專利授權。（6）習題集本團隊編著了《電路原理學習指導與習題集》，匯集了教學組幾十年的積累。書中既有對每一張重點內(nèi)容的簡明闡述，又有典型例題解析，還包含了300多道練習題，基礎題和綜合題都有，主要用于學生課后作業(yè)，幫助其進一步理解并運用課上所學的基本概念解決實際問題。2.4教學活動的組織及實施情況電路原理小班混合式教學與大班平行班的教學大綱是完全一樣的，都包括電阻電路、動態(tài)電路的暫態(tài)過程和動態(tài)電路的正弦穩(wěn)態(tài)分析三大部分。具體到每一節(jié)課的教學內(nèi)容上，小班拓展得更多更深入一些，但所有學生最后都要同時同卷參加考試。由于小班混合式教學的課外投入較大，在選課前教學團隊會提前對學生進行宣講，介紹小班混合式教學的模式和特點（包括更多的課外投入、更高的實驗要求、更強的自我期望等），以及同學們通過這種教學模式可能的收獲（包括團隊協(xié)作能力、文獻檢索能力、口頭表達能力、實驗動手能力等多種能力的提升），然后通過自愿報名和小組面試形式選出24位同學參與小班混合式教學。在每學期的期中考試前，允許認為自己實在跟不上的學生退出小班課堂，轉入大班平行班課堂。由于合理設計教學過程，教師及時提供幫助，同學之間互相支持，8年來只有2位同學中途退出，其余同學都堅持完成了小班混合式教學的全部教學任務。2.5課程成績評定方式混合式教學的課程成績評定方式對于引導學生在混合式教學各個環(huán)節(jié)的投入非常重要。電路原理混合式教學的考核方式和考核內(nèi)容多樣化，成績評定兼顧性評價和終結性評價。具體來說，小班混合式教學的成績評定規(guī)則是：全學期線上學習（講間練習+每周作業(yè)）10%，每周筆頭作業(yè)10%，全學期課堂表現(xiàn)5%，實驗15%，期中20%，期末40%。2.6課程創(chuàng)新點本課程自2013年春季學期實施混合式教學改革以來，在教學過程中始終堅持以學生為中心，線上線下相結合，理論實踐相結合，傳統(tǒng)與創(chuàng)新相結合，教學模式得到了學生的高度認可。概括來說，本課程在以下三方面進行了創(chuàng)新，取得了較好的效果：（1）從理念到措施系統(tǒng)地解決了線上學習資源和線下課堂教學的關系問題，讓二者既不是競爭關系，也不是主輔關系，而是在教師精心設計下相輔相成、水乳交融的關系。線上學習既實現(xiàn)了學習的個性化，又能為課堂學習做好必要準備；課堂討論和練習是對線上學習的升華和提高，突出重點的同時改善學生的學習體驗，提高課堂授課效率和教學質量。理念創(chuàng)新和方法創(chuàng)新是學生能夠喜歡混合式教學并真正受益的關鍵。（2）對全部教學內(nèi)容實現(xiàn)了課前/課上/課后的合理拆分，對教學全過程進行了精心設計。在本課程的混合式教學中，實現(xiàn)了理論學習與實驗操作的有機融合，課前自學、課堂討論使學生初步掌握了研究性學習方法，鍛煉了其研究性學習能力，基于智慧實驗平臺的自主實驗則給了學生非常大的創(chuàng)新空間。內(nèi)容創(chuàng)新是成功實施混合式教學的核心。在課堂教學中，率先利用雨課堂實現(xiàn)了課堂高效互動，以及對教學全過程的學生學習數(shù)據(jù)采集和記錄。對這些數(shù)據(jù)進行分析，就可以對學生的學習行為進行畫像，從中發(fā)現(xiàn)教學規(guī)律，從而進一步提高教學成效。率先實現(xiàn)了基于雨課堂的混合式智慧實驗平臺，兼顧了便攜式實驗的靈活性和實驗室實驗的過程可控性。工具創(chuàng)新是實現(xiàn)混合式教學的重要基礎。3.課程教改效果達成情況自2013年實施混合式教學改革以來，課程活力顯著提升，改革成效顯著，教師和學生都從課程改革中獲益良多。從學生角度看，通過混合式教學，學生對理論知識的理解明顯更加深刻，實驗環(huán)節(jié)則顯著加強了學生利用所學知識解決實際問題的能力，尤其是競賽實驗有效激發(fā)了學生的創(chuàng)新熱情，鍛煉并提高了學生的創(chuàng)新能力。從卷面成績看，采用小班混合式教學模式的班級平均分一般比大班平行班高出8-10分；從科研創(chuàng)新看，到目前為止，學生基于課堂內(nèi)的競賽實驗成果申請了5項實用新型專利，參與小班混合式教學的同學（204人）后續(xù)獲得各類科研獎勵60多人次，包括全國挑戰(zhàn)杯一等獎、校內(nèi)挑戰(zhàn)杯一、二、三等獎等。很多同學在教學反饋中對小班混合式教學模式給予了高度肯定，每年報名參加本課程的人數(shù)遠大于能接納的人數(shù)也間接肯定了這一點。從教師角度看，本人共承擔了5項校級教改項目，在核心期刊上發(fā)表了5篇相關教學論文，作為第一作者出版了全國第一本專門適用于翻轉課堂的“電路原理”教材，先后獲得校教學成果特等獎一項、一等獎一項，北京市教學成果一等獎一項。電路原理課程團隊2019年入選“北京高校優(yōu)秀本科育人團隊”，2021年獲首批“課程思政示范團隊和示范教師”。本課程的小班混合式教學模式通過教師交流（南京大學、青海大學、河北工業(yè)大學、貴州理工大學、揚州大學、廈門理工學院等）、大會報告等形式，向全國高校同行做了介紹，目前已在全國30多所高校推廣采用。在兄弟高校實施過程中，本教學團隊還基于線上會議系統(tǒng)、微信群等與兄弟高校的老師進行不定期交流，保持長期聯(lián)系（相當于教育部現(xiàn)在提倡的“虛擬教研室”），實現(xiàn)了共建共贏。二、一次混合式教學設計方案1.學習目標以電路原理課程中“正弦穩(wěn)態(tài)分析”這一部分內(nèi)容為例，介紹本課程的混合式教學設計方案。這一部分內(nèi)容在實際教學過程中分為3講，共6學時，講授內(nèi)容包括相量概念引入、用相量法分析正弦穩(wěn)態(tài)電路和正弦穩(wěn)態(tài)電路的功率。通過這一部分內(nèi)容的學習，希望達成的教學目標包括以下三個層面：（1）知識層面?掌握正弦量三要素，正弦量的相量表示，正弦量與相量的關系；?掌握主要元件的相量模型，元件約束與KVL/KCL的相量形式；?掌握相量圖的兩種畫法；?熟練掌握用相量法求解正弦穩(wěn)態(tài)電路；?掌握正弦穩(wěn)態(tài)電路中瞬時功率、有功功率、無功功率、視在功率、復功率的定義式，并深刻理解其物理含義；?了解無功功率在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的不良影響，結合工程實例，掌握無功補償?shù)牡湫头椒ǎ?理解RLC串聯(lián)（并聯(lián)）電路中電壓（電流）三角形、阻抗（導納）三角形與功率三角形的相似關系，并學會利用這種相似性解決實際問題；?了解正弦穩(wěn)態(tài)電路中幾種不同情形下最大功率傳輸條件，重點掌握最佳匹配和虛部匹配兩種情形下的傳輸條件及相應的最大功率表達式。（2）能力層面?通過文獻檢索、小組匯報等環(huán)節(jié)，幫助學生了解電力領域國內(nèi)外權威網(wǎng)站和期刊，鍛煉學生從海量文獻中進行知識提取和整理的能力，在這一過程中也鍛煉其小組協(xié)作能力，和在規(guī)定時間內(nèi)準確陳述團隊成果的口頭表達能力；?將相量法求解正弦穩(wěn)態(tài)電路與直流電路的求解方法做對比，由淺入深，培養(yǎng)學生的知識遷移能力，能夠創(chuàng)新性地用已學過的方法或定理解決新的問題；?要求學生在智慧實驗平臺上自行設計電路，實現(xiàn)頻率和幅值均可調(diào)的正弦波發(fā)生器，將理論知識付諸實踐，培養(yǎng)其動手能力和研究性學習能力。（3）價值層面?通過分組調(diào)研我國在電力系統(tǒng)發(fā)——輸——變——配——用——儲等各個環(huán)節(jié)的發(fā)展史和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，建立學生的專業(yè)認同，激發(fā)其專業(yè)自豪感；?通過介紹電的科學史上著名的交直流之爭，教育學生要一方面要尊重科學，虛懷若谷，另一方面要不懼權威，勇于創(chuàng)新；結合工程實際，通過課堂討論分析各種無功補償方法的優(yōu)缺點，培養(yǎng)學生的工程意識；通過介紹目前最先進的無功補償技術SVC中電力電子器件主要依賴進口的現(xiàn)狀，激發(fā)學生攻克科技難關的責任感和擔當意識。2.內(nèi)容與資源（1）慕課資源清華大學“電路原理”第59-68講，共30個視頻，在校內(nèi)慕課平臺開放給學生。（2）教材這3講內(nèi)容對應教材的13.1-13.4節(jié)，要求學生課前預習時要閱讀完成，課上會針對教材中列出的一些思考題進行討論。（3）相關文獻資料向學生推薦電力領域的一些權威網(wǎng)站和權威期刊，如國家能源局、中國電力企業(yè)聯(lián)合會、IEEE、中國電機工程學報、中國電工技術學報等，要求學生自學掌握常用的文獻檢索方法。在第1講課前，將全班同學分為8組，分別指定檢索內(nèi)容，包括火電、風電、光伏、特高壓輸電、需求側響應、抽水蓄能、鋰電池儲能、其他形式儲能等，要求學生檢索文獻，并總結整理出ppt在課堂時間每組匯報5分鐘。在第2講課前，教師提供文氏電橋的補充閱讀資料，為研究性實驗做理論準備。在第3講課前，要求學生檢索無功功率補償技術的相關資料，課堂時間討論交流。（4）課前學習指導這3講內(nèi)容的課前安排文件見附件1-3。（5）PPT課件所有PPT課件都以知識點為索引的超鏈接形式呈現(xiàn)。以第2講為例，其內(nèi)容組織如下圖所示。（6）混合式實驗要求學生基于雷實驗設備，實現(xiàn)頻率與幅值均可調(diào)的正弦波發(fā)生器電路。3.過程與方法這一部分內(nèi)容的混合式教學實施過程總體來說包括背景認識、理論學習、實驗設計三部分：（1）背景認識：了解科學史上著名的交直流之爭、相量法的產(chǎn)生背景，以及本專業(yè)主要研究對象也是最典型的正弦穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)——電力系統(tǒng)的發(fā)展史和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，為后續(xù)課程打好理論基礎的同時，樹立專業(yè)認同，激發(fā)專業(yè)自豪感。（2）理論學習：熟練掌握正弦穩(wěn)態(tài)電路的基本概念和主要分析方法——相量法，以及正弦穩(wěn)態(tài)電路中的各種功率和無功功率補償方法。注重理論講授與工程實例相結合，幫助學生掌握利用所學基礎知識解決工程實際問題的方法。（3）實驗設計：基于混合式智慧實驗工具自主實現(xiàn)正弦波發(fā)生器電路，并設計電路改變正弦波的頻率和幅值，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維，培養(yǎng)其研究性學習能力。每一講的講授過程又包括課前、課上、課后三階段。課前以觀看SPOC視頻和閱讀教材為主，根據(jù)內(nèi)容需要，有時還有文獻檢索、仿真或驗證性實驗等任務；課上以討論和互動練習為主，討論內(nèi)容包括知識點、綜合例題、實驗相關的問題等；課后完成一定量的筆頭作業(yè)，以及研究性實驗任務。具體過程如下：（1）第1講?課前：觀看SPOC第59-61講以及教材13.1節(jié)，完成兩道簡單練習，分組查閱電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的相關資料，準備5分鐘的匯報ppt。?課上：分組匯報（45分鐘），知識點討論，重點掌握正弦量的相量表示，以及二者關系；借助flash動畫用類比法講解相量與向量的區(qū)別，相量圖的兩種畫法。?課后：完成2-3題筆頭作業(yè)，加深理解正弦量與相量的關系，以及復雜電路的相量圖畫法。（2）第2講?課前：觀看SPOC第62-64講以及教材13.2-13.3節(jié)；閱讀關于文氏電橋的補充閱讀材料，完成文氏電橋電路的理論分析，并利用Multisim仿真研究其幅頻特性和相頻特性，并改變其中同相比例放大器的放大倍數(shù)，觀察其對輸出波形的影響，為研究性實驗做準備。?課上：知識點討論，重點掌握阻抗的概念及其物理意義，RLC串聯(lián)電路的阻抗三角形畫法；利用對偶的方法，讓學生自行推導導納的概念及其物理意義、RLC并聯(lián)電路的導納三角形畫法等；用雨課堂推送測試題，及時了解所有人對重點內(nèi)容的掌握情況；提供4-5道綜合例題，要求學生到黑板上進行板書解答，及時點評學生在解題過程中暴露出的問題，從而幫助學生更好地理解重點內(nèi)容，熟練掌握用相量法和相量圖求解正弦穩(wěn)態(tài)電路的方法；正弦波發(fā)生器的實驗方案討論。?課后：完成4-5題筆頭作業(yè)，進一步練習用相量法和相量圖求解正弦穩(wěn)態(tài)電路的方法；