電路原理課程的教學(xué)改革

電路原理課程的教學(xué)改革

0“電路原理”課程教學(xué)組的課堂教學(xué)改革方法的提出自2003年以來，學(xué)校的“電路原理”課程一直在進行中，并取得了良好的效果，對中國同行產(chǎn)生了廣泛、積極的影響。筆者在文獻中詳細(xì)介紹了我?！半娐吩怼闭n程繼續(xù)進行深度改革的理念探索過程。隨著社會大環(huán)境的改變,近年來各種課外的新事物對學(xué)生的吸引力越來越大,如各種高科技電子產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)游戲等,再加上沒有了中學(xué)階段的升學(xué)壓力,學(xué)生對該課程學(xué)習(xí)興趣越來越小,主動學(xué)習(xí)的愿望也越來越低。如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,培養(yǎng)其主動學(xué)習(xí)的愿望和能力成為擺在我們和全體高校教師面前的一大挑戰(zhàn)。為此,我?！半娐吩怼闭n程教學(xué)組在前幾年持續(xù)進行的課程內(nèi)容和課程教學(xué)環(huán)境改革的基礎(chǔ)上,在2013年春季學(xué)期對教學(xué)方法又進行了深度改革,采用“翻轉(zhuǎn)課堂”(FlippedClassroom)模式,并把實驗與理論學(xué)習(xí)相結(jié)合,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,收到了較好的教學(xué)效果。本文作為文獻的續(xù)篇,將對這一改革模式的具體實施過程以及實施效果做一全面介紹。1師生互動間的連接“翻轉(zhuǎn)課堂”最早是由美國的兩位非常有經(jīng)驗的高中化學(xué)教師J.Bergmann和A.Sams于2008年首先提出的。他們的初衷是為了給那些未能上課的學(xué)生補課而利用軟件對課堂教學(xué)進行了錄像和注釋,并將這些內(nèi)容上傳到網(wǎng)絡(luò)上,供缺課的學(xué)生下載學(xué)習(xí)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)很多沒有缺課的學(xué)生也會下載瀏覽用于復(fù)習(xí),以加強對課堂內(nèi)容的理解。這就促使兩位教師重新思考課堂教學(xué)的定位。FlippedClassroom可解釋為“反向課堂”或“翻轉(zhuǎn)課堂”。根據(jù)他們的觀點,“反向”或“翻轉(zhuǎn)”意指顛覆了傳統(tǒng)教學(xué)模式中課堂上聽講和課后自行做練習(xí)的模式。取而代之的是課前讓學(xué)生利用電腦和網(wǎng)絡(luò),瀏覽教師錄制的或指定的與課程內(nèi)容相關(guān)的錄像短片,其中可以穿插一些練習(xí),這些內(nèi)容都可以重復(fù)觀看。正式課堂時間則強調(diào)師生之間的互動,對課前學(xué)習(xí)中遇到的問題進行深入討論,也可穿插進行新的練習(xí)。FlippedClassroom的核心是主動學(xué)習(xí)、學(xué)生參與和進行混合式課程設(shè)計等。常見的對于“翻轉(zhuǎn)課堂”的認(rèn)識誤區(qū)是在線課程、類似電大的視頻教學(xué)、學(xué)生沒有教師指導(dǎo)和學(xué)生獨自學(xué)習(xí)等。其中,富有成效的面對面互動討論才是翻轉(zhuǎn)課堂最重要的價值所在。采用“翻轉(zhuǎn)課堂”這種模式,教師是課堂上導(dǎo)師,學(xué)生有更大的自主學(xué)習(xí)空間,在課堂上可以有更多的時間和教師進行有效互動;沒有來上課的學(xué)生不會被落下功課。近年來,高校的很多課程都建立了相應(yīng)的教學(xué)網(wǎng)站,網(wǎng)站內(nèi)容大多包括多媒體課件、自測習(xí)題以及其他一些輔助學(xué)習(xí)資料等。但是,這些教學(xué)網(wǎng)站基本都只用于學(xué)生課后復(fù)習(xí)或課程的對外宣傳,在整個教學(xué)過程中發(fā)揮的作用非常有限。我?！半娐吩怼闭n程通過前幾年的改革已經(jīng)建立了內(nèi)容豐富和功能比較完善的教學(xué)網(wǎng)站。它在過去幾年的電路教學(xué)中發(fā)揮了積極的作用,兩次被評為“清華大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)軟件”。這個教學(xué)網(wǎng)結(jié)為我們采用“翻轉(zhuǎn)課堂”模式進行的教學(xué)改革奠定了很好的基礎(chǔ)。在本次深度改革中,我們在每節(jié)課結(jié)束時都會給學(xué)生下發(fā)一份下一節(jié)課的課前安排。其內(nèi)容包括自學(xué)內(nèi)容對應(yīng)的教材章節(jié)說明、難度相對低一點的2~3道相應(yīng)的練習(xí)題和對應(yīng)理論課程的實驗內(nèi)容等。如有必要,還會給出一些補充閱讀材料。根據(jù)這份課前安排,學(xué)生首先需要登錄教學(xué)網(wǎng)站觀看相應(yīng)的Flash,然后閱讀教材,完成練習(xí)。我們并不推薦學(xué)生在課前觀看完整的教學(xué)錄像,一則占用時間較多,二則教學(xué)錄像中對有些問題已經(jīng)講解得比較透徹,學(xué)生觀看之后,正式課堂時間就沒有討論的必要了。課程中,大約有65%左右的學(xué)時會有相應(yīng)的實驗任務(wù),而且絕大部分實驗中教師只提出實驗?zāi)康?。例如一項設(shè)計實驗:“驗證MOSFET的端口特性”,學(xué)生兩人一組完成實驗,要求學(xué)生自己設(shè)計實驗方案,完成實驗電路以及元器件參數(shù)選擇等。現(xiàn)以第6講“含運算放大器的電阻電路分析”為例,布置的課前安排如表1所示。根據(jù)此后我們對學(xué)生做的一份問卷調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計,學(xué)生在課前學(xué)習(xí)這一環(huán)節(jié)對應(yīng)每一大節(jié)課(2學(xué)時)花費的時間大約是2小時。在這一環(huán)節(jié)遇到的所有問題都可以在隨后的課堂上得到充分的討論。2課前花的問題如前所述,富有成效的面對面互動是翻轉(zhuǎn)課堂的核心價值。如果在正式課堂時間不能很好地組織起能讓每位學(xué)生參與的討論,那么這種改革只能是流于形式,課前花那么多時間自學(xué)、練習(xí)就顯得多余和浪費了。在我們2013春季學(xué)期的改革實踐中,正式課堂時間的活動主要包括三部分:一是對理論學(xué)習(xí)中的主要知識點進行討論,二是做一些典型習(xí)題,三是實驗內(nèi)容討論或演示。2.1多提出問題,卻不講時以第6講為例,課堂討論內(nèi)容如表2所示。對知識點的討論以學(xué)生提出問題為主,教師補充問題為輔,基本涵蓋所有主要知識點。為了讓課堂上真正做到以學(xué)生為主,我們對教學(xué)課件做了大幅改動,教師在教學(xué)觀念上也打破了對教學(xué)體系完整性的追求,對于大多數(shù)學(xué)生提出的不明白的知識點要重點、深入討論,而沒人提及的知識點則可以一帶而過,甚至不講。我們鼓勵每一位學(xué)生多提出問題,并回答別人的問題;對于學(xué)生回答得不太正確的教師再加以糾正和解釋。在這個過程中,不排除會出現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象:在某些問題上學(xué)生在課前學(xué)習(xí)時自我感覺好像已經(jīng)理解了某個知識點,會提不出什么問題,但其實并沒有理解問題的本質(zhì)。這就需要教師根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗以及課堂實時討論情況,對討論內(nèi)容進行補充和調(diào)整。我們以表2列出的知識點(2)和(6)為例,絕大部分學(xué)生可能對知識點(1)、(3)、(4)和(5)都能正確理解;對(7)、(8)、(9)有點含糊,有的學(xué)生會主動提問,也有學(xué)生能回答,但不太準(zhǔn)確,需要教師對一些關(guān)鍵點加以解釋和確認(rèn);學(xué)生對知識點(2)和(6)基本上不會想到,需要教師主動提出來并組織討論,因為對知識點(6)的理解直接影響實驗中的元件參數(shù)選擇。從仿真情況看,總會有學(xué)生在運放的外電路中選用歐姆量級的電阻,雖然這對仿真結(jié)果沒有影響,但在實驗中是不行的。平均來說,每一大節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容都可以提煉出10~15個知識點,討論時間大約占總課時的40-50%左右。2.2傳統(tǒng)的考試評價在教學(xué)中,對以下問題的理解對練習(xí)題的討論分為兩部分:(1)課前練習(xí)題,主要是討論一下解題思路、解題方法和答案。因為課前練習(xí)題相對比較簡單,且學(xué)生都已經(jīng)在課前完成了,所以用時較少。(2)課堂上新給出的一些難度較高的(如用運放實現(xiàn)乘法、除法運算)或有實際工程應(yīng)用背景(如DAC)的練習(xí),一般3~4道題左右。雖然我們對教學(xué)方式進行了改革,但遺憾的是我們?nèi)匀徊荒芡耆珤仐壙荚囘@種評價機制,因此仍然需要給學(xué)生必要的解題練習(xí)。由于每節(jié)課都有相關(guān)練習(xí),我們?nèi)∠艘郧暗膶ｉT的習(xí)題課,每節(jié)課的習(xí)題討論時間大約占總課時的20-40%左右。2.3實驗裝置的設(shè)計將實驗與理論課程重新結(jié)合是我們此次改革的一個重要舉措,但實驗形式上與以往發(fā)生了根本的改變。學(xué)生不再是去實驗室做幾個教師已經(jīng)設(shè)計好實驗電路和實驗步驟的驗證型實驗。取而代之的是,我們給每個小組配備了一套NI的myDAQ實驗裝置,將myDAQ與學(xué)生自己的筆記本電腦相連就形成了一個小型的移動實驗室,學(xué)生可以很方便地在教室、宿舍進行實驗。實驗中遇到的各種問題可以在課堂上進行討論,教師可以要求學(xué)生在課堂上闡述自己的實驗設(shè)計思路,現(xiàn)場演示實驗結(jié)果,學(xué)生之間也可以進行相互檢查。這一部分內(nèi)容平均占總課時的30%左右。需要說明的是,參與本次課程改革的學(xué)生不需要再像其他學(xué)生一樣去做常規(guī)的電路實驗,本課程實際有5個學(xué)分。當(dāng)有實驗討論和演示時,一般需要2學(xué)時基礎(chǔ)上延時半小時左右才能完成所有教學(xué)任務(wù)。2.4以利導(dǎo)學(xué)生課堂與傳統(tǒng)教學(xué)模式下的課堂教學(xué)相比,這種理論與實驗相結(jié)合、直接指導(dǎo)與建議式學(xué)習(xí)相結(jié)合的混合式學(xué)習(xí)模式大大活躍了課堂氣氛,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在這種教學(xué)模式中,雖然教師講得少了,但實際上對教師的要求更高了。教師一方面要有夠?qū)捴R面,能夠正確解答學(xué)生提出的以及實驗中出現(xiàn)的各種問題。這就要求教師對布置的所有實驗都必須在課前親自做一遍,才能對實驗中可能出現(xiàn)的問題、原因及解決方案做到心中有數(shù),時間投入大大增加;另一方面,對課堂整體態(tài)勢的把握要恰到好處,尤其是在知識點的討論上做到收放自如,既要保證在設(shè)定的時間內(nèi)讓學(xué)生討論得比較盡興,又要按時完成相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。另外必須指出的是,這種教學(xué)模式成功實施的前提是學(xué)生課前必須進行充分預(yù)習(xí),否則課堂討論就無法展開,因此這也決定了這種教學(xué)方式不適合大規(guī)模進行。因為并不是所有學(xué)生都有主動學(xué)習(xí)的欲望和能力,還是需要進行挑選的。我們的課堂都是由學(xué)生自愿報名的,有這種主觀愿望的學(xué)生至少思想上已經(jīng)認(rèn)可了這種教學(xué)方式,因此總的來說課堂討論效果還是不錯的。3課前教學(xué)階段我們在2013年春季學(xué)期進行電路教學(xué)中將理論課與實驗緊密結(jié)合,實驗中更多的是研究型和設(shè)計型實驗。實驗主要借助NI的myDAQ移動實驗設(shè)備完成,絕大部分電子類的弱電實驗都可以用myDAQ完成,但強電實驗仍然要求學(xué)生去實驗室完成,如三相實驗。我們設(shè)計了一些相對簡單的實驗要求學(xué)生在課前學(xué)習(xí)階段完成,通過實驗認(rèn)識元器件特性和電路特點。如測量二極管和MOSFET的端口特性,測量myDAQ上+15V與AGND之間的戴維南等效電路等。課堂上再對實驗結(jié)果進行討論和分析,這要比以往只做仿真甚至只講理論要生動得多,學(xué)生對這些元件和電路特性的理解也會更深刻。另外,我們還布置了一些相對比較難的實驗,要求學(xué)生在完成相應(yīng)的理論知識學(xué)習(xí)后,設(shè)計實現(xiàn)一些具有特定功能的電路,如基于MOSFET實現(xiàn)的小信號放大器、利用運放實現(xiàn)的正弦波發(fā)生器和有源降噪耳機等。學(xué)生通過完成這些實驗,對電路原理的一些基本概念和分析方法認(rèn)識更加深刻,而當(dāng)他們完全通過自己的設(shè)計實現(xiàn)了這些電路功能時,從中獲得的喜悅和成就感是純粹的理論學(xué)習(xí)無法比擬的。3.1實驗布置和報告內(nèi)容本次教學(xué)改革的試點對象是我校電機系的學(xué)生。電機系的“電路原理”課程總計是96學(xué)時,2013年春季學(xué)期的64學(xué)生講授的內(nèi)容為直流電阻電路和正弦交流穩(wěn)態(tài)電路。配合教學(xué)進度,結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容,我們在這個學(xué)期一共布置了15個實驗,如表3所示。標(biāo)注*的實驗不僅每組學(xué)生都要在課堂上演示實驗結(jié)果,還要提交正式的實驗報告。報告內(nèi)容包括理論分析、實驗電路原理圖、實驗所用元器件參數(shù)、實驗結(jié)果及分析等;其余實驗只要求在課堂上演示實驗結(jié)果即可。3.2環(huán)境噪音的實驗和背景在表3所列的實驗內(nèi)容中,最值得一提的是第9項實驗:有源降噪耳機。該實驗的設(shè)計靈感最早來自于美國著名音響廠商Bose推出的頂級主動降噪耳機———QuietComfort15(以下簡稱QC15)。這款耳機Bose官方報價人民幣約3000元,所以當(dāng)學(xué)生初次聽到要求他們利用myDAQ對這款耳機做原理性實現(xiàn)時,他們都覺得不可思議,沒有人認(rèn)為自己能夠做得出來。主動降噪耳機又名有源降噪耳機,它的工作原理是先通過一個高靈敏度麥克風(fēng)收集當(dāng)前環(huán)境噪音,然后經(jīng)過內(nèi)部的處理器產(chǎn)生一個與噪音相反的波送到耳朵中,以達到降噪的目的。在我們的實驗設(shè)計中,這個內(nèi)部處理器就是一個用運放實現(xiàn)的反相比例器,因此在我們講完運放電路后就布置學(xué)生開始著手進行這個實驗。首先通過音頻插座和音頻傳輸線實現(xiàn)音頻信號從電腦到耳機的正確傳輸;其次要認(rèn)識駐極體話筒的工作原理,搭建其外圍電路,使其能正確收集環(huán)境噪音;接著要對采集信號進行反相放大,根據(jù)收聽效果調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。但至此降噪效果并不理想,主要原因有兩個:一是用來播放環(huán)境噪音(本實驗中指定為100Hz正弦波)的音箱品質(zhì)對實際收集到的噪音信號參數(shù)(主要是頻率和波形畸變率,后者要等到講完周期非正弦電路后學(xué)生才會理解)有很大影響,二是實驗中駐極體話筒的位置離耳朵有一定距離,因此收集到的噪音信號與耳朵實際聽到的環(huán)境噪音信號之間有一點相位差。這一點與實際的QC15不符,QC15的麥克風(fēng)就在耳機聽筒上,相位差可以忽略。而對于這個相位差的處理則需要等到講完正弦穩(wěn)態(tài)電路的移相電路以后才能實現(xiàn),因此本實驗貫穿了大半個學(xué)期。我們把該實驗定位成了一個競賽型實驗。教師在課堂上只做原理性講解和點評,具體細(xì)節(jié)都由學(xué)生自主實現(xiàn),在最后一節(jié)課上我們進行了集中展示和評比。為公平起見,我們指定了環(huán)境噪音信號和測試用的音樂信號,每一組學(xué)生都有5分鐘的PPT報告時間,介紹自己組的設(shè)計思路和主要的實驗結(jié)果,其他組學(xué)生可就報告內(nèi)容自由提問,最后還要現(xiàn)場讓其他學(xué)生感受降噪效果。教師和學(xué)生從報告內(nèi)容、回答問題和實際降噪效果三方面對每一組進行現(xiàn)場打分。學(xué)生都表現(xiàn)出了極大的興趣和創(chuàng)造力,就100Hz的測試信號而言,當(dāng)參數(shù)調(diào)試合適時,獲得第一名和第二名的兩組實驗電路的降噪效果甚至要優(yōu)于市面上一些普通的降噪耳機。4測試結(jié)果和原因分析通過一學(xué)期實踐,我們可以直接感受到的是學(xué)生主動學(xué)習(xí)的欲望和能力都大大提高。對于實驗中遇到的問題他們基本都可以通過自己檢索資料和課堂討論加以解決,甚至有些小組會利用myDAQ去設(shè)計實現(xiàn)一些教師并沒有布置的小實驗,課堂精神面貌明顯要比傳統(tǒng)課堂活躍很多。參加本次課程改革的學(xué)生并不是刻意挑選的,而是學(xué)生在上學(xué)期結(jié)束前自由報名的。雖然我們組織了面試,但我們看重的是學(xué)生動手能力和團隊協(xié)作能力,對課程學(xué)習(xí)成績和年級排名并無任何要求。事實上,根據(jù)我們這學(xué)期對所選中的20名學(xué)生在大一第一學(xué)期的學(xué)分績統(tǒng)計結(jié)果看,這其中既有年級前10名的,也有80多甚至100多名的(全年級120人),全班平均學(xué)分績在年級40名左右。最終的期末考試這20名學(xué)生與年級其他學(xué)生同時同卷考試,他們的卷面平均分約比其他同學(xué)的平均分高出5-8分。實踐證明,他們的理論學(xué)習(xí)能力由于采用翻轉(zhuǎn)課堂這種教學(xué)模式而得以提高,這與我們的初衷是吻合的。當(dāng)然,在這次改革實踐中我們也發(fā)現(xiàn)了很多問題,概括來說,決定這種教學(xué)方式改革成敗的關(guān)鍵因素有以下三點。(1)教師的投入顯增加采用“翻轉(zhuǎn)課堂”這種模式,所有課件都要重新制作。教師不能再像傳統(tǒng)課堂一樣按照自己事先準(zhǔn)備的內(nèi)容按部就班,而需要根據(jù)學(xué)生在課堂上的實際討論情況及時調(diào)整順序和重點。教師的主要職責(zé)是適時引導(dǎo)和合理建議。投入時間更大的另外一塊內(nèi)容是實驗的設(shè)計和完成,為了保證所布置的每一個實驗都是可以用myDAQ和所發(fā)元器件實現(xiàn)的,并且能在課堂討論中對學(xué)生在實驗中出現(xiàn)的問題進行有效指導(dǎo),教師必須對所有實驗在課前親自