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高校电工电子类课程教学改革经验

摘要:电工电子类课程作为多数工科的基础课程,成熟且不断创新。目前,高校在电工电子类课程教学方面不断积累经验,提出开展技术促进的教学改革,加强开放式、研究性教学方式在实验实践教学的推广,加强自主分析、综合设计的教学方式在实验实践教学的应用,加强开放多元的教学方式在实验实践教学的应用。最后结合实际案例,说明理论教学改革和实验教学改革对增强学生自主学习具有重要启示功能。

关键词:电工电子;技术促进;多元开放;课程教学改革

2018年11月24日举行的第十一届“中国大学教学论坛”上,教育部高等教育司司长吴岩表示,课程是人才培养的核心要素,是教育的微观问题,解决的却是战略大问题。迫切需要加快工程教育改革创新,客观上要求各高校重新建构工科传统课程的教学法[1]。近年来,随着高等教育教学改革不断深入,以教师授课为主向以学生自学为主的教学方式的探索也越来越深入。涌现出被广泛认可的教学方法,比如,采用启发式教学,让学生自主制定学习任务、学习时间,并进行自主学习;在课堂中及时做笔记,完成指定的任务;在实验和项目研究中逐步提升自身的创造能力;采取专题讲座、课堂讨论等方式培养学生的兴趣,锻炼学生的能力。学生的自学能力的直接关系着教学方法以及教学目标的实现,充分发挥自主学习能力是创造能力以及发展其他各种能力的前提条件。[2]

一、开展技术促进的教学改革

传统的理论课程教学方法主要基于粉笔和黑板讲解,实验课程教学方法主要基于“动手感受”的教学,学生通过问题来清楚地了解主要概念。实际教学过程中,由于技术和数学内容要求较高,学生更倾向记忆变量和表达式,恰恰忘记了主要概念和物理原理。实际经验表明,尽管相应的理论已经在课堂上得到了广泛的介绍,并通过实验讲义描述了实验室设施设备和实验的程序,学生在来到实验室进行实验时通常还是会遇到困难。此外,学生的思维、分析和解决问题的能力在常规教学中并未被重视,导致教学动机偏差和互动程度低。

(一)重视引入计算机辅助分析与设计

将现代技术充分运用到教育领域,利用技术进步改进教学方法,在实际教学过程中,引进计算机技术,是一个很好的尝试。重视EDA软件、DSP、MATLAB的分析以及仿真软件在实践教学中辅助作用,将电路设计中的FPGA的使用以及嵌入式系统的教学方法引入课程教学改革中,加强电工电子类课程家教学现代化。以问题为导向,以应用为目标,以计算机技术为手段,将软件与硬件相互结合,在教授学生电工电子课程原理和方法的同时,教会学生利用计算机软件进行辅助分析和设计。

(二)重视原理结构的模拟仿真

实际教学中,明显存在以下现象:物理教师倾向于培养概念知识,例如电容器中电场和能量的变化;电工电子教师往往强调程序知识,例如计算电路中的电流、电压或响应时间,并使用该电路在电子系统中产生时间延迟;而数学老师很少在课堂上展示物理或电子的例子。这种现象割裂了知识和技术,恰恰是分析方法的局限性。在实际教学过程中,限于专业背景及知识架构,不能指望物理或数学老师做大的调整,电工电子老师应主动改革教学方法。电工电子设备的原理结构是非常重要的,二维静态的图片加上文字描述的知识,很难将抽象的问题向学生讲解透彻,学生学习理解起来也相对困难。实际教学改革过程中,为了使学生能够对电工电子设备全面、深刻且形象的理解,利用计算机虚拟系统对设备的结构和原理进行模拟仿真。公共计算机软件创设出了真实的设备内部环境,电脑平布可以显示操作设备内部的原理结构图,内部线路以及外部操作按钮之间的联系,并且能用动画的形式展现设备内部的电流方向、信号转换、调制解调、数模变换等电子信息领域常见的基本变化。学生通过形象的画面更好地了解设备的内部结构,从内而外地对所学习的设备进行更深刻的了解与掌握。

二、实验实践教学的改革尝试

如今,新技术革命给教育学带来了快速的进步。云计算,边缘计算和5G网络的普及为移动教育的发展提供了新的机遇,使终身教育和碎片化教育成为可能。同时,人工智能(AI)和大数据技术的全球应用正在改变教育技术的研究领域,并将在个性化教育和教学改革中带来新的教育范式。STEM教育恰好表达了以综合的方式教授科学、技术、工程和数学科目而不是作为单独的科目的想法。第一,电工电子课程依赖物理知识和概念,例如电荷、场、电流、电压、电磁学、声波和电磁波。第二,电工电子课程在很大程度上基于数学理论,例如代数、几何、三角学、对数、指数函数、微积分和微分方程。第三,电工电子专业是主要的工程领域之一,它涉及使用科学和数学工具进行基于规范的系统设计,优化材料和能源的使用,并分析产品和系统的安全性和可靠性。第四,电工电子学与控制系统的分析和设计密切相关,这也是基于数学和物理的综合。因此,电工电子类课程教学非常适合STEM教育。[3]

(一)加强开放式、研究性、创业型教学方式在实验实践教学的推广

在电工电子技术快速发展的时代,要求技术人员需要具备优良的理论基础以及丰富的实践经验。在实验教学方法改革方面,建立了以学生作为主体,将能力培养作为重要内容,实行启发式、自主探究式的教学模式。例如,基于DSP以及EDA的创新组合实验,学生根据产品设计的要求,采用自己设计开发的模块在实验台进行验证和分析。[4]重点带领学生将学习到的知识转变成为获取知识的能力、应用知识的能力以及创新能力。创设开放式、研究性、创业型教学方式,加强培养学生的创新能力和意识,强化学生的动手能力,提升学生的综合素养,使学生从知识型转变成为能力型,从专业型转变成为素质型,从适应型转变成为创造型。帮助学生紧跟时代的脚步,顺应时代的发展,全面提升电工电子专业人才的培养质量。[5]

(二)加强自主分析、综合设计的教学方式在实验实践教学的应用

在过去,电工电子课程通常是从学习特定的部件,如电阻器、电容器、二极管和晶体管开始的。在实验室里,学生们通过“实验”,验证组件的特性或构建简单的模拟和数字电路。然而,在前几年的实验教学过程中,对电子产品采用这种方式教学,对学生越来越没有吸引力,因为他们需要几个月甚至更长时间才能从日常生活中了解实用的电子设备。另一种方法是通过教授熟悉的电工电子系统,比如从声音系统切入电工电子课程。在实验室里,学生可以处理组装一个系统,验证并检查它的属性,或者添加连接来听智能手机上的音乐,以便从各个方面全面了解声音系统的组成、功能、运行方式、电路原理等。然后,学生才可能会了解和测试系统中更紧密的特定组件,如麦克风或放大器。只有主修电子专业的学生才会在稍后详细了解电子电路和元件。上述电工电子学教学方法的变化可以被称为“从系统到组件”的范式,而不是传统的“从组件到系统”的教学方法。[6]实验教学从最基础的“演示”到“验证”,再到“分析”“综合”等,如果实验课堂遍历这些环节,显然是不现实的。因此,要对实验课程进行重新改革和调整。在实验内容上减缩验证性实验,添加综合性、设计性等开放性实验教学的内容,促使实验教学内容体系整体优化,使得重新组合的实验教学内容体系成为比较独立的教学体系。有独立的教材、独立的学分,鼓舞学生主动提出更加高效的实验解决方案,有助于培养学生自主分析以及解决问题的能力、实践动手能力、主动探究的初步科研精神。[7]在整合之后减少了必须要做的实验项目,增加了选做实验项目,客观上迫使学生花费更多时间进行自主实验,帮助学生夯实基础,提升学生的创新能力以及实践能力,有助于实现培养实践型人才的宗旨,强化专业主干实验课实践创新教育功能,分层次分步骤开展创新实验项目,发散学生思维空间,强化学生创新能力。[8]

(三)加强开放多元的教学方式在实验实践教学的应用

利用课程设计、大学生竞赛,参与教师科研项目等活动,在选题、构思、方案比选、实施、撰写等多环节方面逐步引导学生,培养学生的实践创新能力。创设固定的校外专业实习、培训基地,为学生提供实践锻炼平台。创设长时间开放实验室,实现在时间、空间上的全方位开放,培养学生基本的实验技能和利用所学知识进行综合设计的能力。通过参与大学生竞赛,教师科研项目等活动,学生综合能力得到锻炼,仅2020年,就获得了一系列成果。例如,指导学生获得了计算机软件著作权1项;授权实用新型专利1项;获得2020年安徽省机器人大赛二等奖;获得2020年安徽省第六届“互联网+”大学生创新创业大赛铜奖;获得2020年第九届“挑战杯”安徽省大学生创业计划竞赛铜奖;获得2020年第十五届“全国大学生智能汽车竞赛”安徽赛区普通四轮组三等奖;获得2020年黄山学院第三届“大学生节能减排社会实践与科技竞赛”二等奖1项,三等奖1项;指导国家级大学生创新创业教育训练计划项目2项。以上是在2020年指导的3个小组取得的成绩。当作教改总结时,课题组老师们普遍感到振奋,可以想象,如果真正全面实现这种开放多元的教学改革,对释放学生的创造力将产生极为重要的推动作用,也必将真正使得自主学习在学生内心生根发芽,帮助他们以后获得更大的持续的增长。这些成绩充分说明了开放多元的教学方式对学生综合能力的提高的确起到显著的作用。

三、课程教学改革的经验

在实际课程教学活动中,学生在头脑风暴阶段显示出高度的参与和热情,这一点在收集最终观点时表现得尤为显著。老师一旦给予学生机会思考和预测机器在所呈现的场景中的行为时,学生就会主动模拟,并在相应界面上出现运行结果,进而获得可视化变量。这种在理论教学中,学生通过自主探索并成功验证理论结论的过程,令课题组老师们感到惊讶和振奋。此外,在教改活动中明显发现,参与过电工电子项目的学生倾向于:采用灵活的策略,创造新的想法,如即兴冒险、愿意试错、迅速从一种设计转向另一种设计、学生之间互补知识、共同讨论想法等特质。相反,未参与过电工电子项目的学生更有可能沿着线性路径前进:规划、构建、故障排除和改进。除了对几个概念的解释外,如果所提出的情景与实验室的实际情况相似,于是便想同时解释理论、模拟和实际部分,这种在实验室内开发的这种想法过于理想,因为学生数过多。因此模拟是目前作为理论和实验部分之间的相对最好的中间步骤。通过模拟,最大限度地实现了学生的“动手”锻炼,可以认为是在虚拟场景中引入了真实元素。此外,学生也有机会对比模拟和实验结果,具有很大的形成价值。

作者:李铮 赵年顺 周云艳 单位:黄山学院信息工程学院

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