《印制電路板設計》課程的翻轉課堂教學模式研究

孫罡+余振中+趙國樹+楊忠

摘要：《印制電路板設計》是自動化一門培養學生實踐動手能力的課程，本文探究了該課程基于翻轉課堂的新型教學模式，制定了翻轉課堂的具體實施過程，并在教學實踐中對教學效果進行了評估。實踐結果表明該教學模式能有效提高學生的參與度和自信心，激發學生的學習熱情，更有利于教師因材施教，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：印制電路板；教學模式；翻轉課堂

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）39-0087-02

一、引言

近年來隨著超大規模集成電路的發展以及智能制造2025、工業4.0概念的推廣，各類新型智能工業設備和消費電子產品層出不窮。作為智能系統和智能芯片的物理載體，印制電路板也得到了廣泛應用，其在集成密度和可靠性等方面對設計者和加工工藝都提出了較高的要求。《印制電路板設計》作為自動化和儀器儀表等專業的一門基礎課，旨在培養學生使用計算機輔助設計軟件進行電路板設計和加工的能力。本課程以AltiumDesinger軟件為主體，介紹PCB的相關基礎知識、PCB設計流程和設計技巧等內容，通過學習學生可以獨立實現電路原理圖和印刷電路板的設計，為今后在工作中的實際應用打下較為堅實的基礎。

二、現有教學模式存在的問題

《印制電路板設計》包括理論教學和實踐教學兩大部分，理論教學中除了PCB相關基礎知識外，主要講授的是AltiumDesinger軟件的使用方法，而實踐教學主要是指導學生進行原理圖和PCB的設計。傳統授課方法在教學實踐中存在以下問題。

1.教學模式中過度地以教師為中心，學生參與程度低。通常先由教師對知識點邊講解邊操作，隨后交由學生重復之前的操作過程。這種模式下學生缺乏對操作步驟的理性認識，容易出現遺忘，更談不上因材施教，不利于學生個性的發展。

2.實踐過程中師生互動較少，這樣很不利于教師抓住教學過程中真正的難點。

3.課后時間沒有得到充分利用。課后學生缺乏監管，大部分無法做到主動預習和復習鞏固。軟件應用類課程的作業多為電子文件格式，抄襲非常容易，無法引起學生的重視。

4.課程考核方式不合理。現仍有部分軟件應用類課程采用試卷考核的方式，這與應用型課程的初衷相違背。課程考查的應是學生的操作技能，而不是死記硬背指令和菜單。

因此，需要對應用型軟件設計類課程進行教學模式上的探索與改革，調動學生的學習積極性，提高授課效率。

三、翻轉課堂教學模式及可行性研究

翻轉課堂源自2007年兩位美國科羅拉多州鄉村化學教師，在這種模式下，教師將學習過程由小組學習空間轉移到個人學習空間中進行。教師通過各種途徑制作授課視頻供學生在課外完成知識的學習，而課堂變成了老師學生之間和學生與學生之間互動的場所。教師由知識的傳授者變成了學生學習的指導者和督促者，課堂的主角由教師變成了學生，教師更多時間是在指引學生自己解決問題。本課程旨在培養學生的應用設計能力，完全可以將翻轉課堂模式與之相結合。首先，該課程并沒有涉及到太多的專業理論知識，難度較低。AltiumDesinger軟件的網絡學習資源也比較多，因此具有一定電路基礎的學生完全可以通過看書或者視頻課程進行自學。其次，PCB制作過程中比較重要的環節就是走線和優化，很大程度上依靠設計者自身的經驗，每個學生面對的問題都不相同，這個環節比較適合師生之間一對一的輔導，而翻轉課堂的課內實踐環節可以解決這個問題。綜上，在《印制電路板設計》這門課程中使用翻轉課堂模式是可行的。

四、翻轉課堂模式下的教學安排

課前學習階段中，教師制作和收集學習資源，完成資源的發放并布置習題。而學生的任務則是對學習資源進行學習，充分理解各知識點，最后完成習題。學習資源越精華，學生對知識點的理解越透徹，后期遇到問題的概率就越低。習題應緊密圍繞授課內容，教師通過批改習題了解學生的對知識點的掌握程度，并據此準備課堂互動內容。

課中階段，教師針對習題反映出來的問題進行講解，學生將自學過程中遇到的問題向教師請教。這種針對具體問題的講解可以解決學生在求知方面的迫切需要，因材施教提高學生的理解能力和創新能力。隨后教師可布置適合當堂課完成的小題目令學生分組完成，期間教師對學生的完成過程進行監督，通過觀察及時發現學生的問題并糾正。本課程中會準備一些與授課內容相關的作圖任務，考查學生對操作流程和相關技術手段的了解程度。

當堂課后，學生總結課堂內容，對所學知識進行鞏固回顧，還要撰寫相應的實驗報告，如仍有不明白的地方可以繼續聯系教師求解。

期末通過制作PCB實物的方式對學生進行考核，鼓勵學生根據自身愛好自擬題目，鼓勵創新設計。加工實物體現了教師對學生知識掌握程度的信任，這種信任反過來也督促著學生加深對課程的重視程度，是一個相互促進的過程。

五、教學實例及分析

1.授課視頻制作。整個視頻以軟件操作界面為主，配以講解。首先由實際的制圖需求引出為何需要自定義元器件符號，然后以89C51單片機為例，教授學生如何根據元器件手冊確定器件引腳個數和定義。接著，在AltiumDesinger中新建一個器件符號，完成器件體符號和引腳的繪制，并根據器件手冊對各個引腳名稱進行修改。最后將新繪制的符號保存在元器件符號庫中，并在原理圖中驗證新建符號是否能被調用。習題則選用了若干常用電子芯片的手冊，讓學生對元器件的原理圖符號進行繪制，所有元器件符號打包在一個元器件符號庫中，最終上交的是庫文件。

2.教學資源發布。將視頻和習題上傳至授課班級的QQ群中，文件下載次數統計可以一定程度上幫助教師了解學生的進度。經多次實測，通常文件上傳后第二天的下載量達到最大，因此教師需要在授課前3—4天將教學資源上傳。

3.課前知識學習。學生對視頻等資料進行學習，完成習題并在指定時間內上傳至QQ群中。該過程中，對于自己暴露出來的問題，可以通過其他途徑自己解決，也可以記錄下來在課堂上向教師詢問。教師則要根據習題完成情況，對普遍問題進行備課講解，個性問題則記錄下學生的名字單獨講解。本次習題中反映出來的一個普遍問題是：學生容易弄混引腳“標識號”和“顯示名稱”這兩個屬性。endprint

4.課中知識內化。課堂上就習題中反映出來的問題進行講解，時間充足的情況下習題中的個別問題也可以和學生們一起分享，并接受學生的舉手提問。鑒于此前學生已經學過如何繪制電路圖這一過程，后半堂課令學生分組完成含有陌生器件電路圖的繪制任務，一方面鞏固復習上堂課的知識，一方面令其體會本堂課內容在實際項目中是如何應用的。期間，教師對學生的繪圖過程進行監督和指導，并為學生答疑解惑。

5.課后交流互動。課后學生在實際應用過程中會遇到各類相關問題，這些問題并不局限于當堂課的內容，都可以及時和老師進行溝通。教師回復的越及時，學生提問的積極性就越高，從而形成良性循環。

通過總結教學實踐經驗和學生反饋，提高了教學效率。有了學習資源，學生可以選擇自己狀態最好的時刻學習，主動式學習能明顯增強對知識的理解和吸收，一定程度上實現了因材施教。學生在自學過程中，將各自碰到的問題記錄下來尋求教師的幫助，每一個問題都體現出了學生獨特的個性。教師在解決這里每一個問題的時候其實就是在因材施教，通常來說這種思考很久未果，而得到別人指點后想通的知識點通常都會有比較深刻的記憶，降低學生厭學情緒。整個學習過程當中是以學生為中心，期間學生接觸最多的是學習資料和同學，而教師充當的是學習助手的角色。角色的轉變拉近了師生的距離，使得一些比較內向的學生從不敢問變成主動問。有問題能夠及時得到解決，大大降低了學習中的挫折感。

六、總結

本文將《印制電路板設計》課程和翻轉課堂教學模式相結合，在教學實踐中取得了良好的效果。雖然翻轉課堂在形式上實現起來相對簡單，但是具體細節還有很多值得推敲的地方，學生的多樣性使得翻轉課堂每個環節都會受人為不確定因素的影響，因此還需要廣大教育工作者們繼續探索和完善。

參考文獻：

[1]Bergmann J.Sams，A.Flip Your Classroom：Reach Every Student in Every Class Every Day[M].Washington，DC：International Society for Technology in Education.2012.

[2]Bergmann J.Sams，A.Flipped Learning：Gateway to Student Engagement[M].Washington，DC：International Society for Technology in Education.2014.endprint