構建知識樹共享的電工與電子微實驗教學平臺

譚愛國，顧秋潔，陽玉平

（上海理工大學 公共實驗中心，上海 200093）

構建知識樹共享的電工與電子微實驗教學平臺

譚愛國，顧秋潔，陽玉平

（上海理工大學 公共實驗中心，上海 200093）

針對電工與電子實踐課程的特點及其網絡教學資源存在的問題, 提出了為該課程構建一個具有分層架構, 帶知識導航機制的知識樹, 通過微實驗教學平臺進行知識點傳授, 激發學生自主創新意識, 充分發揮網絡教學資源的共享性和有效性。

知識樹；分層架構；微實驗；資源共享

0 引言

教育領域是知識傳播和創新的主要集散地 ,教育理念和教育手段隨著時代的發展在不斷地更新。在信息技術快速發展的今天, “互聯網+”教育模式已悄然走進我們的課堂, 通過促進互聯網與課堂教學深度融合變革傳統教學模式, 創造了新的教育生態。目前, 除了傳統的課程網站, 微課、MOOC、翻轉課堂、創客運動是“互聯網+”教育的幾大表現形式[1,2]。隨著實踐教學地位的不斷加強, “互聯網+”教學模式也開始走進我們的實踐課堂, 各大高校教師在多樣的“互聯網+”教學模式中都在搭建自己的實踐教學資源, 教學表現形式各有特色, 對常規教學模式起到很好的促進作用。

但是, 在一些基礎類實驗教學資源中, 不同高校之間、同一高校不同專業之間、不同任課教師之間存在對同一知識要素重復建設的現象, 網絡資源的共享性發揮不夠；同一課程體系資源缺乏系統性,知識架構不明顯, 缺少知識引導功能, 導致資源受用率不高。如何才能使學生在網絡學習的過程中實現自主性 ,最大限度的發揮“互聯網+”教育資源的網絡共享性[3,4], 網絡學習平臺需要對課程資源進行系統規劃, 通過向學生推送知識引導, 輔助學生更有效的學習 ,激發學生自主創新意識, 真正培養學生的學習能力與創新能力。針對上述問題, 結合高校電工與電子實踐課程特點, 文中提出了構建基于知識樹共享的微實驗網路實踐教學平臺[5-8], 討論了其具體實施方法及平臺的效果與特色。

1 電工與電子實踐課程特點及其“互聯網+”教學資源分析

電工與電子實踐課程是各工科院校支撐面最為廣泛的基礎實踐課程, 課程應用廣泛、實用性很強,課程涉及的各種新器件、新技術及實驗平臺發展迅速, 對學生后續專業課程的學習、工程實踐以及創新能力的培養起著至關重要的作用。為該類課程提供一個具有分層架構、知識點描述通用的微實驗共享的實踐教學平臺, 引導學生自主學習, 充分發揮此類課程網絡教學資源的功能, 提高網絡教學資源的受用率, 為后續專業課程的學習打下良好的基礎,才能真正將“互聯網+”教學模式的優勢發揮出來。

高校電工電子實踐課程包含了“電路實驗”、“電工技術實驗”“電子技術實驗”“模擬電子技術實驗”、“數字電子技術實驗”、“電工與電子技術綜合實驗”等課程。系列課程之間教學內容存在延續關系, 相近門類課程之間的教學內容交集面廣。面向不同專業, 同一課程名稱下又包含幾種不同的課程大綱,其教學內容, 教學目標存在差異, 但也存在知識點重合的地方。不同專業的學生, 同一專業不同層次的學生對實踐知識的需求也各不相同。

目前, 電工電子實踐課程網絡教學資源包含精品課程、課程網站、微課、MOOC、開放式實驗項目等。不同“互聯網+”教學模式下的教學資源有重合與互通部分, 系列課程之間, 相近門類課程之間,相同課程名稱不同大綱課程之間, 不同專業之間、不同任課教師之間存在對同一知識要素重復建設的現象, 網絡資源的共享性發揮不夠。其次, 系列課程網絡資源比較松散, 缺乏系統性的整合, 大部分是教學內容的搬家, 或是傳統教學課堂的重現, 學生往往還是機械地跟著教師按部就班的學習或查漏補缺的學習, 學生學習的自主性和靈活性不夠, 網絡教學資源缺乏對學生自主學習引導, 不利于激發學生自主創新意識, 導致網絡資源受用率不高。另外,分析電工電子實踐課程網絡資源的內容配比情況發現, 通識、基礎和應用實驗板塊存在許多重復建設資源, 而綜合應用與創新實驗板塊資源相對比較匱乏, 課程知識架構缺乏系統性, 導致建設資源分配不合理, 無法實現資源大范圍的共享。

2 電工與電子實踐課程知識樹構建方法

知識樹是用樹的形式來描述整個學科的結構和知識點的內在聯系, 知識樹可以把知識點結集成知識體系。知識樹構建的重要任務就是知識點的定義與劃分、知識點的結集[9-10]。

我們在進行知識樹的構建過程中, 首先對兄弟院校電工與電子系列實踐課程的教學大綱、所開實驗項目內容、實驗項目的實施方式等進行了調研,了解電工與電子系列實踐課程包含的知識點有哪些、知識點之間的共性與聯系、知識點的實踐傳播方式。通過對課程的系統分析, 我們打破了以單一課程為建設對象的傳統觀點, 將電工電子系列實踐課程作為一個完整的知識體系進行研究, 分析知識點的通用性、交互性, 結合學校學科和專業特點, 提煉出一系列的具有通用性, 符合微實驗建設特點的單一知識點和復合知識點。

在知識點結集成知識體系過程中, 知識樹的縱向結構, 我們引入分層架構的思想, 滿足學生對實踐知識點的層次化需求, 提供靈活的實踐學習選擇[11]。在縱向結構中, 我們構建的知識樹包含以下六個層次性結構單元：電工電子實踐工程中常用工具；基礎知識實驗；基本應用實驗；常用功能性設計實驗；綜合設計實驗；系統創新實驗。知識樹橫向結構, 依據知識點圍繞結構性知識單元闡述的角度與范疇來確定知識點之間是平行關系還是依賴關系, 將知識點的學習順序, 知識點的內在關聯表現出來。下面介紹一下我們所構建的知識樹的基本框架：

（1）電工電子實踐工程中常用工具單元, 包含的知識點有：常用設備與儀器的使用、常用電子元器件的識別、常用焊接工具、輔助工具以及焊接技術、電類仿真軟件的使用、可編程軟件的使用、電類虛擬實驗平臺的使用、電子產品的設計工具、電子產品開發軟件、電子產品的設計流程；（2）基礎知識實驗單元, 包含的知識點有：基本概念實驗、基本定理實驗。如：電位與電壓的測試實驗、等效參數測試實驗, 串聯諧振電路實驗、疊加原理和戴維南定理實驗等等；（3）基本應用實驗單元, 包含的知識點有：三相電路實驗、電機控制實驗、放大電路實驗、組合邏輯電路實驗、時序邏輯實驗等等；（4）常用功能性設計實驗單元, 包含的知識點有：波形發生器電路設計、信號變換電路設計、電源設計、紅外遙控電路設計等等；（5）綜合設計實驗單元, 包含的知識點有：模塊式直流電機運動控制系統設計、溫度檢測與控制電路設計等等；（6）系統創新實驗單元, 包含的知識點有：結合專業特色和技術前沿設計的系統綜合型實驗, 如多傳感器室內物聯網實驗等等。在知識樹中我們還提供很多關聯知識點, 擴大學生的知識面, 更好的幫助學生掌握該課程體系。對于復合知識點的構建除了依據知識本身屬性, 還考慮了該類課程對專業的支撐, 設計了電子電氣類、醫療器械類、機械類等的功能電路,復合知識點依據專業特色提供具有導航功能的, 可配置的實踐實現方案, 對學生實踐學習進行引導。

3 電工與電子微實驗教學平臺的實現

常規實驗課堂教學, 教材、課件、講授互動、實驗指導、實驗現象和故障分析、課程測試評估等是保障教學質量的關鍵環節, 對于網絡實驗學習平臺, 要實現所有學習環節是不現實。在系統性分析電工與電子實踐課程體系的基礎上, 結合學校專業特色, 先構建電工與電子實踐課程知識樹可視化結構, 知識樹上每一個單一知識點實驗項目對應一個微實驗視頻學習資源[12], 復合知識點實驗項目包含多個微實驗視頻資源, 并輔助有引導鏈接視頻資源。對知識樹中所有實驗項目標注有知識點的學習順序與關聯知識。微實驗視頻教學資源的內容重在實驗操作、實驗功能實現、實驗過程分析與調試, 微視頻中的實驗方式包含現實實驗、仿真實驗、虛擬實驗[13-14]。在平臺的構建過程中, 我們還考慮了避免資源的重復構建以及平臺的可擴展性, 充分提升網絡學習平臺的共享性與資源配置的靈活性。

微實驗教學模式, 教學目標明確, 每一個微實驗都針對一個特定的問題, 視頻的長度控制在學生注意力能比較集中的時間范圍內, 符合學生身心發展特征, 同時通過網絡發布的視頻便于學生一段時間學習之后的復習和鞏固[15-16]。通過基于知識樹的微實驗網絡教學平臺, 學生從總體上了解電工與電子實踐課程知識結構, 依據自己的專業和興趣進行有選擇的學習一個層次, 一個類別或某個具體電路功能的實現的學習模式, 避免學習的盲目性和被動性, 提高學習的自主性, 進而培養學生自學能力。

4 構建知識樹共享的電工與電子微實驗教學平臺的作用

（1）優化網絡教學資源, 體現教學的系統性

為電工與電子實踐課程構建基于知識樹的微實驗網絡實踐教學平臺, 可以解決目前高校電類基礎實驗“互聯網+”教學資源松散, 資源建設重復等現象, 優化網絡教學資源, 提高資源的受用率與資源的有效性, 從校內資源共享逐步發展到校間的共享,讓更多的教師和學生收益。以“電工與電子實踐系列課程”為研究對象, 建立知識體系, 尋找知識之間的聯系, 按照知識規律, 打破常規, 引導學生從總體上了解知識結構, 然后進行分層學習, 最后在認識部分的基礎上再把握整體的學習方法, 體現了教學的系統性, 有利于學生掌握知識規律, 有目標的學習, 培養學生自學能力。

（2）通過知識引導, 倡導學生的個性發展, 激發學生主觀能動性

基于知識樹的微實驗網絡實踐教學平臺中知識內容具有分層架構和導航機制, 在知識樹復合知識點的學習資料中, 還結合了學生專業特色, 提供了通用的, 靈活配置的實踐問題解決方案, 充分調動了學生做實驗的興趣和主觀能動性, 使學生的個性得到很好的發揮。采用系統知識引導的方式, 學生不再是為了實驗而實驗, 實驗目標明確, 不再機械地依賴實驗教師指導, 學生的動手能力、思考能力、創新能力都得到了很好的鍛煉。

（3）擴大教學內容, 豐富實驗手段

基于知識樹的微實驗網絡實踐教學平臺通過微實驗教學模式對理論與實踐課程進行延伸, 微視頻中的實驗方式包含現實實驗、仿真實驗、虛擬實驗等, 解決了目前高校存在的實驗學時, 實驗場地、實驗設備等有限等問題, 實現實驗方式的靈活性, 實驗手段的多元化。通過該平臺的使用可以改革傳統的統一授課模式, 實驗內容更豐富, 多方面的深化理論課堂的學習, 優化教學效果。

5 結語

知識樹可以將知識系統化, 結構化, 知識點通過微實驗視頻教學, 教學目標明確, 學生的學習效率高。通過構建基于知識樹的微實驗網絡實踐教學平臺, 將跨課程, 跨專業的電工與電子系列實踐課程知識整合起來, 理清電工與電子實踐課程知識點之間的邏輯關系, 通過總體和局部目標引導的方法,讓學生有目標的學習, 培養學生自學能力和學習興趣。

[1] 范建麗, 方輝平. “互聯網+”時代高校微課發展的對策及應用[J]. 遠程教育雜志, 2016(3): 104-112.FAN J L, FANG H P. Strategies and Application of Universities Micro-lecture in “Internet +” [J]. Journal of Distance Education, 2016(3): 104-112.

[2] 謝貴蘭. 慕課、翻轉課堂、微課及微視頻的五大關系辨析[J]. 教育科學, 2015, 31(5): 43-46.XIE G L.Analysis of Five Relationships between MOOCs,Flipped classroom, Micro-lecture and Micro-video[J]. Education Science, 2015, 31(5): 43-46.

[3] 胡永斌, 黃榮懷. 精品資源共享課的資源建設和開放共享現狀調查[J]. 電化教育研究, 2015(2): 65-69.HU Y B, HANG R H. Investigation on Resource Construction and Open Sharing of Excellent Resource Sharing Course [J].E-education Research, 2015(2): 65-69.

[4] 鄭廣成, 朱翠苗. 高職優質微課資源的信息化建設途徑和共享研究[J]. 軟件, 2017, 38(5): 49-51.ZHENG G C, ZHU C M. Study on the Way of Information Construction and Sharing of High Quality Micro Course Resources in Higher Vocational Colleges[J]. Software, 2017,38(5): 49-51.

[5] 趙建華. 高校實驗教學目標探析[J]. 高教探索, 2012(4):71-73.ZHAO J H. Analysis of Experimental Teaching Objectives at Universities[J]. Higher Education Exploration, 2012(4): 71-73.

[6] 王增勝, 廉振紅. 構建知識樹法在《機電一體化技術與系統》教學中的應用[J]. 中國科技信息, 2010(13): 252-253.WANG Z S, LIAN Z H. The Application of Knowledge Tree in the Teaching of "mechatronics technology and system" [J].China Science and Technology Information, 2010(13): 252-253.

[7] 丁守成, 張愛華, 黃瑞等. 電工電子實驗系列課程體系建設[J]. 電氣電子教學學報, 2015, 37(6): 98-104.DING S C,ZHANG A H,HUANG R. Construction of Electrical and Electronic Experiment Courses system[J]. Journal of EEE, 2015, 37(6): 98-104.

[8] 史源平, 于京生, 蔡文霞等. 應用型本科院校電類教學體系改革及教師轉型探索[J]. 石家莊學院學報, 2016, 18(3):148-150.SHI Y P, YU J S, CAI W X. Toward the Reform in Electrical Teaching System and Transition of Teachers in Application-Oriented Institutes[J]. Journal of Shijiazhuang University,2016, 18(3): 148-150.

[9] 譚愛國, 江霓, 顧秋潔. 知識樹在高校微課實踐教學中的應用[J]. 軟件, 2017, 38(6): 35-38.TAN A G, JIANG N, GU Q J.The Application of Knowledge Tree in Micro-lecture Practical Teaching at Universities[J].Software, 2017, 38(6): 35-38.

[10] 賈巍, 瞿堃. 知識表示視野下網絡課程知識點關系研究[J].繼續教育研究, 2008, (5): 62-64.JIA W, QU K. Research on the Relationship between Knowledge Points in Network Courses from the Perspective of Knowledge Representation [J]. Continue Education Research, 2008, (5): 62-64.

[11] 譚愛國. 多層次開放式電工與電子實驗教學模式[J]. 實驗室研究與探索, 2010, 29(8): 127-129.TAN A G. Research on Multilevel and Open Teaching Model of Electrical and Electronic Experiment [J]. Research and Exploration in Laboratory, 2010, 29(8): 127-129.

[12] 劉曉天, 顧大明. 基于微視頻的高職翻轉課堂教學實證研究[J]. 軟件, 2015, 36(11): 18-22.LIU X T, GU D M. Empirical Research on the Flipped Classroom Teaching Based on Micro-video in Higher Vocational College[J]. Software, 2015, 36(11): 18-22.

[13] 劉紅亮, 王丹志. 基于Flex的虛擬實驗平臺的設計與開發[J]. 軟件, 2015, 36(1):77-81.LIU H L, WANG D Z. Design and Development of Virtual Experiment Platform based on Flex[J]. Software, 2015, 36(1):77-81.

[14] 文琪琪, 文福安. 虛擬實驗指導系統的交互設計研究[J].軟件, 2013, 34(8): 20-23.WEN Q Q, WEN F A. Research of Virtual Experimental Guidance System Interaction Design[J]. Software, 2013, 34(8): 20-23.

[15] 馬超, 李衛民, 王宏祥. 基于微課的大學實驗教學模式探索[J]. 遼寧工業大學學報(社會科學版), 2016, 18(3):113-116.MA C, LI W M, WANG H X. Exploration of University Experimental Teaching Mode Based on Micro-lecture [J]. Journal of Liaoning University of Technology(Social Science Edition), 2016, 18(3): 113-116.

[16] 王雪. 高校微課視頻設計與應用的實驗研究[J]. 實驗技術與管理, 2015, 32(3): 219-226.WANG Y. An Experimental Study on Design and Application of Micro-video in Colleges and Universities[J]. Experimental Technology and Management, 2015, 32(3): 219-226.

Construction of Micro-experiment Sharing Teaching Platform Based Knowledge Tree for Electrical and Electronic Practice Course

TAN Ai-guo, GU Qiu-jie, YANG Yu-ping
(Public Experiment Center, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China)

Aiming at the characteristics of electrical and electronic practice course and the problems existing in the network teaching resources of it, a knowledge tree with layered architecture and guiding function is presented,the knowledge was passed on to students through micro-experiment teaching platform, to stimulate students' consciousness of independent innovation and to give full play to the sharing and effectiveness of network teaching resources.

Knowledge tree; Layered architecture; Micro-experiment; Resource sharing

G642.0

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.061

本文著錄格式：譚愛國, 顧秋潔, 陽玉平. 構建知識樹共享的電工與電子微實驗教學平臺[J]. 軟件, 2017, 38（12）：305-308

2017年上海理工大學教師教學發展研究重點項目(CFTD17018Z)

譚愛國(1976-)，女，湖南湘潭人，碩士，高級實驗師，主要研究方向為工業網絡通信技術及電工與電子技術實驗教學。顧秋潔(1980-)，女，上海人，碩士，實驗師，主要研究方向為信號與信息處理。陽玉平(1976-)，女，湖南衡陽人，碩士，高級工程師，主要研究方向為控制理論與控制工程。