“模擬電子技術基礎”融合式教學改革

翁 玲 李永建 陳盛華 孫 英

(河北工業大學 電氣工程學院, 天津 300401)

“融合式教學”(Hybrid Learning)是指傳統課堂與在線教育相互融合的教學方式,被認為是混合式教學(Blended Learning) 2.0 版本[1]。融合式教學更加強調傳統課堂和在線教育的充分融合與互相交織,強調在完整的教學過程中(包含教學方法、教學形式、學生的學習評價等)進行全方面多維度的深度融合[2]。因為有了“同步模式”,融合式教學具有靈活性強、互動性多等突出優點,這些恰好是混合式教學所不具備的。融合式教學不是簡單的“線上教學”+“線下教學”,而是通過不同認知目標的知識分類,將知識配置到不同的教學形式中,從而發揮線上教學和線下教學的最大效能[3-4]。融合式教學在疫情防控常態化階段發揮了重要作用[1-2],在一流課程建設中,融合式教學也正在成為主流教學模式[5]。

近年,課程思政在高等學校中被反復提及并逐漸深入[6]。習近平總書記在2016年指出,“使各類課程與思想政治理論課同向同行,形成協同效應”。各高校持續深入執行課程思政理念,清華大學于歆杰教授指出要開展高質量課程思政,課程要做到思政教育和混合式教學相互促進[7]。

“模擬電子技術基礎”課程是電氣工程及其自動化、生物醫學工程、新能源科學技術、自動化等專業的專業基礎課程。為落實教育部指導綱要,各高校“模擬電子技術基礎”課程結合學校自身特點,積極進行混合式教學改革,同時進行課程思政建設實踐。清華大學電子學課程組將辯證思想貫穿模擬電子技術分析與設計中。華中科技大學結合慕課堂線上學習數據與線下考試成績研究學生在線學習的行為表現與學習效果之間的關聯性,從而持續改進[8]。中北大學通過在“模擬電子技術基礎”課程中變換教學方式、設計教學活動、選擇教學材料方面滲透思政教育[9]。江蘇科技大學進行了電工電子“課程思政”建設,主要從教師的思政意識、特色的教學設計和綜合的教學改革等方面開展[10]。西安文理學院從傳統文化中挖掘大量充分的思政教學素材用于“電子技術”課程的“課程思政”[11]。

河北工業大學電子學課程組持續進行“電子技術”基礎課程線上線下混合式教學,注重學生創新能力培養[12]。然而在教學中仍然存在以下痛點問題:教師難于精確掌握學生學習效果;理論課和實驗課分開進行,不能保證每次理論課后立即進行相應實驗,理論與實踐結合困難;在疫情防控常態化的今天,學生不能全員返校等。發揮實質等效的教學效果急需進行融合式教學改革。“模擬電子技術基礎”課程組經過多年探索與實踐,從教學目標、教學模式、教學活動、考核評價等方面進行融合式教學改革,在凸顯學生學習主體地位的同時發揮教師的主導作用,起到了良好的教學效果。

1 思政引領、知能并重修訂課程目標

1.1 課程目標修訂

依據專業培養目標和畢業要求,“模擬電子技術基礎”課程目標從知識、能力和素質三個層面出發,使學生獲得模擬電子技術方面的基本知識和基本技能,轉變學生思維,拓展學生視野,培養創新意識,提高學生自主學習、實踐動手和團隊協作能力。具體體現為:

(1)知識與能力目標:掌握常用半導體器件應用,了解模擬電子技術前沿發展及在工程領域中的主要應用。掌握模擬電路基本概念和分析方法,選擇合適模型計算電路性能指標,培養學生的工程思維和分析解決復雜電子系統問題的能力。能識別單元電路和電子電路系統,選定合適參數完成電路設計,提高團結協作和實踐創新的綜合能力。

(2)素質與思政目標:引導學生辯證思考,培養學生深度分析、精益求精、勇于創新的精神,形成嚴謹務實的科學素養和高級思維,激發學生科技強國的家國情懷和“興工報國”的使命擔當。

1.2 課程思政融入

為達成課程目標,除知識傳授與能力培養外,課程組結合辯證唯物主義思想,廣泛而深入地發掘“模擬電子技術基礎”課程蘊含的課程思政元素,建立課程思政案例庫,潤物無聲融入思政,助力課程的素質與思政目標達成。如學習電子技術集成電路知識時,借助國內外的重要時政(如華為、中興事件),說明核心技術是國之重器,鼓勵學生發奮學習,刻苦鉆研,掌握扎實的專業技術助力國家科技進步。在“模擬電子技術基礎”分析和設計過程中暗含辯證思想,有一利必有一弊,授課時結合授課內容適時引導學生樹立正確的三觀。如表1所示為“模擬電子技術基礎”課程知識點關聯的課程思政元素。課程共梳理出30個課程思政元素,基本實現每次課 “潤物無聲,化鹽于水”的思政效果。

表1 課程知識點與思政元素

2 線上線下融合教學轉變教學模式

2.1 教學環節與信息技術融合提升教學效果

課程采用清華大學“模擬電子技術基礎”精品在線開放課程和課程組自行錄制的視頻,依托“雨課堂”“雷實驗”平臺開展線上與線下融合式教學。根據課程內容屬性,將教學環節與信息技術緊密融合,利用“雨課堂”中的大數據技術精確分析學生學情,采用不同的融合式教學方法。

“模擬電子技術基礎”的教學內容主要有:基礎部分(半導體器件基礎、基本放大電路分析、集成運算放大電路分析、頻率響應等)和應用部分(反饋放大電路、信號的運算與處理電路、波形發生電路、信號轉換電路、直流電源、功率放大電路等)兩大類。基礎部分重基本概念,利用“雨課堂”發布的課前線上預習內容少(預習內容選用學堂在線中清華大學“模擬電子技術基礎”精品在線開放課程),主要以教師課堂線下講授為主,課后學生需要線上完成的主觀題作業較多,夯實基本概念;應用部分偏工程實際,利用“雨課堂”發布的課前線上自學視頻較多,教師線下講授較少,課堂以分組討論、知識點串講、案例教學為主,課后學生完成線上主觀題、綜合設計等作業,擴展應用范圍。經過近四年的融合式教學實踐,學生的學習主動性顯著提高,教學效果較好。

2.2 雨課堂與雷實驗結合開展智慧實驗

目前很多高校“模擬電子技術基礎”的理論課程與實驗課程為獨立的兩門課程[13],減少了課程中的相互融合。由于實驗室空間與時間限制,學生學完理論內容后不能立即進行實驗,降低了教學效果。基于便攜式電子實驗平臺和“雨課堂”教學工具,北京時代行云公司開發了能線上線下混合的智慧“雷實驗(Lab of Electronics Intelligence,LEI)”系統,“雷實驗”系統具備便攜、實驗時間不受時空限制、實驗報告自動生成等突出特點。

河北工業大學“模擬電子技術基礎”課程構建了如圖1所示的輔助智慧實驗系統[14],系統中的實驗儀器為“雷實驗”,信息交互媒介為“雨課堂”。具體實施時教師在學期初發給學生“雷實驗”便攜實驗平臺,依據教學內容布置“雷實驗”題目,學生在“雷實驗”平臺上做完教師布置的實驗任務。實驗分為3個層次:第一層次為學生使用“雷實驗”完成驗證性實驗,如單管和差分放大電路等;第二層次為利用“雷實驗”平臺進行設計性實驗,如積分微分運算電路設計等;第三層次為綜合性實驗,學生利用課余時間以線上線下結合的方式在“雷實驗”平臺完成具體的模塊電路實驗,于固定時間內在模電實驗室完成整個綜合實驗。第二、三層次由教師發布任務,學生自主完成。第三層次模塊實驗為自愿完成。從實際運行來看,利用“雷實驗”平臺的便攜性,學生可任選時間地點完成大部分的模塊電路實驗,簡化了傳統實驗室安排實驗時間的流程。

圖1 基于“雷實驗”平臺的輔助智慧實驗系統

3 理論教學創新實踐提升學生能力

3.1 云學堂助力理實結合

當病毒肆虐學生無法返校時,“模擬電子技術基礎”課程結合河北工業大學實際情況,在實驗室錄制示波器的使用、二極管應用電路、單管放大電路靜態與動態調試、雷實驗平臺使用、差分放大電路、反饋放大電路交直流測試、運算放大器檢驗、電壓比較器等25個微課和綜合考試實驗、往屆學生復雜系統設計等50個綜合設計視頻,發布在河工云學堂平臺,作為理論課程內容的必要補充。學生根據課程進度隨時觀看實驗現象,增加對課程講授的理論知識的理解,做到理論實驗強結合。

3.2 科教融合擴展視野

采用科教融合的方法,結合電氣工程領域的發展前沿和典型電子技術應用,將省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室的最新成果合理引入本科生課堂。如在講述運算放大電路時,引出Science上發表的關于數字觸覺傳感器論文,論文把觸覺信息轉變為數字量,需要用壓控振蕩電路,積分運算電路是壓控振蕩電路的核心部分,從而引出運算放大電路的內容,既吸取了學生的注意力,又能把重點實驗室中關于磁致伸縮觸覺傳感器的內容融入本科生課堂。講述積分、微分和信號變換等運算電路時,引入國家重點實驗室自行設計的磁性材料三維磁特性測量系統、磁性材料多參數磁測量系統等裝置,在進行磁材料磁滯回線測試時,由于測得的信號較弱,需要利用基本運算電路對信號進行放大和濾波。在測量磁感應強度時,由電磁感應定律測得的磁感應強度和線圈兩端的電壓為積分關系,測試系統中需要利用積分電路獲得被測材料的磁感應強度。

3.3 科技競賽提升能力

課程組鼓勵并指導學生積極參加創新創業競賽、挑戰杯、電子設計競賽等。學生參加科技競賽,需要進行資料查閱、器件選擇、電路設計、方案驗證等工作,參加競賽既能培養學生動手實踐能力,提高學生工程創新和團結協作能力,又可驗證融合式教學效果。比如:結合基于信號處理電路、濾波電路、模擬/數字與數字/模擬轉換電路、功率放大電路等進行機器人觸覺傳感器信號采集與智能控制系統設計、多傳感器輸出信號濾波與數據融合等指導學生參加大學生創新創業競賽。近三年,課程組教師指導學生獲得2022年第十七屆“挑戰杯”大學生課外學術科技作品競賽總決賽國家二等獎、2022年第七屆“互聯網+”大學生創新創業大賽總決賽國家二等獎、第六屆“互聯網+”大學生創新創業大賽國家三等獎、第十四屆iCAN國際創新創業大賽中國總決賽國家三等獎等獎勵,提升了學生的綜合能力。

4 多元考核融入過程優化考評方式

課程考評貫穿課程教學的全過程,對課程教學進行有效延伸,是師生對前一階段課程教學的總結與評價,也對新課程教學起到鋪墊和指引作用。按照教學目標和教學要求,“模擬電子技術基礎”課程改變“一張期末試卷”的傳統考核方式,以期末考試與平時成績相結合的考核評價方法,過程化與個性化結合,形成性評價與結果性評價結合,全面考核學生綜合能力。針對課程的基礎知識、課程的授課方式、學生的學習方式等設計了多維考核方式,線上考核以客觀題為主、作業以主觀題為主,線下考核采用學生匯報、案例報告等多種形式。

以2022春季學期為例,平時成績以100分計,占比40%,分成以下部分:①課堂表現(占比30%)。考核方式為雨課堂視頻預習、課堂測驗、線上測驗等;②雨課堂預習(占比15%),考核方式為雨課堂視頻預習線上測驗等;③雨課堂測試(占比15%),考核方式為雨課堂線上測驗、期中測試、單元測試等;④平時作業(占比20%),考核方式為線下紙質作業、雨課堂等線上作業;⑤綜合設計大作業(占比20%),考核方式為研究報告(設計方案、電路仿真、仿真結果及分析)。期末考試以100分計,占比60%,考核學生對各部分知識點的掌握情況。將多元考核融入教學全過程,全面考核學生對本課程的知識掌握情況和經過系統學習后的綜合能力。

5 結語

“模擬電子技術基礎”課程積極推進了融合式教學改革,探索了教學要素、教學環節的有機融合。教改過程不僅進行了線上線下教學方式的融合,還包括融入課程思政、理論與實踐結合、多種教學資源融合、多元考核方式融合等,切實提升了教學效果,促進了一流課程建設。