陳宏 鄧元龍 費(fèi)躍農(nóng) 劉承香 鄭三元

[摘 要] “電路分析”課程作為電類專業(yè)的基礎(chǔ)課，在電子信息工程專業(yè)人才培養(yǎng)中發(fā)揮著重要的作用。基于新工科工程教育的新理念，針對(duì)“電路分析”課程教學(xué)存在的問題，提出主線式模塊化理論教學(xué)、仿真和實(shí)體一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)、工程項(xiàng)目群主導(dǎo)的跨學(xué)科創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的混合教學(xué)模式。教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)模式充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，提高了理論基礎(chǔ)水平、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新研究能力。

[關(guān)鍵詞] 電路分析;新工科;混合教學(xué);工程實(shí)踐;創(chuàng)新

一、引言

為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，2017年2月以來教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”[1-3]。 “新工科”的“新”體現(xiàn)在工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式和教育教學(xué)的新質(zhì)量，提倡多領(lǐng)域結(jié)合、多學(xué)科相交叉，對(duì)當(dāng)前高校人才培養(yǎng)提出了新的要求。

在新工科背景下，現(xiàn)有工科專業(yè)課程的教學(xué)模式需要進(jìn)行深刻的改革創(chuàng)新，建立理論課程體系和實(shí)踐教學(xué)體系緊密結(jié)合的新的人才培養(yǎng)模式，以培養(yǎng)出具有扎實(shí)的理論知識(shí)、豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新創(chuàng)造思維的高素質(zhì)復(fù)合型人才。根據(jù)新工科的新理念，以及“電路分析”課程特征和本校教學(xué)實(shí)踐總結(jié)，研究并建立了主線式模塊化理論教學(xué)、仿真和實(shí)體一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課外實(shí)踐項(xiàng)目群情境化教學(xué)相結(jié)合的混合教學(xué)系統(tǒng)，探索出以提高工程實(shí)踐水平和培育創(chuàng)新研究能力為中心的“電路分析”課程的教學(xué)新模式[4]。

二、當(dāng)前“電路分析”課程教學(xué)存在的問題

“電路分析”作為電類及相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，為學(xué)習(xí)“電子技術(shù)”“傳感器技術(shù)”“電機(jī)拖動(dòng)”等專業(yè)課建立必要的電路基本知識(shí)和方法，其教學(xué)模式產(chǎn)生的學(xué)習(xí)效果直接影響到學(xué)生對(duì)于專業(yè)的深入理解和學(xué)術(shù)興趣。由于“電路分析”課程知識(shí)的學(xué)科特征、傳統(tǒng)教學(xué)思路的慣性，以及新舊教育理念和培養(yǎng)目標(biāo)的差異，當(dāng)前的教學(xué)模式和教育方法上存在以下問題：首先，偏重電路理論基礎(chǔ)知識(shí)的課堂灌輸式單向傳授，無法培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和提高學(xué)習(xí)興趣;其次，學(xué)生對(duì)于同時(shí)學(xué)習(xí)的相關(guān)基礎(chǔ)課程群的融會(huì)貫通能力弱，專業(yè)知識(shí)的學(xué)科交叉和綜合應(yīng)用能力不足;再次，學(xué)生不善于使用相應(yīng)的工程軟件并結(jié)合課堂學(xué)習(xí)的理論知識(shí)有針對(duì)性地解決實(shí)際工程問題，不利于培養(yǎng)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新研究能力。

在本校工科專業(yè)的“電路分析”課程實(shí)際教學(xué)過程中，存在著課堂講授內(nèi)容多與少課時(shí)教學(xué)要求（總學(xué)分≤140分）的矛盾，綜合應(yīng)用其他專業(yè)基礎(chǔ)課程知識(shí)的教學(xué)目標(biāo)與單一固化的以PPT投影和板書為主要授課形式、以作業(yè)和考試為主要考核手段的傳統(tǒng)教學(xué)方法的矛盾，培養(yǎng)解決實(shí)際工程問題并啟發(fā)創(chuàng)新思維能力的教學(xué)目標(biāo)與傳統(tǒng)的以理論知識(shí)學(xué)習(xí)為主、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為輔的教學(xué)形式的矛盾。

三、面向?qū)嵺`創(chuàng)新能力培養(yǎng)的混合教學(xué)模式

針對(duì)“電路分析”課程教學(xué)過程中存在的問題和突出矛盾，通過解析“電路分析”的知識(shí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，基于應(yīng)屆學(xué)生和重修學(xué)生的學(xué)科知識(shí)儲(chǔ)備梯度、心理認(rèn)知規(guī)律以及同時(shí)段選修課程群的知識(shí)關(guān)聯(lián)度，建立以產(chǎn)出為導(dǎo)向的“電路分析”教學(xué)綜合考核評(píng)價(jià)體系。該體系可有效驅(qū)動(dòng)理論教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)踐相結(jié)合，跨學(xué)科課程的知識(shí)交叉和綜合應(yīng)用，基于工程項(xiàng)目群和多工程軟件運(yùn)用的多環(huán)節(jié)、全流程的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)[5]?！半娐贩治觥被旌辖虒W(xué)系統(tǒng)能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，積極提升學(xué)習(xí)熱情和對(duì)本專業(yè)的認(rèn)可度，探索出以提高工程實(shí)踐水平和培育創(chuàng)新研究能力為中心的“電路分析”課程混合式創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式（見圖1）。

（一）主線式模塊化理論教學(xué)

根據(jù)“電路分析”的知識(shí)分布和總課時(shí)分配，調(diào)整和優(yōu)化“電路分析”課程的理論教學(xué)內(nèi)容，建立由不同課時(shí)權(quán)重比的主模塊構(gòu)成的模塊鏈：①直流電路模塊（26學(xué)時(shí)）;②暫態(tài)電路模塊（6學(xué)時(shí)）;③交流電路模塊（20學(xué)時(shí)）;④三相電路模塊（2學(xué)時(shí)）。直流電路模塊是“電路分析”課程教學(xué)的基礎(chǔ)和重點(diǎn)，將其一般分析方法作為理論教學(xué)模塊鏈的主線，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步在相關(guān)知識(shí)上進(jìn)行拓展和延伸。要求學(xué)生在課余時(shí)間自學(xué)非正弦周期電流電路、非線型電路、動(dòng)態(tài)電路的復(fù)頻域分析等，利用線上交流進(jìn)行答疑和討論，不僅達(dá)到少學(xué)時(shí)要求，同時(shí)有效鍛煉和培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的水平和自信心。

為檢驗(yàn)并鞏固課程學(xué)習(xí)效果，采用課堂討論、課堂測(cè)試、課后隨機(jī)習(xí)題訓(xùn)練和單元考試等方式，并對(duì)每次考核采用百分制計(jì)分并及時(shí)公布，以達(dá)到提升學(xué)習(xí)壓力和激勵(lì)學(xué)習(xí)動(dòng)力。實(shí)時(shí)跟蹤和分析學(xué)生的考核數(shù)據(jù)，及時(shí)改進(jìn)教學(xué)方法和方式，建立課上課下學(xué)習(xí)全面融合、以學(xué)定教以生為本的雙向互動(dòng)教學(xué)模式。根本上解決原有的教學(xué)方案造成的課程純理論內(nèi)容繁多、較少課時(shí)教學(xué)要求造成的“滿堂灌”的枯燥學(xué)習(xí)氣氛和低效的學(xué)習(xí)收獲，客觀上致使學(xué)生產(chǎn)生畏難心理、非上課時(shí)段松散學(xué)習(xí)狀態(tài)的教學(xué)現(xiàn)實(shí)問題。

（二）Multisim仿真和實(shí)體一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

Multisim是一款適合電路電子系統(tǒng)仿真分析與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件，具備完備的元器件庫、功能強(qiáng)大的SPICE交互仿真能力、虛擬儀器測(cè)試和分析功能[6]。為加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于電路理論的感性認(rèn)識(shí)并提升學(xué)習(xí)興趣，對(duì)應(yīng)于理論課的教學(xué)進(jìn)度和知識(shí)體系，開發(fā)了基于基爾霍夫電路、RLC一階二階電路、微積分電路、串并聯(lián)諧振電路等基本電路，以及功率測(cè)量電路、電容倍增器電路、移相器電路等多類實(shí)際應(yīng)用電路的Multisim仿真實(shí)驗(yàn)，及時(shí)有效地把理論知識(shí)融會(huì)貫通于電路仿真實(shí)驗(yàn)中。采用課上教學(xué)為引導(dǎo)和課下自學(xué)為主的方式，學(xué)生利用Multisim仿真電路調(diào)整電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，不僅能夠快速地掌握軟件使用技巧，同時(shí)可以加深和拓展對(duì)理論知識(shí)的理解。

在理論和仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)期間同步開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)（包括實(shí)驗(yàn)室實(shí)操和口袋實(shí)驗(yàn)操作），設(shè)計(jì)了電工儀表的使用、戴維寧定理、三相交流電路電壓電流的測(cè)量、含受控源電路等多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（共計(jì)18學(xué)時(shí)），學(xué)生在電路電子實(shí)驗(yàn)室或宿舍中根據(jù)自編實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書完成電路實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比和分析實(shí)際電路的理論計(jì)算、仿真實(shí)驗(yàn)和物理實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提高對(duì)電路理論的理解深度和實(shí)驗(yàn)操作水平。

（三）工程項(xiàng)目群主導(dǎo)的跨學(xué)科創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)

作為專業(yè)基礎(chǔ)課程，“電路分析”的知識(shí)體系主要由理論概念、定律定理、基礎(chǔ)分析方法和計(jì)算構(gòu)成，知識(shí)結(jié)構(gòu)具有重理論輕實(shí)踐的特征。而采用理論為主的教學(xué)模式會(huì)降低學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和教學(xué)效果，無法培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣、創(chuàng)新研究的思維和解決實(shí)際問題的能力，也無法達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和優(yōu)秀的理論研究水平的課程目標(biāo)[7]。同時(shí)選課學(xué)生處于低年級(jí)階段，學(xué)生專業(yè)學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用水平較低，需要建立相應(yīng)的跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，為高年級(jí)具備解決復(fù)雜工程應(yīng)用問題的能力打下基礎(chǔ)。為解決上述矛盾，根據(jù)理論知識(shí)的模塊化系統(tǒng)，以及學(xué)生的學(xué)科知識(shí)背景和學(xué)習(xí)能力分布，基于理論教學(xué)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度，對(duì)應(yīng)教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)的直流電路和交流電路模塊，構(gòu)建了包括3個(gè)同步的、難度等級(jí)適合且遞增的研究型課題的跨學(xué)科工程設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目群（見圖2）。

學(xué)生在課程教學(xué)全周期內(nèi)，按期完成三項(xiàng)工程實(shí)際電路的解決方案規(guī)劃和設(shè)計(jì)、理論分析計(jì)算、程序設(shè)計(jì)、電路Multisim仿真實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告書撰寫和現(xiàn)場(chǎng)答辯的全流程工作任務(wù)。設(shè)計(jì)項(xiàng)目的完成需要相關(guān)學(xué)科的知識(shí)交叉和綜合應(yīng)用，包括高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)、程序設(shè)計(jì)、大學(xué)物理，并綜合使用MATLAB類數(shù)學(xué)計(jì)算軟件、C++類編程軟件和Multisim電路仿真軟件三類工程軟件以及Office辦公類軟件。在精心設(shè)計(jì)的實(shí)際工程項(xiàng)目情境中，學(xué)生可以真實(shí)經(jīng)歷和體驗(yàn)實(shí)踐課題的工程背景、設(shè)計(jì)思路和開發(fā)過程。項(xiàng)目解決方案工程應(yīng)用價(jià)值、優(yōu)化設(shè)計(jì)和開放性設(shè)計(jì)理念促進(jìn)學(xué)生不斷累積和強(qiáng)化渴求新知識(shí)的好奇心、開發(fā)設(shè)計(jì)需要的刻苦鉆研精神和解決復(fù)雜工程問題的成就感，有效提升了學(xué)生的自學(xué)能力、多學(xué)科知識(shí)交叉和綜合應(yīng)用水平、工程實(shí)踐能力和經(jīng)驗(yàn)以及創(chuàng)新研究思維。

（四）產(chǎn)出為導(dǎo)向的教學(xué)綜合考核評(píng)價(jià)體系

原有教學(xué)模式的考核評(píng)分系統(tǒng)存在著多種現(xiàn)實(shí)問題，包括學(xué)生片面重視理論知識(shí)學(xué)習(xí)和期末課程筆試、學(xué)習(xí)前松后緊導(dǎo)致考前臨陣磨槍和考后知識(shí)基本遺忘、考核評(píng)價(jià)以期末考試答題對(duì)錯(cuò)為主要評(píng)分手段等[8]。針對(duì)“電路分析”的學(xué)科特點(diǎn)和課程體系中專業(yè)基礎(chǔ)課程的地位，建立了多元化、全周期、理論結(jié)合實(shí)踐的、以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向的持續(xù)改進(jìn)的考核評(píng)價(jià)系統(tǒng)（見表1）。

評(píng)價(jià)系統(tǒng)的理論考核設(shè)計(jì)配置了基礎(chǔ)習(xí)題和考研類、啟發(fā)類難題所構(gòu)成的測(cè)試題庫，每個(gè)環(huán)節(jié)的百分制評(píng)價(jià)督促學(xué)生在學(xué)習(xí)全周期持續(xù)理解、鞏固和加深電路理論的基本概念、分析方法和拓展知識(shí)，在實(shí)踐考核中學(xué)生通過課堂、實(shí)驗(yàn)室和電腦學(xué)習(xí)和積累各種基礎(chǔ)電路和應(yīng)用電路的特性和分析設(shè)計(jì)方法，以工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)為目標(biāo)，提高對(duì)實(shí)際工程問題的分析和解決能力。對(duì)每屆學(xué)生的各項(xiàng)考核成績(jī)和課程目標(biāo)達(dá)成度分布進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和分析，不斷調(diào)整優(yōu)化理論教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法、測(cè)試習(xí)題難易權(quán)重、仿真和實(shí)體實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用電路集、工程實(shí)際項(xiàng)目環(huán)境、考核模式評(píng)分權(quán)等。

四、結(jié)論

為有效解決“電路分析”教學(xué)中存在的問題和矛盾，針對(duì)“電路分析”的學(xué)科特征、學(xué)習(xí)主體客觀狀況和課程教學(xué)目標(biāo)，在新工科建設(shè)背景下，探索出以提高工程實(shí)踐水平和培育創(chuàng)新研究能力為中心，“電路分析”和其他學(xué)科課程相交叉，理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工程項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的統(tǒng)一混合教學(xué)模式。經(jīng)過三屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)模式充分激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，不僅鞏固了理論基礎(chǔ)知識(shí)，而且培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新研究水平，滿足了新形勢(shì)下產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)工程和研究人才的迫切需求。

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