數字化“電路”教學的設計與實踐

摘要：傳統的教學模式承載信息的種類和能力有限，滿足不了現代教學的需要，尤其對于“電路”這樣一門實踐性很強的大學課程。數字技術在教育領域的應用，代表了現代教育技術的發展方向、趨勢和未來。首先論述了什么是數字化電路課程教學和開展數字化電路教學的必要性，進而提出設計數字化電路教學的方式，并指出數字化電路教學實踐中需要注意的問題。

關鍵詞：電路；教學設計；教學實踐；數字化教學

作者簡介：喻學鋒（1977-），男，湖北黃石人，武漢大學物理科學與技術學院，副教授；李茜（1990-），女，青海民和人，武漢大學物理科學與技術學院碩士研究生。（湖北 武漢 430070）

基金項目：本文系2012年武漢大學教學研究項目的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）28-0051-02

二十一世紀是數字化的時代。數字技術，是指借助一定的設備將各種信息，包括圖、文、聲、像等，轉化為電子計算機能識別的二進制數字后進行運算、加工、存儲、傳送、傳播、還原的技術。[1]數字技術改變了人們的生活，也正沖擊著教育。近年來，一些教育工作者提出了數字化教學理念，相應的教學研究和實踐也逐步展開。如何發揮數字技術的優勢，開展教學活動，實現課程的數字化教學，成了當今教育工作者所廣泛關注的問題。[1]

一、什么是數字化的電路教學

對于一門課程來說，所謂數字化教學，主要包括教學內容的數字化和教學手段的數字化。教學內容的數字化，主要指利用數字技術把電路課程中所具有的電、磁等信號轉換成數字信號，或把語音、文字、圖像等轉變為數字編碼，用于傳輸、處理與分析。教學手段的數字化，主要指利用數字化工具教學，如利用計算機和投影等設備授課，利用計算機網絡教學，利用電路仿真軟件改造電路實驗等。綜上所述，數字化電路教學的實施過程就是信息技術全面改造電路課程的教學過程，是數字化技術在電路教學中整合和靈活運用的過程，也是教學改革中技術路線改革的實踐過程。[2]

二、數字化電路教學的必要性

如同黑板、粉筆等出現后，班級教學代替了私塾式教學，數字化技術的發展也必然引起新的教學革命。而對于“電路”課程，數字化教學顯得更為必要：

1.數字化教學可以極大地增加“電路”課堂教學的信息量

“電路”課程中包含了大量的文字信息和圖像信息。傳統教學手段以板書為主，過多板書和手工畫圖會影響學生聽課效果，使得學生對老師傳授內容缺乏積極思考的過程。利用數字化形式，以其大容量、多樣性、高效率等優勢，可極大地增加課堂教學的信息量。筆者在教學實踐中發現，應用數字技術進行電路課堂教學，其展現的信息量是傳統教學模式的1.5～2倍。并且，數字化教學可以將教師從板書中解放出來，節約出的課堂時間可用來補充講解教學中的重點、難點，從而擴大授課的范圍，增加學生的知識面，提高電路教學的效果。

2.數字化技術可以使枯燥的電學知識形象化

“電路”這門課名詞術語、概念、特征數值均多且描述繁雜，學習記憶起來比較枯燥。而數字化技術的多樣性表現手段可以將教學需要的文字、圖像、聲音等多媒體素材與應用程序集于一體，使抽象的名詞能直接與相應的圖像結合，形象生動，讓學生在學習過程中通過多種媒體信息源的刺激，使本來單調煩瑣的內容變得易于理解和記憶。并且，由于電路器件屬于微觀形態，往往難以用語言表述清楚其形態、位置、結構，而通過數字技術形象化的展示，會有百聞不如一見之效。

3.培養學科興趣和開拓專業視野的需要

“電路”是電子科學與技術、電氣工程和電子信息類專業的一門重要的技術基礎課，也是學生接觸的第一門電學課程。因此，使學生在高效率掌握知識的同時，培養學生對電學這個學科知識的興趣非常重要。而數字化技術可利用多方位的數字化元素，如視頻、圖像等，給“電路”課程教學帶來的趣味性，可大大增強學生對電學相關知識的興趣和求知欲。并且，通過建設“電路”課程網站，可共享相關多媒體課件，并進行網上答疑，這無疑又能擴大學生的眼界，增強學生的辨識能力，同時也會密切師生關系，產生親和力，進一步增強學生學習電路課程的熱情。

三、數字化“電路”教學的設計

利用數字技術設計“電路”課程的數字化教學模式，是一項十分艱苦而有意義的工作，下面就課堂內外的教學活動討論數字化“電路”教學的設計方式。

1.設計數字化的課堂講述模式

（1）電子教案的設計。電子教案是課堂講述用的多媒體課件的主體，一般采用PowerPoint（簡稱PPT）制作。每章作為一個文件，這樣便于教師根據自己的教學需求靈活地組織教學內容，同時整個電子教案還可設計按章節的索引和鏈接，這樣方便教師隨時調用之前簡述的內容。對于“電路”課程，電子教案中應當特別注意電路圖的合理設計，結合PPT的動畫功能，生動地反映電路的變化過程。此外，在電子教案中還可插入用Flash MX制作的演示動畫。“電路”課程中適合用動畫演示內容主要有：電容的充電過程、電感的儲能過程、RLC串聯電路的四種過渡狀態、RLC串聯諧振電路的頻率響應特性、RC低通濾波電路和高通濾波電路的頻率特性等。

（2）電路仿真軟件的設計。電路仿真軟件有很多種，考慮到電路課程的授課對象一般是大學低年級的同學，筆者認為Electronics Workbench（虛擬電子工作臺，簡稱EWB）是最合適的軟件。EWB的仿真功能非常強大，可近似地仿真出真實電路的結果；且使用簡單、界面友好。它就是一個數字化的電路實驗室，可方便地提供示波器、掃頻儀、邏輯分析儀、萬用表、信號發生器等必備的儀器和儀表工具；而EWB軟件的器件庫中則包含了各種晶體管元器件、集成電路和數字門電路芯片等。在課堂教學中，結合具體的教學內容，可穿插進行EWB電路演示實驗。根據所學電路的原理圖，用準備好的EWB模擬連接電路，設定電路中的各元器件參數，使用EWB虛擬儀器進行在線測量，或通過EWB提供的分析菜單進行分析，對照電路設計要求更改相關元件參數，觀察所得的變化，最后與理論計算的結果進行對照比較。這樣既可以激發同學們的學習興趣，又能夠加深他們對電路原理的理解。[3]

（3）課堂教學模式的設計。電路課程的講授，難點之一就是對于實際電路的模型化再現。電路中的物理器件屬于微觀形態，利用數字化的手段對于情景的再現，有其得天獨厚的優越之處。因此在電路的數字化課堂中，要充分發揮多媒體課件和電路仿真軟件的優勢。教師在備課時要預先設計好調用相關的多媒體元素的時間和方式；在一次課堂講授中，合理使用各種教學媒體，以達到教學的最佳效果。相比傳統的黑板加教材的教學模式，數字化教學的節奏快、信息量大，為了避免學生開小差導致前后銜接出現問題，要求教師在授課時應當注意前后內容的呼應和重點內容的反重復講述。例如，教師可以在每次課開始前花5分鐘的時間，結合多媒體課件將上次課的內容回顧一下；也可以在每一章結束以后將本章的多媒體課件回顧一次，這些都是傳統教學無法實現的教學方式。

2.設計數字化的課外學習環境

（1）設計內容豐富的網上資源庫。利用計算機、網絡等數字技術建設一個內容豐富、更新及時的課程網站，將示范課堂錄像、課堂教學課件、習題等內容發布在網上平臺，方便學生自由下載。這樣，一些在課堂上沒有跟上的學生可以通過觀看對應章節的授課錄像、課件等資源，自行補足。同時，教學錄像可以為學生提供課外重新體會課堂內容的機會，實現教學層面的擴展；課程網站上還應當包括教師上傳的與課程有關的教輔資料，如科學家介紹、當前的一些最新成果、前沿研究動向、電子器件實物圖片、相關電路的FLASH 動畫等。一方面學生可從中獲得大量的老師在課堂上未涉及的內容；另一方面，利用網絡技術的資源共享性、交互性、開放性等特點，學生能上網瀏覽到一些由于課時限制不能及時演示的物理現象和受條件限制不能直接動手做的實驗。

（2）設計網絡實驗平臺。在課程網站中設立虛擬實驗，通過使用EWB等軟件來實現在虛擬實驗室環境下進行各驗證類實驗和測量實驗。該部分主要包括：相關軟件Multisim學生版的下載、安裝及使用說明；實驗目的、實驗原理、實驗內容等實驗指導；由學生登陸并在線提交報告的實驗報告提交系統等。

（3）設計交互式的網上論壇和QQ群。建立電路課程的網上論壇和專門的QQ群，這樣學生可以自由在網上留言、發表自己的觀點，為教師提供反饋信息，以便教師在授課過程中及時解決學生學習中遇到的各種問題，同時也可以進行網上答疑，大大增大師生交流的機會，也把存在的問題解決在萌芽狀態。同時，也可以為不同年級的學生提供一個相互交流和學習的平臺。[4]

四、數字化“電路”教學實踐中需要注意的問題

1.數字化教學與傳統教學模式的有機結合

首先，在課堂教學中，教師講課時要充分發揮數字教案的引導作用，“利用”而不是“依賴”數字化的教學手段，并注意與傳統黑板加教材的教學模式相結合，把握授課節奏，達到授課的最佳效果。其次，在實驗室教學中，課件不能替代實驗。多媒體課件能彌補典型電路和儀器設備的不足，但不能代替學生對電路的直接觀察和實際操作，必須將它與實驗課的觀察和操作密切結合起來，使兩者相輔相成。實驗是培養學生創新精神與實踐能力的強有力的手段。

2.教師數字化能力的培養

數字化教學和傳統教學對教師的能力要求有很大差別。相比于傳統教學，數字化教學不僅要求教師具備很好的講課能力，還需要具有運用數字化技術的能力，能在講課的過程中熟練地應用各種數字化課件。目前很多高校已經開始重視加強教師數字化能力的培養，培養教師熟練使用PPT、EWB、FLASH MX等軟件的能力。

3.數字化發展的開放性和協作性

數字技術發展的高速性和開放性，決定了推廣數字化電路教學建設經驗、建設數字化電路學科學習環境，是需要各校的廣大電路任課教師協同進行的事業。現在很多教師已經將自己設計的數字化教學課件和視頻資料等放在網絡中共享交流。電路教學的數字化發展一旦凸顯開放性和協作性的特征，電路教學也便能展現出飛速發展的趨勢。

參考文獻：

[1]數字化教學[EB/OL].[2012-06-30].http://wenku.baidu.com/view/9931

7204a6c30c2259019e37.html.

[2]吳天剛，倪忠強，吳於人.數字化物理教學的設計與實踐——大學物理教學設計之三[J].物理與工程，2010，(2):10-12.

[3]張紅斌.EWB在《電路分析》課程教學中的應用[J].重慶電子工程職業學院學報，2004，(4):40-41.

[4]張磊，高春俠.應用網絡平臺提高“電路分析”課程教學質量的研究[J].中國電力教育，2008，(24):36-37.

（責任編輯：宋秀麗）