SPOC教學模式在電子技術實驗教學中應用實踐

楊衛軍， 閆四海， 任 靜， 于澤祥

(火箭軍工程大學， 陜西 西安 710025)

0 引言

小規模限制性在線課程SPOC(Small Private Online Course)，是針對在校學員開展的小范圍、精英式在線和課堂混合式教學模式， SPOC的學習活動靈活高效，能滿足學習者個性化學習的需求。將SPOC教學模式引入實驗教學，與現有教學改革成果結合，提高實驗教學的針對性，讓學員在實驗實踐時，教員授課和指導能更貼近學員的學習需求，促進學員自主學習、自主實踐、自主探索，提高學員學習效率和質量，培養學員創新實踐能力，是本課題的研究目標。

SPOC教學模式使教員可以通過信息手段全程與學員互動交流，掌握預習問題，預先做好教學準備，實時獲得實驗后的收獲與問題，激發學員實驗的參與度，便于在課堂上拓展實踐的深度和廣度，強化輔導和學員能力培養，學員之間也可以相互獲知問題和解決方法，并可通過線上和線下圍繞問題展開討論，在研討中使學員團隊合作能力、競爭意識無形中得到了培養和提高，教學方式實現雙向化、網絡化。

1 SPOC教學模式實施方案

知識單元化、富媒體化、學習行為管理、翻轉課堂是SPOC教學模式的主要工作，結合電子技術實驗的教學特點，引入基于CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate)的教學理念，設計實施方案，如圖1所示。

圖1 電子技術實驗SPOC教學實施方案

1.1 知識單元化

對于電子技術實驗課程而言，將課程進行知識點拆分，建立知識點網絡，便于學員學習。知識點的拆分設計是建立SPOC課程的基礎，知識點的大小、相互之間的關系是否合適是課程能否順利實施的關鍵。研究電子技術實驗的課程培養目標，確定學員在專業學習、工作中需要的電子技術技能和實踐能力，明確培養需求，提出技能點的概念，如表1所示。

1.2 富媒體化

建設元件庫，利用多功能信息化實驗臺，提供電子教案PPT、電子教材、芯片手冊、示例電路、成果文檔、視頻教學片資源庫，制作儀器使用教學視頻等信息資源，配置焊接工具，將multisim、protel，FPGA、單片機核心板安裝到多功能信息化實驗臺，設計可配置的電子技術綜合設計硬件平臺。

1.3 學習行為管理

通過教學效果檢查、考核、評價，學員反饋等方式掌握課程實施的效果，以便學員之間、 學員和教員之間有更多的溝通和交流，便于調整教學過程。在校園網建立討論區，討論區的內容是課堂的延伸，設定一些問題放到討論區完成，深化課程話題，教員可以在其中根據教學進度和教學內容設立題目，可以引申課程內容，引起學員興趣，使這些討論題目既能幫助學員復習已學的知識，又能鍛煉和提高他們的創新思維能力。

1.4 翻轉課堂

翻轉課堂是SPOC教學模式的特色，是提高、升華教學效果的重要一環，可以根據自己的實際情況進行必要的思考過程，從而靈活決定自己的學習進度，在小規模探究式、研討式課堂中提出有效的見解供大家分享，也是教員需要認真準備的一環。對于實施的CDIO課題，根據難點、重點，設計了討論題目，并把明顯的實驗現象在教學過程中展示，引起學員興趣和思考，鼓勵學員踴躍提出問題，發表見解。

表1 實驗技能點

2 電子技術實驗知識技能網絡

分析理論課中的知識點，歸納基礎知識點、關鍵知識點，知識點教學形式、學習方法、先后關系，建立知識網絡，按完成電子系統設計所需的能力，總結必須的實驗技能，并在知識點拆分中將理論知識點和實驗技能點結合。以綜合性、設計性實驗項目，串聯相關的知識點和技能點，引導學員自主完成實驗學習。

以電路原理實驗為例，課程實驗知識點網絡包含了27個基本知識點(其中15個理論知識點、12個實驗技能點)，如圖2所示。

15個理論知識點，如電阻、電容、電感、 直流電路分析方法、疊加定理、戴維南定理、器件頻率特性、RC一階電路、二階電路、阻抗特性、串聯諧振、正弦相量、三相電流、三相電壓、功率[1]。

12個實驗技能點，如電壓測定、電流測定、插針器件焊接方法、面包板使用方法、萬用表測試電壓、函數信號發生器的應用、示波器的應用(光標測量、雙通道波形測試)、交流毫伏表的使用、功率表的使用、直流穩壓電源的使用、multisim軟件使用等。

為培養學員儀器使用、焊接、電路搭接等實踐動手技能，將實驗技能融入知識點拆分，技能與知識點相互銜接，錄制了教學視頻、配置了針對性的實驗套件，使學員可以直接利用這些教學資源，學習、練習、掌握這些實驗技能，體現了實驗實踐類課程邊學邊練的特點和要求。

3 SPOC輔助教學資源

3.1 網絡輔助教學資源

利用校園網實驗教學網站，建設網絡輔助教學平臺、網絡資源庫和交互平臺，設立技術論壇、答疑等互動交流平臺，實時發布課程的疑難問題、學員意見反饋，開展專題討論和網絡釋疑，教學情況調查等教學輔助工作。制作了儀器視頻、收集整理了電子文檔等輔助信息化資源，針對實驗室使用的儀器，制作了“如何使用示波器”、“如何使用函數信號發生器”、“如何使用萬用表”及部分知識點的視頻和PPT，收集整理了100多個數字和模擬芯片的數據手冊及應用資料電子版，放到網站。

建立微信群，開展即時反饋互動教學，為學員提供移動設備上的消息推送、作業、課件、視頻和資料服務，教員組織討論答疑、開展教學互動。

3.2 電子技術綜合設計硬件資源

為電子實驗臺配置計算機、電烙鐵等信息化設備和焊接裝置，開發示波器波形獲取軟件和電子報告撰寫軟件，學員可以在實驗臺上察看電子資源，仿真軟件，設計實現電子作品，利用即時通信軟件參與課堂討論。

設計了電子技術綜合設計硬件平臺，面包板、透明塑料亞克力裝配母版、元器件、連線、電源模塊、導線，采用可以搭建多模塊的功能電路[2]。建設元件庫，元件庫包含考核所涉及的所有元件，便于查找和配發，學期初，教員根據考核題目，給學員配發元件盒、萬用板、導線等實物，在實施過程中，逐步領用添加元件，讓學員根據題目分析所需要元件，如元件庫中沒有該元件，教員講解清楚替代元件和學員查找元件的性能管理。教員設計、提供便攜式測試儀器，如示波器、函數信號發生器，撰寫輔助、指導教材和實驗指導書，學員在學員隊可利用業余時間展開調試。

4 CDIO課題驅動教學實施

為了貫穿知識點，結合基礎知識、基本理論和先進技術的應用，參考歷屆電子競賽試題，增強實驗的系統性，引入CDIO的工程教育理念，設計具有實際應用背景的課題，題目具備綜合性，多個知識點融合，可行性，學員經過努力可以完成，可測性，數據可以測量、有實驗現象，可研性，具有一定深度和寬展性，可培養學員探索創新精神[3]。因為對同一題目，電路實現方式較多，可以采用不同器件實現，但是為了讓學員思考，培養創新能力，又不能把題目實現方式規定太死，限定了學員發揮，在實驗過程中，教員要注意引導學員，可以進行多個方案比較，保證題目實現的可行性[4]。在學習、設計、實現課題過程中將由教員引導學員利用知識技能網絡學習相應的內容，在實施中充分考慮課題難度，進行層次化要求和結果評價，來推動學員在基礎知識、基本理論、實驗操作、創新探索等方面進行工作，結合SPOC教學模式，每個課題都有對應的知識點網絡[5]。

首先布置實驗課題，學員選定課題后，可以利用課程知識點網絡、電子資源研究分析課題，通過校園網查閱電子資源，完成思考題目和作業，與教員交流課程體會和問題，教員分批檢查進度、查看留言、集中課堂方案、問題討論的方式督促學員完成課題，課上教員組織小型討論課，當面回答問題和處理作業，了解學員對知識點的吸收程度，課后教員收集學員收獲和問題，對課程內容進行調整，驗收環節中教員依據指標查看作品、依據課題知識點提問問題，在教學效果評價環節，教員根據作品完成度、課題報告、創新點等情況，分析共性、個性問題，結合知識點網絡，考察知識點、技能點掌握情況，總結分析原因，進行下一步的改進，教學實施過程如圖2所示。

圖2 “簡易模擬萬用表的設計與制作”課程進度

以“簡易模擬萬用表的設計與制作”實驗為例：

1)課題要求

利用一個靈敏電流計表頭、各種阻值的定值電阻等，設計一個模擬萬用表(多量程直流電壓表、多量程直流電流表、歐姆表)，指標如表2所示。

表2 主要技術指標

2)課題布置

教員把題目分解成兩個任務，即電壓表和歐姆表、電流表和歐姆表，學員自行選擇任務并分析，教員引領學員分析設計過程：首先確定直流電壓表、直流電流表、歐姆表的設計原理，然后根據設計所需的測量范圍要求來確定每個功能表的量程，最后根據各量程情況來計算相關參數，并選擇合適器件[6]。

學生從知識點網絡中串聯如下知識點，觀看視頻材料，查詢電子資料。技能點、知識點與知識點之間前后均有銜接， 使實驗最終形成一個電路系統的綜合實踐。

3)翻轉課堂

依據設計方案查找資料、收集電子手冊，做理論分析；

實際測量電流計表頭的內阻，逐個對功能電路進行仿真，課堂演示；

記錄測試數據，總結歸納仿真電路與實際電路異同，并進行性能對比；

測試方案，被測量輸入信號(標準)的選取，如何選擇用于對比的測試儀器；

如何提高測量精度，控制誤差；

歐姆表設計中中值電阻的計算方法；

直流電壓源的大小對歐姆表的影響。

經過預設問題的討論，學員基本掌握了設計過程的難點和重點。

4)層次化的遞進實施和評價機制

為鼓勵學員實踐，采用層次化的評價體系，并以層次化遞進實施：

(1)60分-70分 設計原理清晰，表頭內阻已測；搭建好實物電路，走線清晰，布局合理,完成基本部分，電壓(或電流)測量范圍滿足要求。

(2)70分-80分 電壓(或電流)測量誤差滿足要求,歐姆表測量電阻測量范圍滿足要求,各部分電路綜合成完整系統，直流電壓源為教員提供的固定值。

(3)90分以上 有創新環節，依據創新比率加分。

5 結語

經過三學期應用，電子技術實驗采用SPOC教學模式，教員能及時掌握學員實驗狀態，便于采用CDIO課題驅動式、啟發式、案例式教學方式，學員參與度高，對于提高學員興趣，動手能力和創新思維有很大的幫助，參與學員對于綜合性課題的完成率和優秀率均有很大的提升，參與SPOC教學模式的學員參加國家、陜西省電子競賽多次獲獎。