“以問題為中心”的“電工學”課程創新教學設計與實施

聶 晶，王洪坤，李宏偉，任 玲，左 靜，劉 晨

(石河子大學 機械電氣工程學院， 新疆 石河子 832003)

“電工學”課程是以電路為核心，以電機應用為主線，通過對電路模型的分析以及電機設備的控制、應用，使學生具有解決工程問題所需的電工技術基礎知識，培養學生針對系統或裝置中的電機與電器進行電路建模、求解以及實際應用變壓器、電動機、繼電接觸控制系統的能力，建立“規劃”加“積累”的工程設計思維，培育腳踏實地的工程精神，增強具有遠見的工程規劃、創新意識。

課程組近年來在教學內容、教學組織、教學方法等方面進行大膽改革，在教學改革獲得充分認可的同時逐漸認識到，在傳統教學模式下，“三低一缺”(即學生參與度低、學習熱情低、實踐能力低、缺乏研究性學習)是影響本科教學質量的常見問題[1-3]。針對“三低一缺”問題，在信息化時代、國際化背景、MOOC浪潮下，把新的教學理念滲透在每個教學環節和過程當中[4-5]。改變傳統教學中“以書本知識為中心，以教師為中心，以課堂教學為中心”的現狀，盡力把“教”的優勢轉化為學生“學”的優勢。突出“以學生為中心”的課堂主體地位，將教學觀念的重心轉變為“以問題為中心”，將“知識傳授”轉變為“知識探究”，將“知識接受”轉變為“能力培養”[6-8]。借助MOOC、SPOC、雨課堂、雷實驗等現代化教學工具及手段，用在線學習與翻轉課堂相結合的形式推動教學模式創新，轉變傳統課堂角色定位，使學生成為知識探究者，教師成為研究學習指導者。教學方法以相關問題背景設計為主[9-10]，采用“以問題為導向的教”和“以問題為導向的學”的翻轉課堂組織形式，引導學生開展主動探究，使學生真正成為學習的主人。在理論教學的同時引入分階課堂實踐，理論與實踐并重，強化課堂教學的針對性，按照不同類型學習者的不同需要，創新設計教學內容和教學評價體系，構建多元化的學習空間，建立知識探究、能力培養、價值塑造“三位一體”的教學模式。

一、“電工學”課程教學的“痛點”問題

課程教學質量調查問卷以及往屆學生反饋意見顯示，學生學習“電工學”課程存在以下“痛點”問題：(1)課堂教學中以灌輸知識為目的的“記憶式學習”特征明顯，教師的知識輸出效率不高，學生處于被動學習狀態，課堂參與度低，主動性不夠，學習熱情不高；(2)課堂教學重知識、輕能力，缺乏相應的高階研究性學習內容，學生的創新、拓展能力不足，教學針對性不強，沒有根據不同學生學習需求進行教學評價體系的區分設置，學生缺乏自我激勵，學習興趣不高；(3)課堂缺少實際工程問題的引入，理論與實踐聯系不夠緊密，學生普遍缺少實踐鍛煉的機會，不能將課程所學知識及時轉化為實踐應用；(4)評價方式較為簡單，缺乏真實、多元的過程性評價，對學生的激勵不明顯，不能調動學生課程學習的主動性；(5)課程教學過程中缺乏現代化教學工具及手段的應用，教師對學生學習效果的把控不夠全面。

二、教學流程設計

教學流程由課前、課堂、課后三個教學環節構成閉環，采用在線學習、翻轉課堂、課后評價反饋相結合的形式，提高課堂教學效率，使學生重新建構學習流程。教學流程如圖1所示。

圖1 教學流程圖

(一)課前教學設計

學生在課前利用慕課及SPOC平臺觀看教師講解的視頻，并通過學習任務表明確自己在課前階段預習的能力目標。任務表的設計是階段化的，針對學生不同階段能力狀況以及課程整體內容學習難度和特點進行設計，幫助和引導學生利用慕課資源和SPOC平臺進行知識內容預習，歸納、總結知識點，提煉問題，著重培養學生的知識點挖掘能力、歸納總結能力、知識運用能力。

(二)課堂教學設計

在線下課堂教學之前，課程組教師通過SPOC平臺數據提前了解學生的學習困難，分析學生課前預習狀況、每堂課內容和難度、預估學生接受情況，從而確定每堂課的具體授課方式，其課堂任務、能力培養目標和培養重點與預習任務表相呼應，具有相同的階段性。

課堂教學由課前回顧、解決問題、知識深化、總結歸納等環節組成。通過課前回顧加深學生對線上預習知識點的理解，采取“以問題為中心”的翻轉課堂教學模式有針對性地進行動態課堂組織，并根據學生情況對所學內容進行理論和應用兩方面的拓展，采取任務驅動教學模式，利用小組合作及項目探究解決教師課上提出的問題，通過總結歸納幫助學生進行知識建構。翻轉課堂教學設計如圖2所示。

圖2 翻轉課堂教學設計圖

(三)課后教學設計

課后，學生總結課內討論的若干問題和知識點，整理相互之間的邏輯關系，將課內知識用自己理解的方式重新整合，繪制知識脈絡圖；完成SPOC平臺與知識點相對應的習題或部分筆頭作業；基于已經完成課堂討論的內容進行電路仿真和研究型實驗電路搭接；對遇到的問題及學習效果在SPOC平臺和同學、教師進行討論，進行反饋和評價，促進教學持續改進。學生課后學習流程如圖3所示。

圖3 學生課后學習流程圖

三、教學過程中的“個性化”及“高階性”教學設計

依據學生的學習基礎和學習需求對學習任務表、課堂實踐、仿真訓練、考核評價進行區分設置，滿足學生的個性化學習需求，在翻轉課堂和PBL課堂訓練中設置層次遞進的分階討論和項目，通過高階學習項目，激發學生的創新思維，進行自我激勵。教學過程中的“個性化”及“高階性”教學設計如圖4所示。

圖4 教學過程中的“個性化”及“高階性”教學設計圖

課程組教師根據學生的課前預習情況對翻轉課堂的問題討論及PBL課堂訓練項目進行精心設計，討論問題前后有銜接，訓練項目難度遞進，以實現通過難度遞增不斷激發學生學習熱情的目的。翻轉課堂的問題討論以及課堂實踐和仿真訓練項目主要基于基礎學習任務，以滿足所有同學的學習需求，設計有少量根據高階學習任務凝練的問題，以滿足學生對高階知識的需求，同時帶動其他同學產生主動思考，形成創新思維。在考核評價時，賦予學生自主選擇的權利，學生可根據自身對知識的掌握情況以及所具備的實踐能力，選擇相應難度等級的考核項目(針對不同難度等級，教師界定相應的賦分標準)。

四、課內實踐教學設計

將實物搭接與虛擬儀器、電路仿真相結合，設計與理論教學內容有機融合的課內實踐項目[11-12]。實踐訓練內容側重探索性和實用性[13-15]，學生自行設計實驗的電路和方案，對相關理論學習內容進行驗證，在掌握一定實踐技巧和經驗后，采用PBL的方法設計出具有一些實際功能的電路。

將翻轉課堂課前自主學習、課堂討論內化模式引入實踐教學環節，在基礎層面上實現理實一體化。采用混合式教學模式拓展學生實踐訓練的時空范圍，使學生將課程所學知識及時轉化為實踐應用。實踐項目設計時，采用逐層推進模式，起初以驗證性實踐引導學生進行預習、操作、報告撰寫等，培養學生學習習慣，掌握基本技能。隨后進入第二層次，驗證性實踐設計化，教師提供基本條件、要求，學生根據任務自行設計內容、步驟，最后以項目式實踐引導學生形成整體設計思想。課內實踐教學設計如圖5所示。

圖5 課內實踐教學設計圖

五、建立多元化的課程評價體系

課程評價體系由平時成績和測試成績兩個大的部分組成。平時成績由線上及線下兩部分組成，線上各部分學習任務注重“典型性”和“時效性”，力求做到“少而精”，既能促進學生自主探究，又盡量不要過多增加學生的學習負擔。線上預習和課后作業、拓展部分由學生借助SPOC平臺完成，課堂測試和回答問題由學生借助“雨課堂”隨堂完成，教師根據“雨課堂”導出數據，對學生的線上課堂成績予以評定，根據SPOC平臺中學生的視頻學習時長、預習任務表完成度、預習測試及單元測試結果、提出問題合理性、仿真電路的功能性、課后實驗數據及波形的合理性評定學生的線上課外學習成績。線下各部分學習任務注重學生學習的“互動性”和“高階性”，通過學生之間的交流、討論、協作，促進學生個體之間的相互學習。

測試成績包括理論考試和實踐考試兩部分，理論考試注重基礎知識考核，試題選擇力求做到“開放性”，靈活性較高，以利于學生根據所學知識的掌握情況靈活作答，但理論考試采取強制達標，督促學生對于基礎知識的掌握。實踐考試重點體現出“個性化”和“區分度”，學生可根據自身的知識掌握情況，自主選擇實踐考試的類型和難度，體現出“差異性”。課程評價體系設計如圖6所示。

圖6 課程評價體系設計圖

六、實施效果

(一)課堂效率提升明顯，課堂氣氛活躍

“電工學”課程創新教學模式實施后，在課堂時間里的預習任務單匯報、小組討論、發言、提問、電路仿真、分組實踐、課堂測試各個環節，幾乎所有學生全程都處在較為活躍的狀態。

為了及時掌握學生的感受和想法，課程組在期中考試結束后進行了問卷調查。問卷共設計了6大類(總體時間安排、課堂、實驗、教學內容、整體收獲、改進建議)、19個問題，以下是2020年春季學生對一些典型問題的代表性反饋(見圖7)。

圖7 學生問卷調查典型問題反饋

(二)研究性學習蔚然成風

學生可以通過“雨課堂”在課上及時提出問題、反饋問題，課下通過SPOC的線上論壇以及QQ群和微信群繼續在線上進行討論、交流，有了教師在課上及課下的及時引導，學生不再僅僅滿足于應付作業或者考試，而是對學習內容有了更深入的研究性思考。例如，在原來的“電工學”課程中，僅僅要求學生了解繼電器的電路結構與動作特點，但是學生在論壇中，從不同類型繼電器的動態參數展開討論，逐步深入到繼電器在動態工作時輸入信號、時鐘信號的相互配合。雖然受限于知識積累，對很多問題依舊一知半解，但相信這種探究的精神，以及對相關知識的存疑，對于后續的學習將是大有裨益。

(三)學生探索、實踐能力提高

部分同學在興趣的指引下除了規定的實驗之外，還自行設計并搭建完成了臺燈充電電池、光伏電池板充電器、Led顯示盤、調壓電源、藍牙音箱放大器、顏色識別分揀電路等實際電路。這些實際功能電路的實現需要包括電路圖、電路仿真、實際電路制作和產品封裝等要素，絕大多數是學生課外探索獲取的知識和技能。學生的學習空間不再局限于課堂，通過線上、線下的結合，課后實踐的拓展，使學生逐步形成、適應了多元化的學習空間。

(四)團隊學習和協作學習的新學習方式初步形成

通過課堂互動討論和在線論壇形式，以及教師采取多樣化、動態化評價方式，更加重視團隊協作、互助、互學等一系列舉措，引導學生逐步形成團隊學習和協作學習的新的學習方式，不僅提高了學生的學習效率，而且縮小了學生之間的學習差距。統計分析發現，“電工學”課程的成績離散度優于其他課程，從而證明這種團隊學習和協作學習對縮小學習差距具有積極的意義。

七、教學反思

在教學團隊的集體努力下，從課程的學習氛圍、教學質量、學習效果、師生溝通等方面均取得了令人相當滿意的結果。從學期結束后對學生的調查問卷情況來看，學生認為通過課程對自己幫助改進最大的前三位分別是：分析問題能力、學習規劃能力、團隊協作能力。但是在改革過程中也發現了不少問題，這些問題同時也將成為我們未來展望、努力的方向。

(一)全新模式對學生投入時間和精力有高要求

學生課前預習投入不夠將對教學過程、培養質量有明顯的負面影響。后續，課程組將根據學生學時情況調整翻轉程度，利用信息化教學工具進行輕量級混改，針對不同情況開展差異化教學實施方案，真正將“以問題為中心的教與學”貫徹到底。

(二)量變到質變需要時間和體系支持

通過全新教學模式的實施，學生在預習、課后等自主學習環節雖然較從前有較大改善，且正在往越來越好的方向走，對學生而言實現了相當的量變。但是畢竟持續時間短，若要將短期成果轉化為固有成果，需要有更多課程來共同實施努力，方能達到量變到質變的效果和目的。

另外，需要特別注意的是，實踐環節同教學環節相輔相成，必須深度融合才能達到增強學生工程能力，提升學生學習興趣的目的。