基于實踐的“電子電路”翻轉課堂建設

王 蓉，王 歡，黎 飛，李連鳴，張 雷

(東南大學 信息科學與工程學院，江蘇 南京 210096)

0 引言

翻轉課堂是指教學中重新調整課堂內外的時間，將學習的決定權從教師轉移給學生。在這種教學模式下，教師不再占用課堂時間來講授，學生在課前通過在線視頻等資源完成自主學習，課堂內時間，師生互動共同研究探索問題，從而達到更好的教育效果[1-3]。

目前，各高校的翻轉課堂建設工作處于起步階段，主要形式是以布置作業，安排自學，課堂答疑講解等為主，翻轉的主要內容圍繞課程知識，較為單一。雖然培養了學生的自學能力，但仍以知識傳授灌輸為主的翻轉導致課堂師生研討話題很難深入，學生也很難有針對性地提出問題。

“電子電路基礎”是電類專業一門重要的專業基礎課程，也是一門工程性、應用性較強的課程，為學生提供半導體物理基礎、電子器件、電子線路的分析和設計方法等，是一門理論與實踐結合的課程，相關的實驗教學在加深學生對理論知識的理解，培養學生獨立解決問題的能力、工程設計能力和正確的科學探究方法等方面非常重要。學生實驗中遇到的問題，是最好的教學資源和翻轉課堂研討內容[4-5]。

針對目前的翻轉課堂普遍缺乏圍繞實踐的互動研討這一問題，本文基于東南大學“電子電路基礎”課程的校級重點改革項目，探究在翻轉課程的建設過程中，如何把理論和實踐課完全融合，在在線課程資源充足的基礎上，把理論的重、難點知識以實驗實踐內容展現，并將其作為翻轉課程研討的主要內容[6]。

1 翻轉課堂目前存在的主要問題

翻轉課堂模式要求學生在上課之前通過在線課堂等方式學習相關知識。如果在翻轉課堂上僅僅是通過答疑方式或教師再次以重難點講解方式進行二次學習，那么實際上，學生花費了幾乎成倍的時間成本，不一定獲得成倍的學習收益；如果翻轉課堂以學生提問教師答疑，或教師設置問題，學生根據自學回答，此時師生研討的內容很難深入具體。學生作為知識初學者，也很難發現或提出高質量問題。翻轉課堂上師生研討的范圍依然局限在書本理論知識，雖可培養學生的自學能力，但主要還是知識灌輸，缺乏實戰和應用，缺乏深入互動的研討內容。

2 實踐發現問題是最好的研討內容

翻轉課堂與傳統課堂相比較，獲取知識的方式發生了變化。如果只是簡單地實行課堂翻轉，即以傳遞知識、灌輸知識為核心，那么翻轉課堂與傳統課堂一樣，僅強化鞏固了知識記憶。反之，如果翻轉課堂中的內容設置和問題引導可以使學生進行探究式學習，養成發現問題、分析問題、應用知識去解釋和解決問題的思維方式，那么翻轉課堂才能真正激發學生自主學習和運用知識的能力。

理論實踐兼備的課程，實踐中的問題就是最好的引導學生自主學習的素材和契機。教師把課程中理論的重、難點以實踐項目的形式布置給學生，引導學生在實踐中發現問題；充分利用豐富的線上學習資源，引導學生課前思考這些問題，并嘗試用已學知識和在線知識去分析問題和解決問題；師生在翻轉課堂上對該問題的討論可以從基本概念開始，共同分析實踐中發現的問題，引導學生思考問題產生的原因和解決方案，使學生在解決問題的同時吸收知識，并提出新的問題。這種基于實踐發現問題的翻轉課堂，可以激發學生好奇心與學習興趣，并學會學以致用。具體實施時，①可根據問題大小，動態分組實行合作學習、討論，提高協作學習能力；②以能力、素質培養為主線，訓練自學能力、解決問題能力和創新能力，使學生能夠真正掌握知識、運用知識，獲得自主學習并解決問題的快樂。

3 基于“實踐問題”的翻轉設計案例

以東南大學“電子電路基礎”課程中的“頻響單元”來說明如何利用實踐來進行翻轉課程教學內容的設計。

3.1 理論和實踐教學目標

教師確定翻轉課堂要實現的理論和實踐的教學目標如表1所示。

表1 理論和實踐教學目標

3.2 問題引導和自學指導

設置實驗項目，作為翻轉課堂前的問題引導和自學指導。要求在Multisim中輸入三種不同頻率(0.1 kHz、1 kHz和10 kHz)、相同峰峰值幅度(2 mVpp)的正弦波信號到已完成設計的放大器(前序課程已完成)，如圖1所示。觀察瞬態波形輸出，并從示波器上顯示的波形峰峰值獲得增益值，填入表2。

圖1 放大器電路圖

表2 不同頻率輸入信號時放大器增益值

問題引導：引導學生對比思考表2中的數據后回答：不同頻率信號輸入時，放大器的增益相同嗎？如果不相同，那么原因是什么呢？

自學指導：指導學生學習課本和在線課程的“頻率響應”章節，分析原因。

3.3 翻轉課堂

1)問題回顧和引導

翻轉課堂開始時，請學生發表對放大器不同頻率信號、不同增益的問題研究，包括該問題的研究過程、問題發現、合理解釋、學習了哪些知識、有無能解釋該問題、有何啟發、有無進一步的分析驗證等。

2)重點講解和課堂實踐

在師生充分交流的基礎上，教師總結該問題產生的原因和分析方法，總結本次課程的重點理論內容——傳遞函數、頻率響應及電路參數選擇與頻響關系。引導學生復習電路中學過的電容、電感特性，給出RC低通和高通電路，讓學生用自學的傳遞函數、極零點知識去推導電路的幅度和相位傳遞函數A(ω)、φA(ω)，理解極零點、帶寬與R，C的取值關系。采用仿真軟件和口袋實驗室測試電路上、下限頻率。用理論推導和實驗驗證雙重學習，讓學生理解電路中帶寬的決定因素，掌握如何改變帶寬。

3)分組實踐研討失真問題

翻轉課堂中繼續引入實踐環節，將全班同學分為A，B兩個大方向開展分組實踐研究失真問題。

A組學生給晶體管放大器電路加入峰峰值=10 mV，頻率=2 kHz的正弦波和峰峰值=10 mV，頻率=4 kHz的正弦波串聯作為信號源輸入，其示意圖如圖2(a)所示。觀察輸入輸出瞬態波形情況，并采用頻譜分析儀觀察輸入、輸出信號頻譜。再改為加入峰峰值=10 mV，頻率=2 kHz的正弦波和峰峰值=10 mV，頻率=40 kHz的正弦波串聯作為信號源，觀察輸入輸出波形和頻譜，其示意圖如圖2(b)(c)所示。

(a)信號源

B組學生給晶體管放大器電路分別加入峰峰值=1 mV，頻率=2 kHz的正弦波和峰峰值=100 mV，頻率=2 kHz的正弦波作為信號源輸入。采用示波器和頻譜分析儀，查看輸出信號波形和頻譜。

A組學生實驗觀察會發現，2/4 kHz輸入的頻譜輸出仍為2/4 kHz，且頻譜強度上，2 kHz與4 kHz差別不大；2/40 kHz輸入的頻譜輸出仍為2/40 kHz，但頻譜強度上，40 kHz比2 kHz小很多，這說明40 kHz信號的放大倍數遠低于2 kHz，這與前面的頻響問題互相印證，加深認知。同時，也帶出了線性失真的概念。

B組學生實驗觀察會發現，1 mV輸入時，輸出信號頻譜主要是2 kHz；100 mV輸入時，輸出信號頻譜主要是除了2 kHz，還含有大量的諧波分量。這里面就引導學生研討非線性失真概念。

失真問題對學生而言有一定難度，如果僅僅講解理論，學生很難理解透徹。用“實踐+研討”的方式學習，使學生先有了直觀認知。而后再引導學生去理解線性失真和非線性失真的異同，學生普遍感覺容易理解和接受。

4)學以致用的進階研究

頻率響應的一個廣泛應用就是濾波器。鼓勵學生通過在線課程資源，進一步擴展學習相關內容，靈活應用頻率響應單元的知識，了解低通、高通、帶通、帶阻等不同的濾波器類型，學習無源、有源濾波器的構成和分析設計方法。

4 實踐翻轉教學效果

翻轉課堂是把學習求知的主動權交給學生，學生需要在正確的引導下，通過資料查找、視頻學習等完成自主學習，因此肯定會促進學生的自學能力提升。同時，課堂研討會增強師生互動，提高學生的表達能力。翻轉課堂實施以來，學生的學習興趣被充分激發，學生學習變被動為主動，翻轉課堂中學生的參與積極性高，學生的知識應用能力和解決問題的能力得到了極大的提高。

1)激發學習興趣，理論聯系實踐

翻轉課堂中教師的預設的問題不再是單純的理論知識或者完成作業題，而是從一個個實驗項目中，讓學生自己動手操作從實驗現象中去發現問題，驅動了學生的學習熱情和好奇心。通過思考問題產生的原因，在教師提示下再去自學某個理論知識來試圖解決問題，會讓學生激發求知興趣，學會學以致用，增加成就感。

2)培養學生發現問題、分析和解決問題的能力

實踐中引導學生進行實驗結果的分析、對比和思考。授人以魚不如授人以漁。翻轉課堂中的教師不僅僅是知識的傳授者，更應該是學習方法的引導者。讓學生在探究中打開思維，善于發現和分析。而如何解決問題，就是一個最好的綜合能力的訓練。學生需要調動自己的知識儲備，當所學知識不夠時，能學會如何外求資源，內化吸收，從而解決問題。一些探究性問題，往往還會伴隨著創新過程。

5 結語

翻轉課堂對促進我國的課程教學改革向縱深的方向發展有非常積極的作用，而各種線上線下學習資源的極大豐富也為翻轉課堂的實施提供了極大的方便。翻轉課堂的有效實施必然會提升學生的學習深度和廣度，對學生的學習熱情和學習能力培養也有正向作用。但同時翻轉課堂也對教師和學生提出了更高的要求，教師需要更高的課程把控能力和更深的專業造詣及課堂組織能力，學生需要更積極的投入，更主動的學習，付出課后更多的時間精力。本文以“電子電路基礎”課程為例，展示了理論和實踐結合類課程的翻轉課堂的設計思路和教學案例，為翻轉課堂的內容建設提供了一種思路。實施效果表明，基于實踐內容研討的翻轉課堂激發了學生的學習興趣，提高了翻轉課堂中學生的參與積極性，提升了學生發現、分析和解決問題的能力，起到了良好的教學效果。