面向“兩性一度”的實驗課程混合式教學實踐探索

王香芬 萬博 黃姣英

[摘 要] “兩性一度”作為教學改革過程中“金課”的建設標準，注重創新思維的水平和創新創業實踐能力的提高，是實現實驗教學改革的重要理念。以培養學生實踐操作能力、獨立解決問題的能力和實踐創新能力為目的，提出面向“兩性一度”的教學目標，分析了電子產品熱設計熱分析實驗課程本研兩個階段的教學特點及存在問題，圍繞實驗教學目標，將線上教學和傳統實驗教學結合，探索了SPOC線上線下混合式實驗教學過程，涵蓋課程教學設計、教學實踐、考核模式。通過一學期教學實踐證明，混合式教學模式的實施，使學生的自主學習能力和創新興趣等多方面得到明顯提升。

[關鍵詞] 兩性一度；SPOC；混合式教學；熱設計；熱分析

[基金項目] 2020年度北京航空航天大學教改項目“電子產品熱設計熱分析本研一體化實驗教學探索”

[作者簡介] 王香芬（1975—），女，河北邢臺人，博士，北京航空航天大學可靠性與系統工程學院工程師（通信作者），主要從事元器件可靠性實驗與評價方向理論及教學研究。

[中圖分類號] G642.4 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）06-0005-04 [收稿日期] 2021-11-12

隨著互聯網科技的快速發展，國家提出了“互聯網+”與教育結合的發展思路，基于“互聯網+”的很多新型教學方式成為近幾年教育教學領域研究的一個熱點，MOOC（Massive Open Online Courses）、SPOC（Small Private Online Course）、混合式教學等被大量運用[1]，2020年教育部正式建構“互聯網+教學”“智能+教學”的信息化教學，作為教學方式的改革工程[2，3]。

“兩性一度”是指在2018年第十一屆“中國大學教學論壇”上提出的“金課”建設標準，即高階性、創新性和挑戰度。高階性要求將知識、能力、素質進行有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維；創新性要求課程內容有前沿性和時代性，教學形式呈現先進性和互動性，學習結果具有探究性和個性化；挑戰度則強調課程要有一定難度，需要跳一跳才能夠得著。該標準與現階段“互聯網+”相結合，為實驗課程教學設計和改革提供了思路。

我校提出培養有創新意識、創新思維、創新精神領軍人才的教學總目標，提出加強課程過程管理、改變單一的考核方式等實驗與實踐教學改革思路，并成功開發了基于SPOC的在線教學平臺，將傳統課堂教學與優質MOOC資源有機整合，充分體現了“兩性一度”思想。電子產品熱設計熱分析實驗作為一門可靠性方向專業實踐課程，貫通本研兩個階段。該實驗課程既包括分析問題和解決問題等技術能力培養，也隱含著團隊和溝通能力等非技術能力培養[4]。本文基于“互聯網+”與傳統教學的特點，提出面向“兩性一度”標準的教學目標，設計了基于北航SPOC的線上線下混合式教學模式，對現有教學模式的課堂組織形式、教學內容設計、考核評價機制等方面進行了探索，有效地調動了學生的主觀能動性和師生互動積極性，提高了學生的實踐能力、個人素質，以及創新人才的培養效果。

一、課程教學目標和問題分析

（一）教學目標

按照“兩性一度”標準和教學大綱，電子產品熱設計熱分析實驗課程設置了四個具體的教學目標：一是能夠利用熱傳遞和電學基本知識，分析電源系統的電路熱設計原理和特性測試；二是能夠利用現代化手段進行電源系統可靠性熱設計、功率器件降額設計及散熱器優化設計；三是掌握電子產品熱分析及熱測量兩種評估方法，能夠采用仿真手段進行電子系統熱分析，采用熱測量方法對電子設備進行熱測量；四是能夠利用實驗裝置平臺完成指定實驗，并進行拓展探究，撰寫實驗報告，對實驗數據進行分析和處理。上述教學目標與“兩度一性”標準對應的要求支撐矩陣如圖1所示。

（二）教學存在問題分析

1.傳統線下教學。疫情暴發之前，該實驗采用傳統的“實驗預習+集中講解及分小組實驗操作+撰寫實驗報告”線下方式，考核成績依據三個環節綜合給出，實驗操作占比40%。

從教學效果上看，傳統線下教學模式對高階性和創新性的支撐效果不高，存在學生學習資源有限、主動性不高、學習效果較差等諸多問題：（1）學生課前主動預習效果不理想，集中授課時教師無法針對具體問題進行指導，學生實際操作時操作效果大打折扣；（2）實驗教學時空有局限性，所有的熱設計、熱分析、熱測量實驗操作內容需要學生在固定時間到實驗室完成，學生沒有自主學習環節，對教師提出的解決思路先入為主，潛意識中以達到或接近教師提出的要求為目標，不利于充分發揮學生的主動性。

從學習成效評價看，挑戰度不夠，由于每組學生的實驗數據相同，學生所提交的實驗報告相似率極高，存在抄襲現象，不能科學綜合考核每個學生的實踐能力和創新能力，實際上不能滿足社會對大學生的專業技能需求。

2.線上教學。線上實驗教學能充分利用網絡教學資源、現代信息技術和教學工具，真正做到“停課不停學”，但也存在創新性和挑戰度欠缺的問題。熱設計熱測量實驗模塊只能演示，學生無法親自動手操作和感知，得不到面對面的操作指導；熱仿真獲得的實驗結果無法進行實物驗證，使得學生對可靠性中熱問題的認識理解不深，無法做到真正的實踐和創新。

根據“兩性一度”標準，傳統線下實驗教學雖存在問題，但仍不能被線上實驗教學取代。因此，設計基于SPOC的電子產品熱設計熱分析實驗線上線下混合式教學創新模式，將網絡教學和傳統教學進行互補和融合，使實驗教學在時間、空間維度得以延伸。

二、基于SPOC的混合式教學課程設計

從混合式教學過程和優化教學內容兩個方面進行課程設計，實現實驗教學從“以教師為中心”向“以學生為中心”的轉變，循序漸進地達到本研兩階段的實驗教學培養目標。

（一）教學過程設計

整個實驗教學過程設計分為線上（課前預習/課后作業）、線下（實驗操作）及線上線下全程考核評價三個環節，師生活動包括線上學生自主學習、線上教師案例啟發、線下實驗操作、隨時互動討論、拓展探究等五個要點。

1.線上學生自主學習。教師圍繞專業、操作需求構建SPOC模式，發布學習任務，提供熱設計熱分析基本原理與操作、元器件檢測等方面的指導性音視頻資料，建立線上測試題庫。教師在線指導，檢查學生掌握知識點的情況，及時反饋學習效果。學生課前利用碎片化時間，通過讀講義、看視頻，學習自主上傳到網絡的教學資源，全面查找資料，熟悉實驗操作目的、注意事項等，相互討論，或向教師提問，并完成測試題。學生線上提交預習報告，上傳學習過程中的優秀視頻。師生之間持續互動和討論，教師選取一些優秀作品供大家一起學習，引導學生充分思考，進行思維發散，調動學習的積極性。

2.線上教師案例啟發。充分利用科研實驗室中有關元器件封裝、熱失效相關的案例，根據學生實驗預習情況和反饋的問題，演示元器件熱失效案例，對熱相關知識、環境溫度對產品可靠性的影響、可能遇到技術要點等問題進行啟發和討論，充分發揮SPOC課程視頻實驗教學課前導學作用，使學生在實驗前對所用的元器件特性有感性認識，逐步形成解決專業問題的綜合能力和高級思維。

3.線下實驗操作。采用線下方式，利用實驗硬件平臺及熱設計熱分析軟件進行自主動手實踐操作。這個過程中教師重點演示并指導學生，糾正學生操作上的錯誤，沒學會的學生可以再次觀看演示視頻。實驗采用項目小組制和組長負責制，3人為一個小組，將時間交給學生，突出學生探究性和個性化需求，實現其獨立動手和思考，鼓勵學生在實驗過程中發生思想碰撞，培養學生創新能力。

4.隨時互動討論。學生之間、學生與教師之間在線上線下進行互動討論交流，討論的內容可以是學習和做實驗中的一些思考，如共同探究熱設計、熱分析、熱測量實驗怎么做？為什么做？如何改進？等，也可以是遇到的困惑和問題，如仿真與實際誤差的來源（原因）是什么？怎樣降低仿真誤差？散熱器的功能如何表現？影響功率器件熱設計的因素？

5.線上線下全程考核評價。考核評價貫穿實驗課程的全過程，線上注重學習效果，線下考核實操效果。拉大整個過程的指標考核，課程成績由線上學習效果（10%）+預習實驗報告（10%）+學習測試（10%）+實驗操作（30%）+實驗作業（20%）+拓展探究（10%）+學習互動與效果（10%）七項考核組成，現場操作成績占比由40%下調至30%，杜絕個別學生不認真做實驗、作業抄襲還能獲得高分的可能，同時采用百分制，并對每個環節進行細化，有效鼓勵了學生在實驗環節的能動性和創新性。

（二）教學內容優化

教學內容分為熱設計和熱評估兩個部分，針對教學目標，將試驗項目優化為基礎、拓展和延伸三個梯級，三個梯級整合打通本研兩個階段。

1.基礎實驗中熱設計模塊包括：電源系統降額設計及熱性能測試、散熱器優化及優化后系統熱評估；熱分析熱測量實驗模塊包括：開關電源系統調試及性能測試、熱源功耗獲取，熱仿真模型建立、熱分析及后處理、熱測量。

2.拓展實驗結合電子產品熱設計發展，增加熱環境下電子材料力學性能測試內容，通過在不同熱環境下對電子材料樣件進行力學性能測試，獲取并分析不同溫度條件下，電子材料力學性能參數。

3.延伸實驗針對電子產品使用環境，增加濕熱環境下電學性能測試，分析塑封器件在濕熱環境下可靠性的影響；增加信號對熱的影響分析實驗內容，進一步分析熱參數計算過程中電源波動、負載變化的影響，觀察信號在熱平衡過程中的變化和影響。

基礎實驗突出學生實踐操作能力的培養，在本科和研究生階段均開設；研究生階段根據本科實驗模塊實踐基礎劃分操作團隊，完成延伸和拓展的內容，以解決實際問題為出發點，具有一定的探究性，突出學生創新能力的培養。從內容上細化了本研一體教學內容，提出不同層次的實驗目標。

三、基于SPOC混合式模式實驗教學過程

（一）課前準備

實驗兩周前通過線上“備課”頁面，教師根據教學目標，確定該階段的知識目標和技能目標，在線上發布學習任務清單，上傳實驗指導書、儀器使用、實驗操作、PPT等教學資源、視頻資料、測試題。通過“輔導”頁面在線上觀看學生學習動態，檢查學生掌握知識點的情況，提示學習重點和難點并答疑互動，駁回預習不認真的學生的作業，并要求重寫。

學生根據任務清單明確各階段的學習任務，包括簡單的學習任務，以及需要經過查找的學習資料、小組探討完成的學習任務，在上課前利用碎片化時間登錄網絡平臺進行自主學習，通過向教師提問、共同探討等形式找到問題的答案，并完成測試題，在線提交預習實驗報告與測試題，及時反饋學習效果，方可進入課中實驗操作階段。

（二）課中實驗操作

采用線下現場實驗形式，教師以解決學生剛性需求為主，集中精力解決學生預習中的問題，重點示教、總結評價，進行試驗指導和引導。教師把課堂時間交給學生，學生以小組合作形式自主動手進行實踐操作，按照教學目標2與教學目標3進行訓練，完成實驗所有指定模塊內容。通過訓練、生生互動、討論交流、自我總結等方式，反復實踐，使學生達到掌握電子產品熱設計熱分析方法，具備使用實驗工具進行問題分析和問題解決的能力，激發學生自主探究的興趣。

（三）課后鞏固

采用線上+線下指導的方式，學生依據熱設計熱分析所做的內容，針對工程實際需求和問題，自主搜集資料，思考制定散熱器結構優化方案，分析影響產品可靠性的熱因素，提出相應處理措施，必要時進行線上仿真和線下驗證，最后整理實驗數據，分析實驗結果，撰寫試驗報告，并進行上傳。

四、SPOC混合式教學效果評價

（一）教學過程對比

在SPOC混合式教學模式下，突出自主學習與加強互動交流，將線上觀察演示與線下動手操作相結合，學生既是學生又是教師，使得實驗教學不再被傳統教學局限，學生對新知識的掌握程度就會更加牢固，提高了學生的主動探討能力、團隊精神。在考核評價上，實現強化教學控制與創新考核評價相結合，更好地達到“兩性一度”標準層面的教學目標。

（二）教學效果分析

通過問卷調查和訪談形式，開展學生對傳統全程線下教學、SPOC線上教學、SPOC線上線下混合式教學三種教學模式的在線自主學習的效率、能力提高、問題解決方式等方面教學效果的評價。62.9%的學生非常認同SPOC混合式教學模式；29.4%的學生贊同線下傳統教學，這是因為SPOC運行初期系統不穩定，導致部分學生線上提交報告和測試時出現問題，影響了學生對線上部分認可度；約75%的學生認為線上自主學習效率高，80%以上的學生認為該教學模式提高了自主學習能力、理解能力和學習興趣，大部分學生能夠接受這種實驗，并表現出濃厚的興趣。

結語

基于SPOC混合式線上線下實驗課程教學模式以“兩性一度”標準為指導，通過創新教學模式與優化教學內容相結合，線上觀察演示與線下動手操作相結合，真正實現從“學”到“做”的轉變。在考核評價上，實現了強化教學控制與創新考核評價相結合，在知識廣度、層次性及創新性上，本實驗課程與教學效果均有較大提高。

參考文獻

[1]沙沙，張平，張靜.“互聯網+”時代，基于SPOC的混合式教學模式的探索與研究[J].高教學刊，2021，7（21）：115-117+121.

[2]姚勝永，喬博帥，高力強.“互聯網+”背景下高校教學改革探索[J].教育教學論壇，2017（46）：266-267.

[3]王香芬，萬博，陳政平，等.電子系統熱設計熱分析實驗教學改革思路與探索[J].教育教學論壇，2020（21）：197-199.

[4]JIANG Zeng-ru， JIN Hong-long. Based on “automatic control theory experiment” MOOC+SPOC teaching management[C].Proceeding of the 39th Chinese control conference，2020：811-814.

Research on Mixed Teaching Model and Practice of the Experiment Courses Geared to “Two Characteristics and One Degree”： A Study Based on Thermal Design and Thermal Analysis of Electronic Products Course

WANG Xiang-fen， WAN Bo， HUANG Jiao-ying（School of Reliability and Systems Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract： As the construction standard of “gold course” in the process of teaching reform， the standard of“two characteristics and one degree” pays attention to the improvement of the level of innovative thinking and the practical ability of innovation and entrepreneurship， which is one of the ideas to realize the reform of experiment teaching. This paper puts forward the teaching goal geared to “two characteristics and one degree”， and analyzes the characteristics and existing problems of the two stages of undergraduate and graduate teaching in the experiment course of Thermal Design and Thermal Analysis of Electronic Products in order to cultivate students practical operation ability， independent problem-solving ability and practical innovation ability. Focusing on the experiment teaching goal， and combined with online teaching and traditional experiment teaching， this paper explores the SPOC online and offline mixed experiment teaching process， as well as the teaching design， teaching practice and assessment model. Through a semester of teaching practice， it shows that the implementation of the mixed teaching model has significantly improved students independent learning ability and innovation interest.

Key words： “two characteristics and one degree”； SPOC； mixed teaching； thermal design； thermal analysis