基于“三化”的電路課程教學改革

馮瑞玨， 馬海霞*， 曾獻煜， 王智東

(1.廣州城市理工學院，電氣工程學院，廣東，廣州 510800；2.華南理工大學，電力學院，廣東，廣州 510640)

0 引言

電路課程是高等院校工科專業必修的一門專業技術基礎課程，在工科體系中起著積基樹本的作用。課程中電工電路的知識、能力和素質既是前期“高等數學”“大學物理”等課程內容的加深延續，也是后續專業課程的基礎，起著承前啟后的作用。課程中的學習使用電工器具操作、電路設計及測量、電路故障分析等學到的工程規范、分析和解決問題的能力為今后從業奠定了職業基礎。受限于教學制度、教學和課程特點等諸多約束，大部分工科學生對電路課程“望電生畏”，不利于課程知識的學習而削弱了對后續專業知識了解的興趣[1-3]。電路課程的教學一直無法達到學生能力培養的教學目標，如何優化電路課程的教學環節、降低課程的學習難度和觸發學生的學習興趣成為急需解決的問題。

針對電路課程學習中存在的教與學不佳的問題，結合電路課程的特點，對電路課程進行“三化”教學改革，即知識功能模塊化、電路圖形動態化、考核智能化，并將此模式推廣到其他課程中。

1 電路課程教學現狀

在新工科建設持續推進下，應用型大學應強調培養學生的實踐能力、創新能力，成為具備動手解決實際工程問題能力的應用型人才，以適應社會的需求。

近年來，學校推行適應專業人才培養的課程調整，電工教研室承擔全校的電工類課程，長期以來建立了一套符合各專業特點和要求的教學體系，在保證基礎共性的同時，根據不同專業的教學要求構建課程內容，并建立與之配套的課程體系和實驗體系，取得了一定的教學效果。自2017年以來，對電氣工程及其自動化專業的“電路”課程的理論課和實驗課進行了不同程度的改革。電路實驗在驗證性實驗的基礎上增設了設計類實驗，滿足不同層次的學生能獲得良好的學習體驗。其中，“可調直流穩壓電源的設計與實現”與“三相電路故障測量與分析”兩項實驗項目分別榮獲了“2019年第六屆全國電工電子基礎課程實驗教學大學競賽(鼎陽杯)”二等獎和三等獎。理論課程在2017年開始根據對電氣專業學生學習情況的調研調整了使用教材，使用由本校教師針對應用型大學的電氣類專業所參與編寫的《電路分析基礎》，并根據專業人才培養方案有針對性地進行內容講授。2019年進行了“電路”線上課程建設，以知識點為單位進行了微課錄制，并配套了詳細習題庫供學生進行鞏固練習，2020年開展了混合式教學，以線上學習為主，以線下學習為補充的模式進行。電路課程的微課在校級第一屆微課比賽中獲得優秀獎。以上這些改革都取得了一定的成效，但在教與學兩者的優化上仍然存在需解決的問題。

1)“學時越來越少，內容越來越多”

各學科相關專業在制定本專業的教學計劃時，為了擴展專業面，不斷削減電工類課程學時，“學時越來越少，內容越來多越多”，任課教師為了完成課程任務，采用“填鴨式”教學方法居多，缺乏啟發式、探究式、開放式、討論式、案例式等教學設計，難以啟發學生的創造性思維。電工課程具有理論性強而內容廣、概念繁、公式多且內容僵化、知識點分散的特點。目前“電路”課程一共88學時(72學時理論課+16學時實驗課)，內容包括電路的基本概念和基本定律、電阻電路的等效變換和分析方法、正弦穩態電路分析、電路的頻率響應、三相電路、線性電路的穩態分析等。這些內容涉及面廣、知識點分散，在教學過程中，師生疲于應付，難以有興趣進行創造性實踐性。如何根據人才培養方案對內容進行分模塊“教”成為需要探討的重要問題之一。

2)學生學習積極性和參與度不高

電路課程大多數設置在大學一年級，學生還沒完全從高中模式轉變為“自主學習”，認為電路課程難學、難記、難理解，產生畏難情緒，陷入死記硬背、不求甚解的學習困境。而后逐漸轉變成“被動參與學習”，學習積極性和課程參與度不高，對作業或所需掌握知識“云里霧里”。

3)課程考核方式不完善

電路課程成績考核基本上以“平時成績30%+期末成績70%”的方式評定。平時成績僅僅考慮在課程上的考勤或有限次的作業完成度，由于課程人數眾多，依靠單純的教師考核方式難度大且不夠全面，缺乏全面的評價機制，不能有效激勵學生積極地參與到課程中來。

針對電路教學中存在的問題，2019學年在電氣工程及其自動化專業共360名學生中開展了基于“三化”電路課程的教學改革，更新教學內容、教學環節、教學方法和教學手段，全面優化考核方式[4]。如圖1所示。針對電路課程內容廣而全但分散、雜亂的特點，在對課程內容進行詳細分析的基礎上，采用功能化教學，將知識點中內在邏輯相同或相近合成相對獨立的單元，且結合人才培養方案，將相關單元合成教學模塊，使教師在有限的學時內也可以實現比較精準的教學目標定位；針對課程中電路邏輯性強、分析步驟繁瑣、學生學習積極性不高的特點，采用知識圖形化，應用計算機虛擬仿真軟件，將電路以仿真動畫的立體形式表現，使教與學化難為易、化靜為動、化抽象為具體；針對單靠人工考核、評分不夠全面的方式，采用“學習通”平臺進行智能化考核。

圖1 “三化”電路教學改革

2 “單一參數三相交流電”應用案例

2.1 知識功能模塊化

單一參數交流電路課程要介紹電阻、電感、電容元件分別在交流電路中的應用關系，包括電壓與電流的瞬時值關系、相位關系、有效值關系、相量關系、功率關系等。這些關系包含各種公式變換和邏輯推理，單純靠理論介紹，學生一般會覺得枯燥無味，產生“厭學”情緒。采用知識功能模塊化教學，將功能相同的知識歸納在同一單元內進行對比分析，加深理解和記憶，并提高教學及考核內容的透明度，從而提高整個學習的靈活度。圖2為按所需掌握知識點劃分的功能模塊圖，共7個模塊組成。模塊的分類按電阻、電容和電感的定義開始，逐層深入。在知識講授的過程中可按模塊1至8的順序，循序漸進地進行分析與比較，并配合電路仿真或動畫演示的方式加深理解。根據每一模塊的功能特點，總結出相應的記憶點，加深理解，例如在有效值關系中，電壓與電流的關系滿足歐姆定律，均可記憶成電壓等于電流與“對電流的阻礙作用”的乘積。

圖2 單一參數模塊化

2.2 電路動態化

單一參數交流電路邏輯性強，信息量大，使得學生學完后仍是“云里霧里”，停留在只知道一些零散的符號和算式階段，對電路缺乏直觀的認識，更構建不出對課程內容的理論體系。在傳統的單純教學模式(教師結合PPT課件進行書寫、畫圖、講解)下，學生聽講、想象、理解，不但不能培養學生的創新能力反而制約了學生的學習興趣。改革傳統的教學模式，將Multisim仿真軟件與電路課程緊密結合，最大限度地提高單位學時講授的深度和廣度，發揮學生的主觀能動性。

利用Multisim仿真軟件進行電路圖制作，直觀、形象和動態地演示電路分析和計算過程，通過數據或圖形給出結果，并對電路進行分析。圖3為單一參數交流電路所建立的電路仿真庫，由元件實物介紹、基礎電路演示和設計型電路等3部分組成。

圖3 電路仿真庫

實物圖片演示主要演示各種元件不同型號的外觀區別，并結合其電路符號、單位變換等知識點進行分解。基礎演示用于教學過程中對電路變化過程進行分析，如電容、電感的充放電過程，變換參數后時間常數的變化區別等。設計型電路則為鍛煉學生的綜合素質，教學過程可開放任務，學生根據要求設計電路及對參數進行選擇，獨立進行測試和調整各參數值，得出符合要求的測試電路，如電阻與電感的串聯、電阻與電容的串聯、電容與電感的串聯。通過測試這些電路的電壓與電流關系，提高學生的學習興趣和加深學生對知識的掌握程度。利用軟件示波器進行波形分析，充分理解電路的原理，大大提高了學習的效率，也克服了上課過程中缺少實驗設備的限制。

2.3 考核智能化

以往的考核方式一般由期末成績和平時成績組成，且期末成績占比較大，基本成為衡量學生成績的決定性指標，這種考核方法單一機械，忽略了過程性評價，對創新性人才培養起不到積極的促進作用[5-6]，且傳統過程性評價采用“人工”方式，容易加入印象化、情緒化等個人色彩。為了更好地在電路課程中促進學生創新能力的培養和更全面的評價方式，利用超星“學習通”平臺開展智能化的考核模式，考核過程如圖4所示。

圖4 考核智能化體系

整個考核體系分成5個部分組成。第一部分為課程知識點的復習。電路課程提供自建MOOC課程，為線下課堂提供必要補充和輔助，并將知識點設為任務點，鼓勵學生對課堂所學知識點進行復習理解，如完成任務可獲得相應分值。第二部分為到課率考核。采用上課簽到的模式，督促學生上課并作為加分項形式。為杜絕學生“幫簽”行為，隨機采用普通簽到、二維碼簽到和位置簽到等3種方式。第三部分為課堂互動。改革傳統教師主宰課堂的單向傳播模式，積極促進與學生之間的互動，并打破單一的“提問”方式，課堂上營造與知識點相關的情景，增設參與投票、問卷調查、搶答和討論環節，激發和維持學生的學習動機，對參與者進行獲得分數獎勵。第四部分為課后作業的完成。課后作業是教學成果的一個間接檢驗，電路作業采用從題抽題的方式，并亂項亂序發放，防范學生的抄襲行為，取所有作業的平均分作為最后的得分值。最后一部分為線下考試，作為檢驗學生成果的評判標準之一。

3 “三化”電路課程教學改革效果

知識功模塊化、電路動態化和考核智能化的“三化”電路教學改革已經在電氣工程專業中實施了1年的時間，有了明顯的教學效果,學生的主觀能動性大大提高。由于過程考核的多樣性，學生到課率增加，均能積極參與各項活動且在課后對微課視頻訪問量有質的提升。課后作業所布置的開放性電路設計，參考值雖然可根據理論得出，但常常需要根據實際做出調整，學生可在虛擬環境下根據思路隨時調整參數或修改電路，并對數據進行測量與分析，加深了所學知識點的理解，提高了學生分析問題和解決問題的能力。學生成績普遍有所提高，如圖5所示。

圖5 學生課程參與度

4 總結

電路課程是電氣工程及其自動化專業第一門基礎課程，起著積基樹本的作用。但電路課程內容豐富、邏輯性強，學生普遍學習性不高，主觀能動性較弱。對電路課程進行了“三化”改革。以學生較難理解的單一參數交流電路分例，將內容按模塊化分成7個部分進行教學，并以比喻或編制口訣的方式進行理解記憶，使師生的教與學更清晰理解；結合仿真軟件對R、L、C電路變化過程進行演示，提高學生的學習興趣與降低對內容的理解難度；最后利用超星“學習通”進行智能化考核。此改革方案教學效果顯著，學生參與過程學習度顯著提升，有效培養了學生的學習興趣，為后續專業課程的學習打下基礎。