基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)腦機(jī)制的電工學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

李志輝，龐雅靜，毛曉波

（鄭州大學(xué)，鄭州 450001）

電工學(xué)課程是高等院校中為非電類專業(yè)開設(shè)的唯一一門系統(tǒng)學(xué)習(xí)電學(xué)知識(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)課程，對于提高非電類學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和用電能力具有重要作用。課程內(nèi)容涵蓋了電路理論、電機(jī)及傳動(dòng)控制、電工測量、安全用電、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)等多門專業(yè)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容，學(xué)科交叉性強(qiáng)、理論與實(shí)踐性結(jié)合要求高，學(xué)生專業(yè)分布廣，導(dǎo)致在電工學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生不易理解覺得枯燥、學(xué)習(xí)積極性不高、實(shí)驗(yàn)效果不佳、與工科其他專業(yè)課程結(jié)合性不強(qiáng)等問題。為了適應(yīng)當(dāng)前新工科“厚基礎(chǔ)、寬口徑、重實(shí)踐、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”的培養(yǎng)需求，電工學(xué)課程教學(xué)應(yīng)當(dāng)以工程應(yīng)用能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣，掌握扎實(shí)的電工學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)非電工科專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手實(shí)踐解決電磁路實(shí)際問題的能力，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展[1-2]。如何使學(xué)生“樂意學(xué)”“主動(dòng)學(xué)”是達(dá)成這一目標(biāo)的關(guān)鍵。

腦科學(xué)時(shí)代的到來為現(xiàn)代教育提出了新的要求，而腦科學(xué)研究的進(jìn)展為塑造學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)提供了新的思路[3]。腦科學(xué)研究證據(jù)表明大腦的學(xué)習(xí)過程是一個(gè)受多巴胺驅(qū)動(dòng)的、由內(nèi)部動(dòng)機(jī)和外在反饋共同作用的強(qiáng)化學(xué)習(xí)過程，及時(shí)恰當(dāng)?shù)膹?qiáng)化反饋對于行為塑造具有重要作用[4-5]。受大腦強(qiáng)化學(xué)習(xí)的腦機(jī)制啟發(fā)，在電工學(xué)課程教學(xué)過程中，針對不同教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生程度，可以分層次設(shè)計(jì)教學(xué)模式和強(qiáng)化方式，結(jié)合多種不同形式的強(qiáng)化反饋，充分激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)從“教師教”到“學(xué)生學(xué)”的根本轉(zhuǎn)變。

近年來國內(nèi)外高校將“互聯(lián)網(wǎng)+”引入傳統(tǒng)電工學(xué)課堂教學(xué)和考核，在線開放課程、MOOC、SPOC、翻轉(zhuǎn)課堂等新的教學(xué)形式與傳統(tǒng)的線下教學(xué)相結(jié)合，催生了線上線下混合式教學(xué)新模式，為從以老師、課堂為中心的被動(dòng)學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)習(xí)者為中心的主動(dòng)學(xué)習(xí)模式提供了操作平臺(tái)[6-7]，非常便于設(shè)計(jì)靈活多樣的強(qiáng)化反饋方式。因此，本文基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)腦機(jī)制，利用混合式教學(xué)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了多種形式的教學(xué)方式和層次化強(qiáng)化反饋機(jī)制，以期充分發(fā)揮線上線下混合式教學(xué)模式優(yōu)勢、打造能夠充分激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力和工程素養(yǎng)的電工學(xué)金課。

一、強(qiáng)化學(xué)習(xí)腦機(jī)制揭示了不同的強(qiáng)化模式對學(xué)習(xí)效果的影響，對于教學(xué)設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義

人與動(dòng)物等智體的學(xué)習(xí)過程主要是以“試錯(cuò)”的方式進(jìn)行的，即通過與環(huán)境進(jìn)行交互獲得的回報(bào)（強(qiáng)化物）來指導(dǎo)行為。這種依賴于即時(shí)與未來回報(bào)來塑造行為動(dòng)機(jī)的學(xué)習(xí)方式稱為強(qiáng)化學(xué)習(xí)[8]。如圖1 所示，在強(qiáng)化學(xué)習(xí)過程中，智體在不同的狀態(tài)下，根據(jù)對不同行為選項(xiàng)的預(yù)期回報(bào)，選擇特定行為，獲得環(huán)境給予的回報(bào)反饋并進(jìn)入到下一個(gè)狀態(tài)。如果所獲回報(bào)的收益超過預(yù)期、或者該行為能夠進(jìn)入到獲得更大回報(bào)的后續(xù)狀態(tài)，則該行為選項(xiàng)被強(qiáng)化，未來選擇該行為的幾率增大，反之則減小。特定行為的塑造依賴于強(qiáng)化物的反饋，生物基于趨利避害的本能來增加或避免特定行為。強(qiáng)化物不僅僅是外部的物質(zhì)回報(bào)，也包括情緒、喜好、好奇等內(nèi)部心理因素。

圖1 基于試錯(cuò)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)框架

強(qiáng)化學(xué)習(xí)腦機(jī)制研究闡明了生物大腦學(xué)習(xí)的基本原理。大量神經(jīng)科學(xué)研究結(jié)果表明，多巴胺是讓人產(chǎn)生行為動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵神經(jīng)遞質(zhì)，其產(chǎn)生由內(nèi)部動(dòng)機(jī)與外部回報(bào)交互決定。在大腦的獎(jiǎng)賞通路中，中腦多巴胺神經(jīng)元在強(qiáng)化學(xué)習(xí)中起重要作用，當(dāng)獲得的回報(bào)好于預(yù)期時(shí)，多巴胺神經(jīng)元會(huì)被激活；反之則會(huì)被抑制。多巴胺分泌時(shí)能夠帶來愉悅效應(yīng)，起到了關(guān)聯(lián)獎(jiǎng)勵(lì)與當(dāng)前行為的強(qiáng)化作用，增強(qiáng)我們學(xué)習(xí)的興趣。而當(dāng)多巴胺缺失時(shí)，則會(huì)令人覺得索然無味。最新研究發(fā)現(xiàn)稀有獎(jiǎng)勵(lì)在學(xué)習(xí)過程中能夠放大多巴胺神經(jīng)元反應(yīng)，一成不變的強(qiáng)化方式會(huì)導(dǎo)致多巴胺分泌減少，大腦喜歡新鮮感和需要多樣化的強(qiáng)化方式。強(qiáng)化回報(bào)的呈現(xiàn)模式對于提高學(xué)習(xí)任務(wù)的習(xí)得速度及其穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用，強(qiáng)化時(shí)機(jī)、大小和頻率等因素對學(xué)習(xí)效果具有顯著影響[9-10]。從塑造學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的角度來看，強(qiáng)化學(xué)習(xí)的腦機(jī)制可以總結(jié)為三點(diǎn)：（1）在學(xué)習(xí)初期，正向強(qiáng)化的時(shí)機(jī)應(yīng)該在正確行為后及時(shí)給予，從而維持其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)；（2）采用隨機(jī)稀疏的正向強(qiáng)化方式更容易激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，保持學(xué)習(xí)的新鮮感；（3）在學(xué)習(xí)的后期，給予較大幅度和概率的正向強(qiáng)化，能夠?qū)φ麄€(gè)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行強(qiáng)化，體現(xiàn)學(xué)習(xí)的常用價(jià)值。上述強(qiáng)化學(xué)習(xí)的腦機(jī)制啟示我們，可以在教學(xué)過程中，通過科學(xué)設(shè)計(jì)適宜的強(qiáng)化模式，來塑造學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)，從而提升教學(xué)效果。

二、基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)腦機(jī)制，以學(xué)生角度切入，設(shè)計(jì)了遵循“感受認(rèn)知→理論理解→仿真領(lǐng)會(huì)→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→實(shí)訓(xùn)拓展”遞進(jìn)式強(qiáng)化原則的電工學(xué)混合式教學(xué)模式

在生物強(qiáng)化學(xué)習(xí)的腦機(jī)制啟發(fā)下，采用及時(shí)強(qiáng)化、隨機(jī)強(qiáng)化和長遠(yuǎn)強(qiáng)化等多種強(qiáng)化學(xué)習(xí)原理，設(shè)計(jì)了電工學(xué)線上線下混合式教學(xué)模式，如圖2 所示。

圖2 電工學(xué)線上線下混合式教學(xué)模式

電工學(xué)混合式教學(xué)模式以學(xué)生角度切入設(shè)計(jì)，對于各章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，遵循“感受認(rèn)知→理論理解→仿真領(lǐng)會(huì)→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→實(shí)訓(xùn)拓展”的階段流程進(jìn)行，在不同學(xué)習(xí)階段采用不同的強(qiáng)化模式。前四個(gè)階段屬于掌握基礎(chǔ)知識(shí)，強(qiáng)化的目的主要在于激發(fā)興趣、塑造良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，強(qiáng)化模式主要采用即時(shí)回報(bào)；最后的“實(shí)訓(xùn)拓展”階段則屬于知識(shí)應(yīng)用階段，通過實(shí)踐應(yīng)用來讓學(xué)生體會(huì)“學(xué)以致用”的成就感，激發(fā)其主動(dòng)深入學(xué)習(xí)動(dòng)力、塑造其未來服務(wù)社會(huì)的價(jià)值觀。

各階段教學(xué)強(qiáng)化設(shè)計(jì)思路要點(diǎn)具體如下。

1.感受認(rèn)知（課前、線上）

按照強(qiáng)化學(xué)習(xí)原理，新穎直觀的感受容易激發(fā)探索和學(xué)習(xí)的興趣，所以第一階段利用電工學(xué)教學(xué)網(wǎng)站所提供的視頻和多媒體資源，讓學(xué)生獲得對所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用場景和現(xiàn)象規(guī)律直觀的感受認(rèn)識(shí)。網(wǎng)站內(nèi)容不僅包括電路、電子、電機(jī)和電工等部分的基礎(chǔ)原理和應(yīng)用示例，還介紹了現(xiàn)代電工學(xué)的發(fā)展、重大科技成果、電工學(xué)在其他學(xué)科領(lǐng)域的滲透等拓展知識(shí)。為了增強(qiáng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣，在視頻和多媒體材料中增加了隨機(jī)問答、闖關(guān)得分、配對PK 等環(huán)節(jié)，并隨機(jī)化得分獎(jiǎng)勵(lì)，所有視頻都采用不超過5 分鐘的短視頻方式，視頻呈現(xiàn)的連接與學(xué)生的交互選擇結(jié)果有關(guān)。及時(shí)的即時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)在學(xué)習(xí)的初期階段，極大地激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，愿意參與和主動(dòng)嘗試，達(dá)到了“玩中學(xué)”的目的。

2.講解答疑（課中、線下）

講解答疑主要是為了解決學(xué)生在對所學(xué)理論和方法的理解中產(chǎn)生的問題。如果不能及時(shí)解決感受認(rèn)知過程中的疑惑，學(xué)習(xí)也很難持續(xù)和深入。因此在課前獲得所學(xué)知識(shí)的直觀感受后，在課上教師重點(diǎn)通過提問、答疑、評(píng)講思維導(dǎo)圖的方式來對重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行講解，并對回答問題或積極參與的學(xué)生給予及時(shí)的正向獎(jiǎng)勵(lì)強(qiáng)化，方式包括記小分、口頭表揚(yáng)和隨堂小測試等，需要強(qiáng)調(diào)的是，課堂強(qiáng)化方式必須是正向的，以引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生為目的。負(fù)向強(qiáng)化只會(huì)使學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣。通過口頭的表揚(yáng)、引導(dǎo)、鼓勵(lì)給予及時(shí)的反饋，使學(xué)生感受到獲得的不僅僅是對知識(shí)的理解，更重要的是情感上的交流和支持，起到內(nèi)部強(qiáng)化的效果。

3.仿真領(lǐng)會(huì)（課后、線上）

在課堂學(xué)習(xí)理論知識(shí)和分析方法之后，有別于傳統(tǒng)課后作業(yè)布置習(xí)題的方式，利用建設(shè)的線上電工學(xué)數(shù)字仿真平臺(tái)，將所有的知識(shí)要點(diǎn)和重點(diǎn)方法以仿真操作分析的形式呈現(xiàn)給學(xué)生。學(xué)生在仿真平臺(tái)上可以利用Electronics Workbench（EWB）、Pspice 或MATLAB 進(jìn)行電路及電機(jī)系統(tǒng)的仿真，對所學(xué)的理論知識(shí)通過仿真模擬進(jìn)行驗(yàn)證。仿真過程可以分步驟進(jìn)行，配合動(dòng)畫進(jìn)行打分。學(xué)生可以在課后即時(shí)或多次在線進(jìn)行仿真練習(xí)，根據(jù)自己的領(lǐng)會(huì)程度來個(gè)性化安排掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。這種結(jié)合仿真進(jìn)行知識(shí)強(qiáng)化的方式，尤其在例如對電動(dòng)機(jī)與變壓器的原理、超導(dǎo)發(fā)電技術(shù)、鐵磁材料應(yīng)用等難點(diǎn)內(nèi)容的理解中發(fā)揮了重要作用，仿真操作直觀易理解、即時(shí)反饋的特點(diǎn)激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，深受學(xué)生的喜愛，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性大大提高。

4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)操作是電工學(xué)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，反映學(xué)生對理論知識(shí)的理解和實(shí)踐應(yīng)用的能力。但傳統(tǒng)教學(xué)方式中學(xué)生往往輕視實(shí)驗(yàn)，只是交個(gè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告了事。在混合式教學(xué)模式里，在實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)老師會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果即時(shí)給出每次實(shí)驗(yàn)的成績（分為A、B、C 三個(gè)等級(jí)），最后按比例計(jì)入課程結(jié)課后的總成績。在電工學(xué)課程實(shí)驗(yàn)中，對于三相交流電路的研究、異步電動(dòng)機(jī)的繼電接觸控制、單管放大電路的調(diào)試、觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路和計(jì)數(shù)器及譯碼顯示電路等重點(diǎn)或難點(diǎn)項(xiàng)目，可以分多次計(jì)操作成績，避免因個(gè)別實(shí)驗(yàn)的操作失誤，打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成績綜合學(xué)生出勤、實(shí)驗(yàn)過程（參與程度、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、設(shè)備安全和人身安全）情況和實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量（內(nèi)容和規(guī)范性），每個(gè)環(huán)節(jié)的教師評(píng)分是在學(xué)生自評(píng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，這種方式可以激勵(lì)學(xué)生重視實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中注意規(guī)范和主動(dòng)參與。

5.實(shí)訓(xùn)拓展

實(shí)訓(xùn)拓展環(huán)節(jié)是為了檢驗(yàn)和培養(yǎng)學(xué)生對電工學(xué)相關(guān)理論和技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用能力，體現(xiàn)學(xué)習(xí)效果的價(jià)值，起到未來回報(bào)強(qiáng)化的作用。在教學(xué)過程中，主要采取了兩種途徑。

（1）對于所有參加電工學(xué)課程學(xué)習(xí)的學(xué)生，均要求參加后續(xù)的電子實(shí)訓(xùn)開放實(shí)驗(yàn)課程，并獲得相應(yīng)學(xué)分。該課程是以學(xué)生自己動(dòng)手，掌握一定的電工電子操作技能和制作一兩種實(shí)際的電子產(chǎn)品為特色的實(shí)踐能力訓(xùn)練課程，實(shí)訓(xùn)各種項(xiàng)目具有很強(qiáng)的綜合性和應(yīng)用性，主要包括常用儀器設(shè)備及工具的認(rèn)識(shí)與使用、元器件的識(shí)別與檢測、電子電路手工焊接訓(xùn)練、各種電子產(chǎn)品套件的焊接安裝與調(diào)試等。在此基礎(chǔ)上，選擇對電工學(xué)有興趣的學(xué)生，成立“電工電子制作小組”，根據(jù)電工學(xué)課程知識(shí)，結(jié)合學(xué)校每年一度的“電子制作大賽”，通過制作電子器件或產(chǎn)品，提升學(xué)生對電工學(xué)的認(rèn)識(shí)和興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。

（2）探索針對不同專業(yè)背景和應(yīng)用需求的個(gè)性化教學(xué)方案，將電工學(xué)課程與相關(guān)學(xué)科競賽要求相結(jié)合，在基礎(chǔ)課程教學(xué)中引入“實(shí)驗(yàn)比賽、創(chuàng)意演講、團(tuán)隊(duì)協(xié)作”等教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和動(dòng)手能力，提高學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。鼓勵(lì)和組織學(xué)生積極申報(bào)全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，以及“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽等課外活動(dòng)，團(tuán)隊(duì)老師帶領(lǐng)學(xué)生獲得國家級(jí)、省級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目3項(xiàng)，校級(jí)5 項(xiàng)，學(xué)生在這些活動(dòng)中獲得了學(xué)習(xí)的成就感[11]。

三、遵循強(qiáng)化學(xué)習(xí)原理設(shè)計(jì)的電工學(xué)混合式教學(xué)模式，在教學(xué)過程中學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意愿和動(dòng)手實(shí)踐能力明顯增強(qiáng)，考試成績顯著提高

基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)腦機(jī)制的電工學(xué)混合式教學(xué)模式自2020 年開始，已在鄭州大學(xué)校內(nèi)包裝工程、高分子材料、高分子材料加工、材料科學(xué)與工程、工程力學(xué)、安全工程和生物工程等十余個(gè)專業(yè)授課教學(xué)中采用，受眾逾千人，覆蓋面廣，在教學(xué)過程中可以直觀感受到學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意愿和動(dòng)手實(shí)踐能力明顯增強(qiáng)，學(xué)生課堂和線下與老師互動(dòng)頻繁，實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)積極參與。從期末考試成績和網(wǎng)上教評(píng)反饋效果來看，遵循強(qiáng)化學(xué)習(xí)原理設(shè)計(jì)的電工學(xué)混合式教學(xué)模式收到了良好的教學(xué)效果。圖3 為采用傳統(tǒng)教學(xué)模式與混合式教學(xué)模式的成績對比，可以看到，采用混合式教學(xué)模式后學(xué)生成績顯著提高，“優(yōu)秀”“良好”等級(jí)比例大幅提升，“不及格”等級(jí)從原來的14%下降到不足2%，“及格”等級(jí)比例也下降為14%。網(wǎng)上教評(píng)結(jié)果也反映了學(xué)生對這種新模式的普遍歡迎，認(rèn)為學(xué)習(xí)該課程“有趣”“有用”“教學(xué)方式新穎”。后續(xù)將逐步面向全校其余電工學(xué)課堂推廣該教學(xué)模式。

圖3 混合式教學(xué)模式與傳統(tǒng)教學(xué)模式對比

四、結(jié)束語

隨著對人類學(xué)習(xí)腦機(jī)制的深入了解，遵循大腦學(xué)習(xí)活動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)教學(xué)模式、開展教學(xué)實(shí)踐受到了越來越多的重視。混合式教學(xué)模式的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)腦機(jī)制的電工學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)提供了有力手段。通過近兩年的教學(xué)實(shí)踐表明，針對性強(qiáng)、強(qiáng)化形式多樣的混合式教學(xué)模式能夠極大提升電工學(xué)教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，起到了激發(fā)學(xué)生主動(dòng)持久的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力和工程素養(yǎng)的核心教學(xué)目的，為打造電工學(xué)金課提供了新的手段。未來將更加注重個(gè)性化地設(shè)計(jì)強(qiáng)化方法，挖掘新的強(qiáng)化手段，優(yōu)化混合式教學(xué)模式。此外對于電氣類專業(yè)涉及的電氣信息、電子技術(shù)等相關(guān)課程，也可以借鑒遵循強(qiáng)化學(xué)習(xí)原理設(shè)計(jì)的電工學(xué)混合式教學(xué)模式，進(jìn)一步推廣應(yīng)用。