深度融合學科背景下電工學課程教學模式探索與實踐

摘 要：面向新工科工程教育要求，該文分析當前電工學課程教學中存在的問題，開展以學科為導向的電工學課程教學模式研究，構建并實踐深度融合學科背景的電工學課程教學模式。研究表明，深度融合學科背景的電工學課程教學模式有助于加強學生對電工學在該學科領域應用的認識和理解，激發學生的學習積極性和自主學習意識，培養學生的科技創新能力，并提升工科專業學生的工程意識。教學實踐揭示深度融合學科背景的電工學課程教學改革取得一定成效，改善電工學課程教學效果和學科交叉型人才能力培養質量。

關鍵詞：電工學；學科背景；教學模式；教學實踐；課程改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）35-0137-05

Abstract： In response to the requirements of the New Engineering Education， this paper analyzed the existing issues in the teaching of Electrical Engineering course. It focused on the development of a discipline-oriented teaching model for Electrical Engineering course and implemented a deep integration of disciplinary backgrounds within the teaching process. The research demonstrates that the deep integration of disciplinary backgrounds in the teaching model enhances students' understanding and recognition of the application of Electrical Engineering in their respective fields. It also stimulates students' learning enthusiasm and self-directed learning awareness， fosters their scientific and technological innovation abilities， and enhances their engineering consciousness as engineering students. Teaching practices have revealed that the reform of Electrical Engineering curriculum through the deep integration of disciplinary backgrounds has made certain achievements in improving the effectiveness of Electrical Engineering teaching and the quality of interdisciplinary talent cultivation.

Keywords： Electrical Engineering; interdisciplinary background; teaching model; teaching practice; curriculum reform

電工學是一門面向非電類工科專業學生開設的系列專業基礎課。該課程涉及電路基礎、電工基礎、模擬電子技術和數字電子技術等綜合知識。通過電工學課程學習，要求學生掌握必要的電工與電子技術相關基本概念、基本原理以及基本分析方法，能夠綜合運用相關知識解決實際生產實踐問題。課程目標在于為學生學習后續專業課和從事工程設計工作打下堅實的電工與電子技術基礎。電工學課程具有學生對象專業背景復雜、課程內容與時俱進、應用性強、知識點多但學時少等特點[1-2]。

近年來，教育部積極推進新工科建設，深化高等教育綜合改革[3]。在此背景下，電工學也融入新特點和新要求。電工學課程需要改革其教學內容和教學方式，以提高學生的創新思維和創造能力以及適應新工科研究與實踐的要求。然而，受傳統教學模式的影響，電工學系列課程教學中尚存在一系列問題。結合多年教學體會，電工學課程在傳統教學方式下所存在的問題包括[4-7]：①課程內容缺乏與學科背景交叉融合。電工學課程授課對象涉及學科和專業眾多，但目前的課程教學大多按照教學大綱按部就班授課，缺乏針對不同專業學生的差異化教學和特性化教學。造成電工學與所授學科背景交叉融合不夠，學生認同度低，學習興趣不足。同時，由于不同專業方向對知識與技能的要求不同，電工學課程也要求與學生專業方向相結合，進行相應改革與調整，為學生學習后續專業課和從事工程設計工作積累電工和電子技術基礎。②知識內容與評價體系未能與時俱進。鑒于電工和電子技術相關知識內容迭代很快，電工學課程內容也需要優化更新。然而，目前存在部分知識點內容陳舊，滯后于教學改革和時代發展需求。同時，傳統的評價體系往往注重結果，沒能充分考慮學生的能動性、參與程度、學習興趣的培養和個體化的差異。因此，如何緊密跟蹤知識內容和評價體系發展是電工學教學改革需要考慮的問題。③工程意識培養薄弱。電工學課程要求學生在掌握理論知識的同時，也要具備一定的實踐操作技能。在傳統的課堂與實驗教學中，學生只能從驗證性實驗操作中鍛煉動手能力，而對于專業相關的工程意識的訓練則十分欠缺，這也嚴重制約學生創新實踐能力的培養。因此，開展深度融合學科背景的電工學系列課程教學模式探索與實踐，對于非電類專業電工學教學效果提升和學生創新能力培養具有重要意義。

一 深度融合學科背景的電工學課程教學模式構建

針對電工學教學中所存在的上述問題，結合多年電工學教學經驗和當下各學科背景，本文重點開展深度融合學科背景的電工學課程教學模式探索與實踐研究。圖1給出了深度融合學科背景的電工學課程教學模式革新舉措，具體闡釋如下。

圖1 深度融合學科背景的電工學課程教學模式革新舉措

（一） 將學科背景知識有機融入課堂教學

為了滿足不同專業的需求，教師應當圍繞專業培養方案、實際教學情況和專業應用情況，對電工學教學內容進行整合與取舍，提煉核心內容，舍棄陳舊知識，融入前沿新技術。特別是針對不同專業特點，將學科背景知識有機融入課堂教學，適當引入與對應專業相關的電工學應用實例。比如對于機械類相關專業，考慮到其專業特點及行業發展需求，可以適當增加電氣及PLC控制技術方面的知識點。通過有針對性地結合專業特點進行教學，能夠激發學生學習的積極性，也有助于學生專業知識的學習。教師在設計教學環節前，做好學習對象分析、學習內容分析、學習環境分析和學習資源設計等。在教學活動中發揮教師的主導作用，又體現學生的主體地位。在講解應用案例時，可將“問題-探究”式教學方法應用到學科問題討論之中，啟發學生主動思考，以激發學生學習興趣，改善教學效果。基于構建主義教學理論，在“以學生為中心”的教學理念下精心設計教學內容，主張學生是信息的主動建構者，而教師扮演指導者和促進者的角色。通過實際案例解析，為學生創造真實的知識應用環境，促進學生主動探索、發現和解決問題。

（二） 優化組合教師知識背景與學生專業方向

充分發揮課堂主渠道作用，結合不同專業方向，通過優化組合教師知識背景與學生專業方向，借助教師自身科研背景向學生講解相關專業與電氣工程跨學科研究領域的研究動態和應用案例。比如自動控制方向的教師與測控、車輛等專業的學生組合，新能源器件方向的教師與新能源材料與器件、能源化工等專業學生組合，電氣工程方向的教師與土木、給排水等專業的學生組合。如此，充分發揮教師在搜集專業背景素材、篩選應用案例等方面的優勢，并激發學生積極參與到教學活動中，使學生由被動學習向主動學習轉變。教師和學生還能依據教材內容甚至超越教材內容探討本學科的熱點和前沿問題，讓不同專業學生在電工學課程學習中認識到知識點如何應用在相關專業領域。這種做法還能更好地將創新創業教育滲透到電工學這種大類課堂教學中去，提高本科生參與國家、省市和學校組織的各類創新實驗和科技大賽的積極性。

（三） 將智慧教學手段引入課堂教學

利用信息化、科技化的教學模式給課堂注入新活力，提高學生學習的積極性、參與性和實踐性。智慧課堂是借助現代教育技術開展教學活動，將移動技術與教學模式深度融合，能夠直接、即時地反映全過程學習數據，詳實記錄教學全過程，實現課堂內外多渠道、全過程的即時交流互動與反饋，以充分調動學生的學習積極性[8]。以雨課堂為代表的智慧教學工具的出現為智慧教學的實現提供了有效的教學工具。教師應當將新科技和新理念引入課堂教學，以學生為中心，運用現代化教學工具進行輔助教學。

（四） 將工程意識培養融入課程教學

課堂教學內容一般側重于解析方法和技巧，這往往造成學生對實際工程中的電工學問題理解偏重思想化，而缺乏與該專業學科工程背景的聯系。對電工學課程制定以學科為導向的教學模式，主要側重于融入與其專業相關的工程實例，在案例式教學中融入專業領域前沿技術，實現工程問題解析與創新性能力培養相結合。將電工學知識與特定專業的交叉學科問題以工程實例的形式進行演示，以提升學生對電工學相關概念的認知。結合智慧教學模式，讓學生在學習電工學理論基礎知識的同時，發掘并解析電工學在特定學科背景下的工程應用問題，體會電工學在實際生活中的應用，增強分析工程問題的能力。同時，通過啟發式討論，將工程研究方法引入到主題討論中，增加課程教學的學術性，提高學生的科學素養，加深學生對該專業電工問題的認識。

（五） 優化課程考核與評價方式

教師除了在課堂上將專業背景知識傳遞給學生，撰寫課程論文則是一種督促學生自主學習和探索的有效方式。通過設計諸如“電工學在車輛工程專業中的應用”的開放性課題，要求學生自行組建學習小組（例如4～6人一組），小組成員分工合作，圍繞電工技術或電子技術在本專業中的某一應用實例，進行文獻調研并展開論述（背景、原理、展望等），最終整理形成課程論文報告。要求課程論文能夠融合電工學教學內容和專業特點，具備一定的專業性和學術性。學生針對所選問題進行研究性學習，把資料的搜集整理、解決問題的方案選擇以及設計方案的實施手段貫穿于整個課程的學習過程中，激發學生對電工學課程的興趣?？蓪⒋藞蟾孀鳛榭己撕驮u價指標之一。同時，撰寫課程論文還能促使學生在低年級就主動了解和關注自己所學專業的研究內容和發展趨勢。

二 深度融合學科背景的電工學課程教學改革實踐

合肥工業大學面向機械設計、車輛工程、測控、材料成型、高分子和食品質量等工科專業均開設了電工學系列課程，包括電工技術、電子技術、電工與電子技術A、電工與電子技術B和電子電路課程設計等。為了綜合評價深度融合學科背景的教學模式改革效果，將上述革新舉措實踐于本校電工學系列課程之一的電工與電子技術B（48學時，其中，理論32學時、實驗16學時），課程為大班教學模式。試點專業為材料成型和應用化學。

（一） 案例分析

在深度融合學科背景的電工學課程教學改革實踐中，教師在課堂教學中保證充分理論知識講解的同時，融入與學科專業相關的電工學應用案例；同時，學生則以小組形式對電工電子技術在各自專業中的應用進行充分調研。因此，精心設計選擇應用案例十分重要。下面給出了電工學在材料成型和應用化學專業中的應用范例，簡要闡述如下。

電工學在材料成型專業中的應用——以數控機床為例。磨具成型是材料成型專業的重要內容，在相關實驗中需要廣泛應用機床數控技術。這就需要學生能夠掌握數控機床的基本結構和工作原理，其中就涉及許多電工電子技術知識。以數控銑床為例，其典型結構包括機械部分、電氣部分及數控部分。其中，電氣部分又分為強電與弱電，其中，強電控制主軸、泵、潤滑系統；弱電控制伺服單元，進而控制伺服電動機編碼器。同時，電氣保護電路作為數控機床系統中的重要組成部分，對整個機床系統的正常運行有著直接影響。常見的電路保護設備包括熔斷器、繼電器等。通過在課堂講解時融入該案例，同時讓學生自行探索數控機床在材料成型專業中的應用，可將電工學中的“常開觸點”“常閉觸點”“自鎖”“聯鎖”等概念與自身專業聯系起來，能夠增進學生的學習興趣、提升學習效果[9]。同時，學生在自身調研過程中會發現：在包括數控機床在內的許多工業基礎領域，我國在綜合實力方面與美國、日本、荷蘭等西方國家相比還有較大差距。如此一來，也能激發學生自立自強、科技報國的樸素愛國情感。這也是當下課程思政融入課堂的良好案例[10]。應用案例分析如圖2所示。

圖2 電工學在材料成型專業中的應用案例分析

電工學在應用化學專業中的應用——以電化學工作站為例。電化學工作站是一種集電化學分析方法于一體的電化學通用儀器，在應用化學領域應用廣泛，包括電極過程動力學，以及化學電源、電解、電鍍等多種電化學過程或性能研究。其內部結構包括數字信號發生器、數據采集系統、多級信號增益、電位電流信號濾波器、IR降補償電路、恒電流儀和恒電位儀等。利用電化學工作站測試電化學阻抗譜。其工作原理是給電化學工作站施加一個小振幅交流正弦電壓，測量交流電壓與電流信號的比值（即系統的阻抗）隨正弦波頻率ω的變化，以及阻抗的相位角f隨ω的變化。將電化學工作站看作是一個等效電路，這個等效電路是由電阻（R）、電容（C）、電感（L）等基本元件按串聯或并聯等不同方式組合而成。通過電化學阻抗譜可以測定等效電路的構成以及各元件的大小，并利用這些元件的電化學含義分析電化學系統的結構和電極過程的性質等。阻抗是一個隨ω變化的矢量，通常用角頻率ω的復變函數來表示。該案例能夠很好地將正弦交流電路中非常重要的“阻抗”概念與學生自身專業聯系起來，將阻抗實部、阻抗虛部、阻抗的模值和相位角ω等抽象概念融入專業實驗測試與分析之中，從而更好地理解這些基礎概念[9]。通過將教科書上的知識點與實際應用場景聯系起來，讓學生知道自身專業內容確實與電工學直接相關，在激發學生濃度興趣的同時，將知識點融會貫通，培養學生利用電工與電子技術知識解決本專業基礎科學與工程技術領域相關問題的能力。應用案例分析如圖3所示。

圖3 電工學在應用化學專業中的應用案例分析

（二） 教學實踐成效

經過一個教學周期的改革實踐，通過與平行對照教學班對比發現，試點教學班在以下幾個方面取得明顯改善和提升：①課堂學習參與度提升，大部分學生能夠積極融入課堂討論，表現出良好的學習興趣。②師生交流課后增多，一些學生會積極主動找老師交流課程知識點，特別是與自身專業相關的內容。③課程知識掌握更加牢固，學習成績有所提升。

以材料成型專業為例，圖4列出了試點教學班和對照教學班成績分布對比。從圖4可以看出，基于深度融合學科背景的電工學教學模式，試點教學班的課程成績在90分以上的優秀比例更高。就平均分而言，試點教學班平均分為82.1分，也高于對照教學班77.5分。圖5給出了每次課學生在課堂上主動發言次數以及答疑時高階性問題占比統計。由圖5可知，試點教學班主動發言次數更多，且課后答疑時高階性問題占比上升，表明學生學習自主性和思考問題深度獲得有效提升。綜上，基于深度融合學科背景的教學模式革新改革有助于加強學生對電工學在本學科領域應用的認識和理解，切實改善了電工學課程的教學質量和教學效果。

（三） 主要特色

1 將電工學與工科學科背景深度融合

深入調研各工科專業學科背景，有針對性地舍棄一些陳舊知識，融入前沿新技術，并引入專業相關實例。課程教師預先對所教學生的專業有一定程度的理解，在授課過程中有的放矢；不同專業的學生則可以結合各自專業吸收電工學課程對其有用的部分。同時，各自專業方向的發展也將補充完善電工學的新內容框架。結合專業特點有針對性地進行教學，能夠激發學生學習的積極性，有利于學生專業知識的學習。

2 注重工程意識培養

將工程意識培養融入課堂與實驗教學，能夠激發科研能動性、增強創新實效性。通過發掘并解析電工學在特定學科背景下的工程應用問題，在案例式教學中融入專業領域的前沿技術，將電工學知識在與特定專業的交叉學科問題以工程實例的形式演示，提升學生對電工學相關概念的認知。同時，體會電工學在各自專業之中的應用，增強學生分析工程問題的能力，提高學生的科學素養，從而構建多學科交叉融合的工程人才培養模式。

3 將創新教育滲透到課堂教學中

應用雙向能動的教學手段，把創新教育滲透到課堂教學過程中。通過設計專題討論，學生針對所選問題進行研究性學習，從而激發學生對電工學課程的興趣，主動了解和關注自己所學專業的研究內容和發展趨勢。通過引導學生自己探索問題的探究式學習，擴大學生的知識面，促進大學生對科學探究過程的理解和體驗，培養和提高本科生創新能力和探索精神。

三 結束語

在新工科人才培養思想指導下，電工學課程需要改革其教學內容和教學方式，以適應新工科研究與實踐的要求。本文探索構建了深度融合學科背景的電工學課程教學模式，并進行了教學改革實踐研究。結果表明：深度融合學科背景的電工學課程教學模式有助于培養學生自主學習能力和科技創新能力，增強學生的工程意識培養，從而達到提升課程教學效果和人才培養質量的目標。當然，隨著以學科為導向的電工學課程革新不斷深化，還存在一些問題有待優化完善，例如應用案例的科學性和部分學生的參與度還需要進一步提升。

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