电路原理课程的教学改革

电路原理课程的教学改革

0“电路原理”课程教学组的课堂教学改革方法的提出自2003年以来，学校的“电路原理”课程一直在进行中，并取得了良好的效果，对中国同行产生了广泛、积极的影响。笔者在文献中详细介绍了我校“电路原理”课程继续进行深度改革的理念探索过程。随着社会大环境的改变,近年来各种课外的新事物对学生的吸引力越来越大,如各种高科技电子产品和网络游戏等,再加上没有了中学阶段的升学压力,学生对该课程学习兴趣越来越小,主动学习的愿望也越来越低。如何激发学生的学习热情,培养其主动学习的愿望和能力成为摆在我们和全体高校教师面前的一大挑战。为此,我校“电路原理”课程教学组在前几年持续进行的课程内容和课程教学环境改革的基础上,在2013年春季学期对教学方法又进行了深度改革,采用“翻转课堂”(FlippedClassroom)模式,并把实验与理论学习相结合,激发了学生的学习热情,收到了较好的教学效果。本文作为文献的续篇,将对这一改革模式的具体实施过程以及实施效果做一全面介绍。1师生互动间的连接“翻转课堂”最早是由美国的两位非常有经验的高中化学教师J.Bergmann和A.Sams于2008年首先提出的。他们的初衷是为了给那些未能上课的学生补课而利用软件对课堂教学进行了录像和注释,并将这些内容上传到网络上,供缺课的学生下载学习。结果发现很多没有缺课的学生也会下载浏览用于复习,以加强对课堂内容的理解。这就促使两位教师重新思考课堂教学的定位。FlippedClassroom可解释为“反向课堂”或“翻转课堂”。根据他们的观点,“反向”或“翻转”意指颠覆了传统教学模式中课堂上听讲和课后自行做练习的模式。取而代之的是课前让学生利用电脑和网络,浏览教师录制的或指定的与课程内容相关的录像短片,其中可以穿插一些练习,这些内容都可以重复观看。正式课堂时间则强调师生之间的互动,对课前学习中遇到的问题进行深入讨论,也可穿插进行新的练习。FlippedClassroom的核心是主动学习、学生参与和进行混合式课程设计等。常见的对于“翻转课堂”的认识误区是在线课程、类似电大的视频教学、学生没有教师指导和学生独自学习等。其中,富有成效的面对面互动讨论才是翻转课堂最重要的价值所在。采用“翻转课堂”这种模式,教师是课堂上导师,学生有更大的自主学习空间,在课堂上可以有更多的时间和教师进行有效互动;没有来上课的学生不会被落下功课。近年来,高校的很多课程都建立了相应的教学网站,网站内容大多包括多媒体课件、自测习题以及其他一些辅助学习资料等。但是,这些教学网站基本都只用于学生课后复习或课程的对外宣传,在整个教学过程中发挥的作用非常有限。我校“电路原理”课程通过前几年的改革已经建立了内容丰富和功能比较完善的教学网站。它在过去几年的电路教学中发挥了积极的作用,两次被评为“清华大学优秀教学软件”。这个教学网结为我们采用“翻转课堂”模式进行的教学改革奠定了很好的基础。在本次深度改革中,我们在每节课结束时都会给学生下发一份下一节课的课前安排。其内容包括自学内容对应的教材章节说明、难度相对低一点的2~3道相应的练习题和对应理论课程的实验内容等。如有必要,还会给出一些补充阅读材料。根据这份课前安排,学生首先需要登录教学网站观看相应的Flash,然后阅读教材,完成练习。我们并不推荐学生在课前观看完整的教学录像,一则占用时间较多,二则教学录像中对有些问题已经讲解得比较透彻,学生观看之后,正式课堂时间就没有讨论的必要了。课程中,大约有65%左右的学时会有相应的实验任务,而且绝大部分实验中教师只提出实验目的。例如一项设计实验:“验证MOSFET的端口特性”,学生两人一组完成实验,要求学生自己设计实验方案,完成实验电路以及元器件参数选择等。现以第6讲“含运算放大器的电阻电路分析”为例,布置的课前安排如表1所示。根据此后我们对学生做的一份问卷调查结果统计,学生在课前学习这一环节对应每一大节课(2学时)花费的时间大约是2小时。在这一环节遇到的所有问题都可以在随后的课堂上得到充分的讨论。2课前花的问题如前所述,富有成效的面对面互动是翻转课堂的核心价值。如果在正式课堂时间不能很好地组织起能让每位学生参与的讨论,那么这种改革只能是流于形式,课前花那么多时间自学、练习就显得多余和浪费了。在我们2013春季学期的改革实践中,正式课堂时间的活动主要包括三部分:一是对理论学习中的主要知识点进行讨论,二是做一些典型习题,三是实验内容讨论或演示。2.1多提出问题,却不讲时以第6讲为例,课堂讨论内容如表2所示。对知识点的讨论以学生提出问题为主,教师补充问题为辅,基本涵盖所有主要知识点。为了让课堂上真正做到以学生为主,我们对教学课件做了大幅改动,教师在教学观念上也打破了对教学体系完整性的追求,对于大多数学生提出的不明白的知识点要重点、深入讨论,而没人提及的知识点则可以一带而过,甚至不讲。我们鼓励每一位学生多提出问题,并回答别人的问题;对于学生回答得不太正确的教师再加以纠正和解释。在这个过程中,不排除会出现这样一种现象:在某些问题上学生在课前学习时自我感觉好像已经理解了某个知识点,会提不出什么问题,但其实并没有理解问题的本质。这就需要教师根据自己的教学经验以及课堂实时讨论情况,对讨论内容进行补充和调整。我们以表2列出的知识点(2)和(6)为例,绝大部分学生可能对知识点(1)、(3)、(4)和(5)都能正确理解;对(7)、(8)、(9)有点含糊,有的学生会主动提问,也有学生能回答,但不太准确,需要教师对一些关键点加以解释和确认;学生对知识点(2)和(6)基本上不会想到,需要教师主动提出来并组织讨论,因为对知识点(6)的理解直接影响实验中的元件参数选择。从仿真情况看,总会有学生在运放的外电路中选用欧姆量级的电阻,虽然这对仿真结果没有影响,但在实验中是不行的。平均来说,每一大节课的教学内容都可以提炼出10~15个知识点,讨论时间大约占总课时的40-50%左右。2.2传统的考试评价在教学中,对以下问题的理解对练习题的讨论分为两部分:(1)课前练习题,主要是讨论一下解题思路、解题方法和答案。因为课前练习题相对比较简单,且学生都已经在课前完成了,所以用时较少。(2)课堂上新给出的一些难度较高的(如用运放实现乘法、除法运算)或有实际工程应用背景(如DAC)的练习,一般3~4道题左右。虽然我们对教学方式进行了改革,但遗憾的是我们仍然不能完全抛弃考试这种评价机制,因此仍然需要给学生必要的解题练习。由于每节课都有相关练习,我们取消了以前的专门的习题课,每节课的习题讨论时间大约占总课时的20-40%左右。2.3实验装置的设计将实验与理论课程重新结合是我们此次改革的一个重要举措,但实验形式上与以往发生了根本的改变。学生不再是去实验室做几个教师已经设计好实验电路和实验步骤的验证型实验。取而代之的是,我们给每个小组配备了一套NI的myDAQ实验装置,将myDAQ与学生自己的笔记本电脑相连就形成了一个小型的移动实验室,学生可以很方便地在教室、宿舍进行实验。实验中遇到的各种问题可以在课堂上进行讨论,教师可以要求学生在课堂上阐述自己的实验设计思路,现场演示实验结果,学生之间也可以进行相互检查。这一部分内容平均占总课时的30%左右。需要说明的是,参与本次课程改革的学生不需要再像其他学生一样去做常规的电路实验,本课程实际有5个学分。当有实验讨论和演示时,一般需要2学时基础上延时半小时左右才能完成所有教学任务。2.4以利导学生课堂与传统教学模式下的课堂教学相比,这种理论与实验相结合、直接指导与建议式学习相结合的混合式学习模式大大活跃了课堂气氛,提高了学生的学习兴趣。在这种教学模式中,虽然教师讲得少了,但实际上对教师的要求更高了。教师一方面要有够宽知识面,能够正确解答学生提出的以及实验中出现的各种问题。这就要求教师对布置的所有实验都必须在课前亲自做一遍,才能对实验中可能出现的问题、原因及解决方案做到心中有数,时间投入大大增加;另一方面,对课堂整体态势的把握要恰到好处,尤其是在知识点的讨论上做到收放自如,既要保证在设定的时间内让学生讨论得比较尽兴,又要按时完成相关的教学内容。另外必须指出的是,这种教学模式成功实施的前提是学生课前必须进行充分预习,否则课堂讨论就无法展开,因此这也决定了这种教学方式不适合大规模进行。因为并不是所有学生都有主动学习的欲望和能力,还是需要进行挑选的。我们的课堂都是由学生自愿报名的,有这种主观愿望的学生至少思想上已经认可了这种教学方式,因此总的来说课堂讨论效果还是不错的。3课前教学阶段我们在2013年春季学期进行电路教学中将理论课与实验紧密结合,实验中更多的是研究型和设计型实验。实验主要借助NI的myDAQ移动实验设备完成,绝大部分电子类的弱电实验都可以用myDAQ完成,但强电实验仍然要求学生去实验室完成,如三相实验。我们设计了一些相对简单的实验要求学生在课前学习阶段完成,通过实验认识元器件特性和电路特点。如测量二极管和MOSFET的端口特性,测量myDAQ上+15V与AGND之间的戴维南等效电路等。课堂上再对实验结果进行讨论和分析,这要比以往只做仿真甚至只讲理论要生动得多,学生对这些元件和电路特性的理解也会更深刻。另外,我们还布置了一些相对比较难的实验,要求学生在完成相应的理论知识学习后,设计实现一些具有特定功能的电路,如基于MOSFET实现的小信号放大器、利用运放实现的正弦波发生器和有源降噪耳机等。学生通过完成这些实验,对电路原理的一些基本概念和分析方法认识更加深刻,而当他们完全通过自己的设计实现了这些电路功能时,从中获得的喜悦和成就感是纯粹的理论学习无法比拟的。3.1实验布置和报告内容本次教学改革的试点对象是我校电机系的学生。电机系的“电路原理”课程总计是96学时,2013年春季学期的64学生讲授的内容为直流电阻电路和正弦交流稳态电路。配合教学进度,结合理论教学内容,我们在这个学期一共布置了15个实验,如表3所示。标注*的实验不仅每组学生都要在课堂上演示实验结果,还要提交正式的实验报告。报告内容包括理论分析、实验电路原理图、实验所用元器件参数、实验结果及分析等;其余实验只要求在课堂上演示实验结果即可。3.2环境噪音的实验和背景在表3所列的实验内容中,最值得一提的是第9项实验:有源降噪耳机。该实验的设计灵感最早来自于美国著名音响厂商Bose推出的顶级主动降噪耳机———QuietComfort15(以下简称QC15)。这款耳机Bose官方报价人民币约3000元,所以当学生初次听到要求他们利用myDAQ对这款耳机做原理性实现时,他们都觉得不可思议,没有人认为自己能够做得出来。主动降噪耳机又名有源降噪耳机,它的工作原理是先通过一个高灵敏度麦克风收集当前环境噪音,然后经过内部的处理器产生一个与噪音相反的波送到耳朵中,以达到降噪的目的。在我们的实验设计中,这个内部处理器就是一个用运放实现的反相比例器,因此在我们讲完运放电路后就布置学生开始着手进行这个实验。首先通过音频插座和音频传输线实现音频信号从电脑到耳机的正确传输;其次要认识驻极体话筒的工作原理,搭建其外围电路,使其能正确收集环境噪音;接着要对采集信号进行反相放大,根据收听效果调节放大倍数。但至此降噪效果并不理想,主要原因有两个:一是用来播放环境噪音(本实验中指定为100Hz正弦波)的音箱品质对实际收集到的噪音信号参数(主要是频率和波形畸变率,后者要等到讲完周期非正弦电路后学生才会理解)有很大影响,二是实验中驻极体话筒的位置离耳朵有一定距离,因此收集到的噪音信号与耳朵实际听到的环境噪音信号之间有一点相位差。这一点与实际的QC15不符,QC15的麦克风就在耳机听筒上,相位差可以忽略。而对于这个相位差的处理则需要等到讲完正弦稳态电路的移相电路以后才能实现,因此本实验贯穿了大半个学期。我们把该实验定位成了一个竞赛型实验。教师在课堂上只做原理性讲解和点评,具体细节都由学生自主实现,在最后一节课上我们进行了集中展示和评比。为公平起见,我们指定了环境噪音信号和测试用的音乐信号,每一组学生都有5分钟的PPT报告时间,介绍自己组的设计思路和主要的实验结果,其他组学生可就报告内容自由提问,最后还要现场让其他学生感受降噪效果。教师和学生从报告内容、回答问题和实际降噪效果三方面对每一组进行现场打分。学生都表现出了极大的兴趣和创造力,就100Hz的测试信号而言,当参数调试合适时,获得第一名和第二名的两组实验电路的降噪效果甚至要优于市面上一些普通的降噪耳机。4测试结果和原因分析通过一学期实践,我们可以直接感受到的是学生主动学习的欲望和能力都大大提高。对于实验中遇到的问题他们基本都可以通过自己检索资料和课堂讨论加以解决,甚至有些小组会利用myDAQ去设计实现一些教师并没有布置的小实验,课堂精神面貌明显要比传统课堂活跃很多。参加本次课程改革的学生并不是刻意挑选的,而是学生在上学期结束前自由报名的。虽然我们组织了面试,但我们看重的是学生动手能力和团队协作能力,对课程学习成绩和年级排名并无任何要求。事实上,根据我们这学期对所选中的20名学生在大一第一学期的学分绩统计结果看,这其中既有年级前10名的,也有80多甚至100多名的(全年级120人),全班平均学分绩在年级40名左右。最终的期末考试这20名学生与年级其他学生同时同卷考试,他们的卷面平均分约比其他同学的平均分高出5-8分。实践证明,他们的理论学习能力由于采用翻转课堂这种教学模式而得以提高,这与我们的初衷是吻合的。当然,在这次改革实践中我们也发现了很多问题,概括来说,决定这种教学方式改革成败的关键因素有以下三点。(1)教师的投入显增加采用“翻转课堂”这种模式,所有课件都要重新制作。教师不能再像传统课堂一样按照自己事先准备的内容按部就班,而需要根据学生在课堂上的实际讨论情况及时调整顺序和重点。教师的主要职责是适时引导和合理建议。投入时间更大的另外一块内容是实验的设计和完成,为了保证所布置的每一个实验都是可以用myDAQ和所发元器件实现的,并且能在课堂讨论中对学生在实验中出现的问题进行有效指导,教师必须对所有实验在课前亲自