“模拟电子技术基础”融合式教学改革

翁 玲 李永建 陈盛华 孙 英

(河北工业大学 电气工程学院, 天津 300401)

“融合式教学”(Hybrid Learning)是指传统课堂与在线教育相互融合的教学方式,被认为是混合式教学(Blended Learning) 2.0 版本[1]。融合式教学更加强调传统课堂和在线教育的充分融合与互相交织,强调在完整的教学过程中(包含教学方法、教学形式、学生的学习评价等)进行全方面多维度的深度融合[2]。因为有了“同步模式”,融合式教学具有灵活性强、互动性多等突出优点,这些恰好是混合式教学所不具备的。融合式教学不是简单的“线上教学”+“线下教学”,而是通过不同认知目标的知识分类,将知识配置到不同的教学形式中,从而发挥线上教学和线下教学的最大效能[3-4]。融合式教学在疫情防控常态化阶段发挥了重要作用[1-2],在一流课程建设中,融合式教学也正在成为主流教学模式[5]。

近年,课程思政在高等学校中被反复提及并逐渐深入[6]。习近平总书记在2016年指出,“使各类课程与思想政治理论课同向同行,形成协同效应”。各高校持续深入执行课程思政理念,清华大学于歆杰教授指出要开展高质量课程思政,课程要做到思政教育和混合式教学相互促进[7]。

“模拟电子技术基础”课程是电气工程及其自动化、生物医学工程、新能源科学技术、自动化等专业的专业基础课程。为落实教育部指导纲要,各高校“模拟电子技术基础”课程结合学校自身特点,积极进行混合式教学改革,同时进行课程思政建设实践。清华大学电子学课程组将辩证思想贯穿模拟电子技术分析与设计中。华中科技大学结合慕课堂线上学习数据与线下考试成绩研究学生在线学习的行为表现与学习效果之间的关联性,从而持续改进[8]。中北大学通过在“模拟电子技术基础”课程中变换教学方式、设计教学活动、选择教学材料方面渗透思政教育[9]。江苏科技大学进行了电工电子“课程思政”建设,主要从教师的思政意识、特色的教学设计和综合的教学改革等方面开展[10]。西安文理学院从传统文化中挖掘大量充分的思政教学素材用于“电子技术”课程的“课程思政”[11]。

河北工业大学电子学课程组持续进行“电子技术”基础课程线上线下混合式教学,注重学生创新能力培养[12]。然而在教学中仍然存在以下痛点问题:教师难于精确掌握学生学习效果;理论课和实验课分开进行,不能保证每次理论课后立即进行相应实验,理论与实践结合困难;在疫情防控常态化的今天,学生不能全员返校等。发挥实质等效的教学效果急需进行融合式教学改革。“模拟电子技术基础”课程组经过多年探索与实践,从教学目标、教学模式、教学活动、考核评价等方面进行融合式教学改革,在凸显学生学习主体地位的同时发挥教师的主导作用,起到了良好的教学效果。

1 思政引领、知能并重修订课程目标

1.1 课程目标修订

依据专业培养目标和毕业要求,“模拟电子技术基础”课程目标从知识、能力和素质三个层面出发,使学生获得模拟电子技术方面的基本知识和基本技能,转变学生思维,拓展学生视野,培养创新意识,提高学生自主学习、实践动手和团队协作能力。具体体现为:

(1)知识与能力目标:掌握常用半导体器件应用,了解模拟电子技术前沿发展及在工程领域中的主要应用。掌握模拟电路基本概念和分析方法,选择合适模型计算电路性能指标,培养学生的工程思维和分析解决复杂电子系统问题的能力。能识别单元电路和电子电路系统,选定合适参数完成电路设计,提高团结协作和实践创新的综合能力。

(2)素质与思政目标:引导学生辩证思考,培养学生深度分析、精益求精、勇于创新的精神,形成严谨务实的科学素养和高级思维,激发学生科技强国的家国情怀和“兴工报国”的使命担当。

1.2 课程思政融入

为达成课程目标,除知识传授与能力培养外,课程组结合辩证唯物主义思想,广泛而深入地发掘“模拟电子技术基础”课程蕴含的课程思政元素,建立课程思政案例库,润物无声融入思政,助力课程的素质与思政目标达成。如学习电子技术集成电路知识时,借助国内外的重要时政(如华为、中兴事件),说明核心技术是国之重器,鼓励学生发奋学习,刻苦钻研,掌握扎实的专业技术助力国家科技进步。在“模拟电子技术基础”分析和设计过程中暗含辩证思想,有一利必有一弊,授课时结合授课内容适时引导学生树立正确的三观。如表1所示为“模拟电子技术基础”课程知识点关联的课程思政元素。课程共梳理出30个课程思政元素,基本实现每次课 “润物无声,化盐于水”的思政效果。

表1 课程知识点与思政元素

2 线上线下融合教学转变教学模式

2.1 教学环节与信息技术融合提升教学效果

课程采用清华大学“模拟电子技术基础”精品在线开放课程和课程组自行录制的视频,依托“雨课堂”“雷实验”平台开展线上与线下融合式教学。根据课程内容属性,将教学环节与信息技术紧密融合,利用“雨课堂”中的大数据技术精确分析学生学情,采用不同的融合式教学方法。

“模拟电子技术基础”的教学内容主要有:基础部分(半导体器件基础、基本放大电路分析、集成运算放大电路分析、频率响应等)和应用部分(反馈放大电路、信号的运算与处理电路、波形发生电路、信号转换电路、直流电源、功率放大电路等)两大类。基础部分重基本概念,利用“雨课堂”发布的课前线上预习内容少(预习内容选用学堂在线中清华大学“模拟电子技术基础”精品在线开放课程),主要以教师课堂线下讲授为主,课后学生需要线上完成的主观题作业较多,夯实基本概念;应用部分偏工程实际,利用“雨课堂”发布的课前线上自学视频较多,教师线下讲授较少,课堂以分组讨论、知识点串讲、案例教学为主,课后学生完成线上主观题、综合设计等作业,扩展应用范围。经过近四年的融合式教学实践,学生的学习主动性显著提高,教学效果较好。

2.2 雨课堂与雷实验结合开展智慧实验

目前很多高校“模拟电子技术基础”的理论课程与实验课程为独立的两门课程[13],减少了课程中的相互融合。由于实验室空间与时间限制,学生学完理论内容后不能立即进行实验,降低了教学效果。基于便携式电子实验平台和“雨课堂”教学工具,北京时代行云公司开发了能线上线下混合的智慧“雷实验(Lab of Electronics Intelligence,LEI)”系统,“雷实验”系统具备便携、实验时间不受时空限制、实验报告自动生成等突出特点。

河北工业大学“模拟电子技术基础”课程构建了如图1所示的辅助智慧实验系统[14],系统中的实验仪器为“雷实验”,信息交互媒介为“雨课堂”。具体实施时教师在学期初发给学生“雷实验”便携实验平台,依据教学内容布置“雷实验”题目,学生在“雷实验”平台上做完教师布置的实验任务。实验分为3个层次:第一层次为学生使用“雷实验”完成验证性实验,如单管和差分放大电路等;第二层次为利用“雷实验”平台进行设计性实验,如积分微分运算电路设计等;第三层次为综合性实验,学生利用课余时间以线上线下结合的方式在“雷实验”平台完成具体的模块电路实验,于固定时间内在模电实验室完成整个综合实验。第二、三层次由教师发布任务,学生自主完成。第三层次模块实验为自愿完成。从实际运行来看,利用“雷实验”平台的便携性,学生可任选时间地点完成大部分的模块电路实验,简化了传统实验室安排实验时间的流程。

图1 基于“雷实验”平台的辅助智慧实验系统

3 理论教学创新实践提升学生能力

3.1 云学堂助力理实结合

当病毒肆虐学生无法返校时,“模拟电子技术基础”课程结合河北工业大学实际情况,在实验室录制示波器的使用、二极管应用电路、单管放大电路静态与动态调试、雷实验平台使用、差分放大电路、反馈放大电路交直流测试、运算放大器检验、电压比较器等25个微课和综合考试实验、往届学生复杂系统设计等50个综合设计视频,发布在河工云学堂平台,作为理论课程内容的必要补充。学生根据课程进度随时观看实验现象,增加对课程讲授的理论知识的理解,做到理论实验强结合。

3.2 科教融合扩展视野

采用科教融合的方法,结合电气工程领域的发展前沿和典型电子技术应用,将省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室的最新成果合理引入本科生课堂。如在讲述运算放大电路时,引出Science上发表的关于数字触觉传感器论文,论文把触觉信息转变为数字量,需要用压控振荡电路,积分运算电路是压控振荡电路的核心部分,从而引出运算放大电路的内容,既吸取了学生的注意力,又能把重点实验室中关于磁致伸缩触觉传感器的内容融入本科生课堂。讲述积分、微分和信号变换等运算电路时,引入国家重点实验室自行设计的磁性材料三维磁特性测量系统、磁性材料多参数磁测量系统等装置,在进行磁材料磁滞回线测试时,由于测得的信号较弱,需要利用基本运算电路对信号进行放大和滤波。在测量磁感应强度时,由电磁感应定律测得的磁感应强度和线圈两端的电压为积分关系,测试系统中需要利用积分电路获得被测材料的磁感应强度。

3.3 科技竞赛提升能力

课程组鼓励并指导学生积极参加创新创业竞赛、挑战杯、电子设计竞赛等。学生参加科技竞赛,需要进行资料查阅、器件选择、电路设计、方案验证等工作,参加竞赛既能培养学生动手实践能力,提高学生工程创新和团结协作能力,又可验证融合式教学效果。比如:结合基于信号处理电路、滤波电路、模拟/数字与数字/模拟转换电路、功率放大电路等进行机器人触觉传感器信号采集与智能控制系统设计、多传感器输出信号滤波与数据融合等指导学生参加大学生创新创业竞赛。近三年,课程组教师指导学生获得2022年第十七届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛总决赛国家二等奖、2022年第七届“互联网+”大学生创新创业大赛总决赛国家二等奖、第六届“互联网+”大学生创新创业大赛国家三等奖、第十四届iCAN国际创新创业大赛中国总决赛国家三等奖等奖励,提升了学生的综合能力。

4 多元考核融入过程优化考评方式

课程考评贯穿课程教学的全过程,对课程教学进行有效延伸,是师生对前一阶段课程教学的总结与评价,也对新课程教学起到铺垫和指引作用。按照教学目标和教学要求,“模拟电子技术基础”课程改变“一张期末试卷”的传统考核方式,以期末考试与平时成绩相结合的考核评价方法,过程化与个性化结合,形成性评价与结果性评价结合,全面考核学生综合能力。针对课程的基础知识、课程的授课方式、学生的学习方式等设计了多维考核方式,线上考核以客观题为主、作业以主观题为主,线下考核采用学生汇报、案例报告等多种形式。

以2022春季学期为例,平时成绩以100分计,占比40%,分成以下部分:①课堂表现(占比30%)。考核方式为雨课堂视频预习、课堂测验、线上测验等;②雨课堂预习(占比15%),考核方式为雨课堂视频预习线上测验等;③雨课堂测试(占比15%),考核方式为雨课堂线上测验、期中测试、单元测试等;④平时作业(占比20%),考核方式为线下纸质作业、雨课堂等线上作业;⑤综合设计大作业(占比20%),考核方式为研究报告(设计方案、电路仿真、仿真结果及分析)。期末考试以100分计,占比60%,考核学生对各部分知识点的掌握情况。将多元考核融入教学全过程,全面考核学生对本课程的知识掌握情况和经过系统学习后的综合能力。

5 结语

“模拟电子技术基础”课程积极推进了融合式教学改革,探索了教学要素、教学环节的有机融合。教改过程不仅进行了线上线下教学方式的融合,还包括融入课程思政、理论与实践结合、多种教学资源融合、多元考核方式融合等,切实提升了教学效果,促进了一流课程建设。