基于4C/ID的智能电器课程教学设计*

王永华　　万频　　邢延（广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006）

基于4C/ID的智能电器课程教学设计*

王永华万频邢延
（广东工业大学 自动化学院，广东 广州 510006）

由于《智能电器》课程是一门多学科知识交叉融合、理论和实践结合的课程，传统的教学方式难以使得学生将分散的知识点进行有效的整合并加以应用，因此文章尝试将面向复杂学习的4C/ID教学模式引入到《智能电器》教学中。对《智能电器》课程内容进行了任务分解，并分析了每个任务所需的程序性信息、支持性信息以及对应的任务练习。基于4C/ID的《智能电器》教学模式有利于提高学生的实践能力、知识迁移能力以及运用整体性思维处理复杂问题的能力。

4C/ID；智能电器；教学设计

一、概述

电器智能化是传统电器学科、现代传感器技术、微机控制技术、现代电子技术、电力电子技术、数字通信及其网络技术等多门类学科交叉和融合的结果。《智能电器》课程主要讲解智能电器和电器智能化的基本概念、智能电器的基本结构、软硬件设计原理、电磁兼容设计与电器智能化网络的结构和开发等内容［1］。该课程是一门涉及多学科、理论和实际结合的课程，其课时较少但课程知识多。

在智能电器课程教学中，由于其跨领域多学科交叉，知识体系零散复杂，如果采用传统的单独依靠老师填鸭式讲解的单一教学模式，只是简单的将各个章节的内容通过讲解传授给学生，学生处于被动接纳状态，会使得学生感觉单调枯燥，并且学生往往只是撑握了讲授的各部分单独的内容，难以深入理解课程知识和体系，难以消化吸收和创新，更难以将所学习的知识、技能有效地迁移到复杂现实生活中。因此需要转变传统的教学观念，将复杂学习和整体性教学设计思想融入智能电器课程教学中，基于4C/ID教学模式进行教学的改革，需要针对智能电器课程教的复杂学习任务设计合适的教学策略，遵循从简单到复杂、从局部到总体系统的规律，尽量避免脱离情境的知识的学习，让学生认识到知识的复杂性，并且要有运用整体性思维处理复杂实际问题的能力。

二、4C/ID简介

4C/ID模式（Four Component Instructional Design Model）即四要素教学设计模式［2］，是由荷兰的Jeroen J.G.van Merriënboer教授提出的，目前最具代表性的、最具竞争力的复杂学习教学设计模式。复杂学习是学习者将知识、技能、态度等融合成一个有意义的整体，并协调运用各种复杂认知技能，针对面向工作实际的学习任务所进行的一种学习方式［3］。其优势在于能促使学生有能力将所学的知识应用到实际工作中，提高解决实际问题的能力。4C/ID模型利用四个相互关联的总体性组成部分（学习任务、支持性信息、程序性信息、部分任务练习）来设计复杂的学习环境，专门用于培养复杂认知技能［4-6］。

其中学习任务以整体任务的形式依照整体性、复杂性、真实性的要求从易到难的任务层级呈现给学生，分为非重复性任务和重复性任务［6-8］。重复性技能是不随整体任务难易情况而变化的技能，指在学习任务和迁移任务之间相同的技能。非重复性技能是随整体任务难易情形而变化的技能，指在学习任务和迁移任务之间不同的技能［6，7］，是“整体大于部分之和”的那部分能力，是4C/ID模型区别与传统教学模式的地方。程序性信息是为了支持重复性技能而提供的一些操作规则和方式，一般不需要理解、只需要记忆［8］。支持性信息是为了使学生学习和完成非重复性技能而提供帮助的信息，可看作是为学生已有知识和将学知识搭起的一座桥梁［9］。部分任务练习是为了使那些重复性技能的学习任务能够达到自动化的程度而设计的附加练习［9］。4C/ID模式目的是训练学生掌握必要的预备知识和技能，以完成实际的完整任务，以此来提高和改进学生在专业领域的业绩表现。

*基金项目：广东省高等教育教学改革项目（编号：GDJG20142179）；广东省本科高校教学质量与教学改革工程立项建设项目；广东工业大学教学改革项目。

作者简介：王永华（1979-），博士，讲师，主要从事自动化、物联网的教学科研工作。

图1学习任务

三、基于4C/ID的《智能电器》课程教学设计

由于篇幅限制，在文章中依据4C/ID教学模式，进行了《智能电器》课程中《被测模拟量的信号分析与处理》一章的教学设计。在该课程教学中，坚持基于4C/ID的教学模式，对每个任务都进行四要素的教学设计，充分发挥其作用。

（一）设计学习任务

《被测模拟量的信号分析与处理》一章任务组由5项任务构成，又细分成10项子任务，如图1所示。这些内容为本章内容中学生应该掌握的知识技能。按照复杂学习任务的划分，这些任务中，任务1.1、2.1、3.1、4.1和5.1属于重复性技能，即应该知道和掌握的理论，1.2、2.2、3.2、4.2和5.2属于非重复性技能，属于依据整体任务难易情况变化而变化的技能，也是让学生建立起整体的思维能力，训练解决复杂问题能力，提高其知识迁移能力、知识综合能力、创造思维能力、综合实践应用能力、工程思维模式［8］。

（二）设计程序性信息（程序性知识是针对重复性技能的学习而设计）

任务1.1程序性信息：从信号角度对被测模拟量进行分类。

任务2.1程序性信息：数字滤波的原因和基本原理。

任务3.1程序性信息：非线性测量结果数字化处理的原因、存在的问题及主要解决方法。

任务4.1程序性信息：电压和电流的采样方法，电压、电流有效值、有功和无功功率及功率因数等的计算。

任务5.1程序性信息：了解硬件误差的原因，了解软件误差的4个方面：方法误差、采样不同步误差、数据误差和舍入误差。

（三）设计支持性信息

任务1.2支持性信息：采样速率对测量结果的影响分析；采样频率的选择；实例分析。

任务2.2支持性信息：常用数字滤波算法：一阶滞后滤波法、程序判断滤波法、平均滤波算法、中值滤波法；提供实例分析。

任务3.2支持性信息：掌握非线性测量结果的常见软件处理方法：直接计算法、查表法、插值法等；提供实例分析。

任务4.2支持性信息：熟悉短路保护、过载保护、瞬动保护和差动保护等基本保护算法；提供实例分析。

任务5.2支持性信息：熟悉常见提高计算结果精度的措施：减少截断误差的措施、减少采样不同步误差、减少短路电流非周期分量引起的保护误差。

（四）设计部分任务练习

在教师讲授完基础的知识之后，采取布置练习作业的方式，让学生进行相关知识的实践，以达到学习目标。

1.给出情景和参数，求解采样频率。

2.给出不同的模拟量信号，选用合适的数字滤波方法，画出算法流程图，上机实验。

3.设计具体案例，练习非线性测量结果的数字化处理方法。

4.设计具体案例，练习保护算法的实现。

四、结束语

《智能电器》课程旨在引导学生接近现代电气工程硬件的前沿，熟悉已有的智能电器产品，掌握电器智能化的基本理论和技术，涉及到电器学基本知识、信号处理技术、检测技术、控制系统、网络与通信、可靠性与电磁兼容等知识，是一门跨学科、理论结合实际的课程。在该课程教学过程中采用了4C/ID教学模式，增强了学生的学习兴趣，培养了学生自主学习的能力，有助于学生以整体的思维模式把独立的知识整合起来，提高了知识的综合运用能力和知识迁移能力，并能将理论知识用于实践，能够解决智能电器相关的实际复杂工程问题。

［1］宋政湘，张国钢.电器智能化原理及应用［M］.北京：电子工业出版社，2013，5.

［2］Jeroen J.G.van Merriënboer，Richard E.Clark，Marcel B. M.de Croock.Blueprints for complex learning：The 4C/ID-mode l［C］//Educational Technology，Research and Development，2002：39-61.

［3］吴向文.面向复杂学习的整体性教学设计模式探析［D］.湖南大学，2010.

［4］禹柳飞.CDIO模式下的《自动控制原理》教学改革实践［J］.教育教学论坛，2014（9）：37-38.

［5］陆冰.基于4C/ID模型的《数字电子技术》课程教学设计研究［J］.课程教育研究，2013（4）：243-245.

［6］李新房，李静，邱婧玲.4C/ID模式在教育技术学专业课程教学中的应用研究——以《Photoshop CS4》课程为例［J］.福建电脑，2015（1）：46-47.

［7］钟志荣.关于专业课程复杂学习的整体性教学设计与实施——以《现代教学媒体》课程为例［J］.广东技术师范学院学报：社会科学版，2011，32（5）：129-132.

［8］曲延华，程立英，张玉梅.基于4C/ID模式的《模拟电子技术》课程教学设计研究［J］.沈阳师范大学学报：自然科学版，2014，32 （2）：296-299.

［9］任爱珍.面向复杂学习的整体性教学设计研究［D］.西北大学，2014.

The course of"Intelligent Electrical Apparatus"has the characteristics of the combination of multi subject knowledge，theory and practice.It is difficult for the students to integrate and apply the scattered knowledge effectively by using the traditional learning methods.Therefore，this paper attempts to introduce the 4C/ID teaching model for complex learning into the teaching of"Intelligent Electrical Apparatus."The learning tasks of" Intelligent Electrical Apparatus"was decomposed，and the procedural information，support information and corresponding task practices were analyzed.The teaching mode of"Intelligent Electrical Apparatus"based on 4C/ID is conducive to the improvement of students'practical ability，knowledge transfer ability and the ability to deal with complex problems by using holistic thinking.

4C/ID；intelligent electrical apparatus；instructional design

2096-000X（2016）16-0107-02

G642

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