PBL在“基本电路理论”课程教学中的实践与探索

田社平， 张 峰

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院， 上海 200240)

PBL在“基本电路理论”课程教学中的实践与探索

田社平， 张 峰

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院， 上海 200240)

本文讨论了PBL在“基本电路理论”课程教学中的实践和应用结果。实践表明，电路PBL教学不仅加强了学生掌握知识点的教学效果，而且也提高了学生的综合素质。在电路PBL教学中，授课教师对电路PBL教学方法的把握和理解、如何将电路PBL教学有机地融入现有教学模式之中、电路PBL教学中问题和选题的收集与挖掘等问题的有效解决对电路PBL教学的效果具有决定性的意义。

基于问题的学习；教学；电路理论

0 引言

基于问题的学习PBL(problem-based learning)是一种教育策略，该策略是指在引导学生学习的过程中，积极组织学生主动参与并自己寻找问题答案的教学模式[1,2]。PBL把学习设置于复杂的、有意义的问题情境中，通过让学生以小组合作的形式共同解决复杂的、实际的或具有一定真实性的问题，来学习隐含于问题背后的科学知识，锻炼解决问题的能力，并发展自主学习和终生学习的能力。通过引导学生解决复杂的、实际生活中的问题，旨在使学习者建构起宽广而灵活的知识基础、发展有效的问题解决技能、发展自主学习和终生学习的技能，成为有效的合作者并培养学习的内部动机。

我校“基本电路理论”课程主要采用“大班授课、课堂讲解”的教学形式，这种教学形式尽管为该门课程的教学发挥了其应有的作用，但它不利于学生工程素质和综合能力的培养。为此，本文探讨将PBL教学融入到“基本电路理论”课程中的具体方法及应用效果。

1 PBL与电路理论教学

近二十年来，电路技术的应用领域迅速扩展，从分立到集成，构成实际电路的基本元件及其特征都发生了根本性变化，电路课程的教学也应适应这种变化。电路课程教学的目的不仅仅是让学生了解学科和产业发展的前沿，更重要的是培养学生的工程素质，为把学生培养成工程技术领域的卓越人才奠定良好的基础。

PBL的教学首先应用于医学教育，但其适应和普及早已超越医学教育的范畴，而延伸到工程学、心理学、教育学、经济学、管理学、法学以及理科等多个传统学科领域。PBL也被引入到“电路理论”或“电路分析”课程教学之中。芬兰赫尔辛基工业大学从1999年开始在“基础电路分析”课程中采用PBL教学[3]，并对PBL教学和传统教学的效果进行了系统的比较研究。文献[4]介绍了爱尔兰梅努斯大学在电子工程专业教学中开展基于项目问题的教学情况。该校在10学分的“Electronic Circuits Project”课程中实施PBL教学，17名学生被分为三组，分别完成“圣诞装饰电路”、“道路交通灯”、“锡罐胡同(Tin Can Alley)射击游戏”的项目设计。针对学生的调查表明，学生认为PBL提高了他们的团队协作、领导、沟通、研究、时间管理、项目管理等方面的能力。针对教师的调查表明，作为PBL的促进者，教师发现他们有愉快的教学体验，感到学生在PBL中具有显著的学习积极性。

国内亦有多所大学在电路理论教学中引入PBL方法。天津商业大学“电路”课程组在国内率先将PBL成功地应用于电路课程教学中，并在2006级连续开展两届24个教学班的PBL教学[5]。针对PBL教学中“出题、指导、答辩、评价”等教学环节进行了较为深入地探索、研究与实践，取得了良好的成果。文献[6]以暂态分析和拉普拉斯变换的应用项目为例介绍了PBL在“电路”课程教学中的应用。该项目由四个问题联系而成为一个更一般的问题。所设置的问题具有一定程度的真实性、相关性、复杂性、开放性和劣构性，并且以课程为基础，适用于不同的学习风格。江苏科技大学在“电路”课程中运用“PBL+LBL(以讲授为基础的学习)双轨教学模式”，突出基本理论与实际运用的结合，强化知识传授与能力培养的有机融合[7]。文献[8]对连接调压器的电源保险丝在电源闭合的瞬间出现不规律的熔断问题，结合动态电路知识给出了理论解答，提供了动态电路在PBL学习模式中的一个实例。

上述已实现的案例对PBL的应用提供了有益的借鉴。

2 电路PBL的教学过程设计

我校于2105-2016学年第一学期开展了PBL在“基本电路理论”课程教学中的应用研究。教学对象为“基本电路理论”(EI203)课程的自然班，它是我院开设“基本电路理论”平台课7个班级之一。该班级的学生均来自我院各专业，共有学生88名(含3位高年级重修生)，其中男生74名，女生14名。

在教学内容安排上，采用传统课堂讲授与基于电路问题的学习(CPBL)教学相结合的方式授课，教学内容、教学进度安排与历届相同。教师在第一次授课时向学生宣布本课程授课将安排CPBL的教学，并征求学生同意。

为了有效开展CPBL教学，在绪论课中教师用15分钟左右的时间介绍PBL的含义与特点，并提供20个电路问题供学生开展CPBL时进行选择(见表1)，同时将相关电子资料通过email发送给学生。88名学生分为12组，每组选出一名组长，组员为5～7名。具体实施流程如图1所示。具体实施步骤按照PBL的问题解决七步法实施[1]。

表1 CPBL教学的电路问题

3 CPBL教学中的问题举例

PBL小组的所有选题均以问题的形式展现。下面以“自激振荡电路：原理、仿真，如何消除？”为例，说明问题的描述形式以及CPBL教学过程与结果。

图1 CPBL实施流程

问题描述：采用电路仿真软件Multisim对如图2所示电路进行仿真，仿真参数见表2，观察到的波形如图3所示。试就下述问题开展研究：① 复现表2的结果并演示。② 如何解释这一结果？③ 如何避免自激振荡现象？

表2 反馈网络电阻取值及仿真结果

图2 自激振荡电路

教学过程与结果：进行该问题讨论的小组有7位学生，其讨论进程分为：① 使用Multisim重现实验现象；② 提出问题：什么是自激振荡？产生自激振荡的条件是什么？③ 通过电路分析回答提出的问题；④ 总结与答辩。

(a) 仿真结果1 (b) 仿真结果2 (c) 仿真结果3图3 仿真结果

通过一学期的讨论、探究，最后的收获包括：① 理解并掌握了自激振荡的知识点，如自激振荡条件、消除方法；② 由于讨论问题的需要，学生较好地掌握了Multisim仿真软件和Matlab编程软件的使用方法；③ 提高了学生的综合素质，包括自主学习能力、收集信息资料的能力、团队协作能力、书面交流(写作)能力、口头报告(演讲)能力、利用理论解决实际问题的能力、从事科学或工程研究的能力和组织领导能力等。

该组针对问题所给出的结论为：自激振荡是电路设计过程中经常出现的一类问题，通常会造成电路无法正常工作。我们从自激振荡产生的两个条件出发对电路的arg(AF)和|AF|进行验证，对自激振荡产生条件有了深入的认识。增大Rf减小反馈系数和并联电容减小arg(AF)都可以消除自激振荡，通过查阅资料我们还发现消除自激振荡的方法还有电容校正 (主极点校正)法、RC校正(极点-零点校正)法、反馈电容校正法等。

4 反思与讨论

CPBL教学是一种基于PBL理论的教学模式，它不同于课程大作业、一般的小组活动等教学形式。由于CPBL中的问题涉及课程各方面的内容，因此实施CPBL教学的时间持续整个学期。所选择的问题应当尽可能适合CPBL教学，且不与课堂教学内容重复。原则上，小组在课堂讲授问题所涉及的知识点后即开始问题的讨论，因此每组讨论问题的进度是不相同的。有些小组通过提前自学后即开始基于问题的学习，亦取得较好的效果。

CPBL教学在实施过程中也存在一些困难和挑战。例如授课教师对CPBL教学方法的把握和理解；如何将CPBL教学有机地融入现有教学模式之中；CPBL教学中问题的收集与挖掘等。这些问题的有效解决对CPBL教学的效果具有决定性的意义。

1)教师对CPBL的把握和理解

首先，在整个CPBL教学过程中，教师是一个促进者，而不是传统意义上的传道、授业、解惑者，教师必须参与各小组的协商，激励并监督讨论和项目工作，但不进行控制。其次，教师是一个指导者，而不是答案提供者。在CPBL活动过程中，问题是核心，如果教师提供了答案，那意味着整个CPBL教学活动失去了核心。但是，教师在学生需要的时候，必须通过模仿、调解、解释、改变关注方向、提供不同选择以帮助学生构建自己的主见。再次，所有CPBL活动中涉及的问题都有一定深度和广度，而且问题是在学习过程中出现的，有些问题甚至超出教师的知识和能力范围，也就要求教师将自己也看作一名学习者，要有探索自己专业之外的领域知识的能力和勇气。最后，必要时教师还必须与其他教师合作、请教并在专业方面进行交流。这些都对授课教师提出了很高的要求，教师应具备扎实的学科功底和较强的学习能力。

2)CPBL与现有教学模式的融合

CPBL教学迥异于现有教学模式，甚至是对传统教学模式的颠覆，它改变了那种教师在讲台上讲，学生在座位上听的被动学习模式，将学习的自主权完全交给学生。基于“基本电路理论”课程的教学实际，不可能在本课程完全采用CPBL教学模式，为了达到较好的教学效果，必须将CPBL教学有机融合到现有教学模式中。同时，在CPBL中，学生要花数倍于传统学习方式的时间，相应地，教师也要投入数倍于传统讲授的时间和精力。为了参与小组的讨论，在教学中专门安排两个周末共18小时(45分钟×12组×2次)来完成讨论，而在平时，教师也要随时响应学生的咨询、提问。这都对现有教学模式提出了挑战。如何改进现有教学方式，提高效率，增加教学投入，是一个值得研究的问题。

3)CPBL中问题的收集与挖掘

对好的问题进行研究和学习就会得到好的学习效果。因此，CPBL教学中问题的收集与挖掘是本研究中特别予以重视的问题。由于资料的相对匮乏，教师除了收集已有的CPBL教学素材，还花费大量时间收集电路实例，通过改造，挖掘出其中的问题因素，并以适合于教学的形式予以呈现。

从实践结果看，在电路理论课程中开展CPBL教学是完全可行的。CPBL教学有利于提高教学效果，激发学生的学习积极性，同时也有利于培养学生的综合素质。将来的工作包括如何设计针对CPBL教学的考核模式，以适应CPBL教学。

[1] 杜翔云，安奈特·科莫斯，钟秉林. 基于问题的学习：理论与实践[M]. 杜翔云，等，译. 北京：高等教育出版社，2013.

[2] SCHMIDT H G. Problem-based learning: Rationale and description[J]. West Virginia：Med. Educ., 1983, 17: 11-16.

[3] Costa L R J, Honkala M, Lehtovuori A. Applying the Problem-Based Learning Approach to Teach Elementary Circuit Analysis[J]. IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION, 2007, 50(1): 41-48.

[4] MCLOONE S, LAWLOR B, MEEHAN A. On Project Oriented Problem Based Learning (POPBL) for a First Year Engineering Circuits Project[R]. ISSC 2014 / CIICT 2014, Limerick, 2014.

[5] 姚素芬，滕建辅，李海丰，等. “PBL”在“电路”课程实践教学中的探索与实践[J]. 兰州：高等理科教育，2009，4：103-104.

[6] 陈洁，李长凯，王红琳. PBL在电路课程教学中的应用[J]. 北京：中国电力教育，2008，110：58-60.

[7] 王敏，暴琳，王欣. PBL和LBL双轨教学模式在电路课程教学中的研究与探索[J]. 北京：中国电力教育，2014，330：92-93.

[8] 应柏青，赵彦珍，沈瑶. 动态电路在PBL学习模式中的一个实例[J]. 西安：高校实验室工作研究，2014，4: 13-14.

Practice and Exploration of PBL in Teaching Basic Circuit Theory Course

TIAN She-ping, ZHANG Feng

(SchoolofElectronicsandElectricEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200040，China)

This paper has discussed the PBL application on teaching of Basic Circuit Theory course. The practice shows that the circuit PBL(CPBL) teaching not only strengthens students′ mastering the knowledge of circuit theory, but also improves the overall quality of students. In CPBL teaching, grasping and understanding CPBL teaching methods, integrateing CPBL into the existing teaching mode effectively and collecting and providing good circuit problems possess decisive importance for the effect of CPBL teaching.

problem-based learning; teaching; circuit theory

2016-03-30;

2016-07- 18

上海交通大学教学发展中心基金项目“基于工程问题学习的基本电路理论教学实践与研究”(CTLD15A001)

田社平(1967- )，男，博士，副教授，主要从事电路理论和动态测试技术等的教学和科研工作。E-mail: sptian@sjtu.edu.cn

TM13

A

1008-0686(2017)01-0088-04