构建知识树共享的电工与电子微实验教学平台

谭爱国，顾秋洁，阳玉平

（上海理工大学 公共实验中心，上海 200093）

构建知识树共享的电工与电子微实验教学平台

谭爱国，顾秋洁，阳玉平

（上海理工大学 公共实验中心，上海 200093）

针对电工与电子实践课程的特点及其网络教学资源存在的问题, 提出了为该课程构建一个具有分层架构, 带知识导航机制的知识树, 通过微实验教学平台进行知识点传授, 激发学生自主创新意识, 充分发挥网络教学资源的共享性和有效性。

知识树；分层架构；微实验；资源共享

0 引言

教育领域是知识传播和创新的主要集散地 ,教育理念和教育手段随着时代的发展在不断地更新。在信息技术快速发展的今天, “互联网+”教育模式已悄然走进我们的课堂, 通过促进互联网与课堂教学深度融合变革传统教学模式, 创造了新的教育生态。目前, 除了传统的课程网站, 微课、MOOC、翻转课堂、创客运动是“互联网+”教育的几大表现形式[1,2]。随着实践教学地位的不断加强, “互联网+”教学模式也开始走进我们的实践课堂, 各大高校教师在多样的“互联网+”教学模式中都在搭建自己的实践教学资源, 教学表现形式各有特色, 对常规教学模式起到很好的促进作用。

但是, 在一些基础类实验教学资源中, 不同高校之间、同一高校不同专业之间、不同任课教师之间存在对同一知识要素重复建设的现象, 网络资源的共享性发挥不够；同一课程体系资源缺乏系统性,知识架构不明显, 缺少知识引导功能, 导致资源受用率不高。如何才能使学生在网络学习的过程中实现自主性 ,最大限度的发挥“互联网+”教育资源的网络共享性[3,4], 网络学习平台需要对课程资源进行系统规划, 通过向学生推送知识引导, 辅助学生更有效的学习 ,激发学生自主创新意识, 真正培养学生的学习能力与创新能力。针对上述问题, 结合高校电工与电子实践课程特点, 文中提出了构建基于知识树共享的微实验网路实践教学平台[5-8], 讨论了其具体实施方法及平台的效果与特色。

1 电工与电子实践课程特点及其“互联网+”教学资源分析

电工与电子实践课程是各工科院校支撑面最为广泛的基础实践课程, 课程应用广泛、实用性很强,课程涉及的各种新器件、新技术及实验平台发展迅速, 对学生后续专业课程的学习、工程实践以及创新能力的培养起着至关重要的作用。为该类课程提供一个具有分层架构、知识点描述通用的微实验共享的实践教学平台, 引导学生自主学习, 充分发挥此类课程网络教学资源的功能, 提高网络教学资源的受用率, 为后续专业课程的学习打下良好的基础,才能真正将“互联网+”教学模式的优势发挥出来。

高校电工电子实践课程包含了“电路实验”、“电工技术实验”“电子技术实验”“模拟电子技术实验”、“数字电子技术实验”、“电工与电子技术综合实验”等课程。系列课程之间教学内容存在延续关系, 相近门类课程之间的教学内容交集面广。面向不同专业, 同一课程名称下又包含几种不同的课程大纲,其教学内容, 教学目标存在差异, 但也存在知识点重合的地方。不同专业的学生, 同一专业不同层次的学生对实践知识的需求也各不相同。

目前, 电工电子实践课程网络教学资源包含精品课程、课程网站、微课、MOOC、开放式实验项目等。不同“互联网+”教学模式下的教学资源有重合与互通部分, 系列课程之间, 相近门类课程之间,相同课程名称不同大纲课程之间, 不同专业之间、不同任课教师之间存在对同一知识要素重复建设的现象, 网络资源的共享性发挥不够。其次, 系列课程网络资源比较松散, 缺乏系统性的整合, 大部分是教学内容的搬家, 或是传统教学课堂的重现, 学生往往还是机械地跟着教师按部就班的学习或查漏补缺的学习, 学生学习的自主性和灵活性不够, 网络教学资源缺乏对学生自主学习引导, 不利于激发学生自主创新意识, 导致网络资源受用率不高。另外,分析电工电子实践课程网络资源的内容配比情况发现, 通识、基础和应用实验板块存在许多重复建设资源, 而综合应用与创新实验板块资源相对比较匮乏, 课程知识架构缺乏系统性, 导致建设资源分配不合理, 无法实现资源大范围的共享。

2 电工与电子实践课程知识树构建方法

知识树是用树的形式来描述整个学科的结构和知识点的内在联系, 知识树可以把知识点结集成知识体系。知识树构建的重要任务就是知识点的定义与划分、知识点的结集[9-10]。

我们在进行知识树的构建过程中, 首先对兄弟院校电工与电子系列实践课程的教学大纲、所开实验项目内容、实验项目的实施方式等进行了调研,了解电工与电子系列实践课程包含的知识点有哪些、知识点之间的共性与联系、知识点的实践传播方式。通过对课程的系统分析, 我们打破了以单一课程为建设对象的传统观点, 将电工电子系列实践课程作为一个完整的知识体系进行研究, 分析知识点的通用性、交互性, 结合学校学科和专业特点, 提炼出一系列的具有通用性, 符合微实验建设特点的单一知识点和复合知识点。

在知识点结集成知识体系过程中, 知识树的纵向结构, 我们引入分层架构的思想, 满足学生对实践知识点的层次化需求, 提供灵活的实践学习选择[11]。在纵向结构中, 我们构建的知识树包含以下六个层次性结构单元：电工电子实践工程中常用工具；基础知识实验；基本应用实验；常用功能性设计实验；综合设计实验；系统创新实验。知识树横向结构, 依据知识点围绕结构性知识单元阐述的角度与范畴来确定知识点之间是平行关系还是依赖关系, 将知识点的学习顺序, 知识点的内在关联表现出来。下面介绍一下我们所构建的知识树的基本框架：

（1）电工电子实践工程中常用工具单元, 包含的知识点有：常用设备与仪器的使用、常用电子元器件的识别、常用焊接工具、辅助工具以及焊接技术、电类仿真软件的使用、可编程软件的使用、电类虚拟实验平台的使用、电子产品的设计工具、电子产品开发软件、电子产品的设计流程；（2）基础知识实验单元, 包含的知识点有：基本概念实验、基本定理实验。如：电位与电压的测试实验、等效参数测试实验, 串联谐振电路实验、叠加原理和戴维南定理实验等等；（3）基本应用实验单元, 包含的知识点有：三相电路实验、电机控制实验、放大电路实验、组合逻辑电路实验、时序逻辑实验等等；（4）常用功能性设计实验单元, 包含的知识点有：波形发生器电路设计、信号变换电路设计、电源设计、红外遥控电路设计等等；（5）综合设计实验单元, 包含的知识点有：模块式直流电机运动控制系统设计、温度检测与控制电路设计等等；（6）系统创新实验单元, 包含的知识点有：结合专业特色和技术前沿设计的系统综合型实验, 如多传感器室内物联网实验等等。在知识树中我们还提供很多关联知识点, 扩大学生的知识面, 更好的帮助学生掌握该课程体系。对于复合知识点的构建除了依据知识本身属性, 还考虑了该类课程对专业的支撑, 设计了电子电气类、医疗器械类、机械类等的功能电路,复合知识点依据专业特色提供具有导航功能的, 可配置的实践实现方案, 对学生实践学习进行引导。

3 电工与电子微实验教学平台的实现

常规实验课堂教学, 教材、课件、讲授互动、实验指导、实验现象和故障分析、课程测试评估等是保障教学质量的关键环节, 对于网络实验学习平台, 要实现所有学习环节是不现实。在系统性分析电工与电子实践课程体系的基础上, 结合学校专业特色, 先构建电工与电子实践课程知识树可视化结构, 知识树上每一个单一知识点实验项目对应一个微实验视频学习资源[12], 复合知识点实验项目包含多个微实验视频资源, 并辅助有引导链接视频资源。对知识树中所有实验项目标注有知识点的学习顺序与关联知识。微实验视频教学资源的内容重在实验操作、实验功能实现、实验过程分析与调试, 微视频中的实验方式包含现实实验、仿真实验、虚拟实验[13-14]。在平台的构建过程中, 我们还考虑了避免资源的重复构建以及平台的可扩展性, 充分提升网络学习平台的共享性与资源配置的灵活性。

微实验教学模式, 教学目标明确, 每一个微实验都针对一个特定的问题, 视频的长度控制在学生注意力能比较集中的时间范围内, 符合学生身心发展特征, 同时通过网络发布的视频便于学生一段时间学习之后的复习和巩固[15-16]。通过基于知识树的微实验网络教学平台, 学生从总体上了解电工与电子实践课程知识结构, 依据自己的专业和兴趣进行有选择的学习一个层次, 一个类别或某个具体电路功能的实现的学习模式, 避免学习的盲目性和被动性, 提高学习的自主性, 进而培养学生自学能力。

4 构建知识树共享的电工与电子微实验教学平台的作用

（1）优化网络教学资源, 体现教学的系统性

为电工与电子实践课程构建基于知识树的微实验网络实践教学平台, 可以解决目前高校电类基础实验“互联网+”教学资源松散, 资源建设重复等现象, 优化网络教学资源, 提高资源的受用率与资源的有效性, 从校内资源共享逐步发展到校间的共享,让更多的教师和学生收益。以“电工与电子实践系列课程”为研究对象, 建立知识体系, 寻找知识之间的联系, 按照知识规律, 打破常规, 引导学生从总体上了解知识结构, 然后进行分层学习, 最后在认识部分的基础上再把握整体的学习方法, 体现了教学的系统性, 有利于学生掌握知识规律, 有目标的学习, 培养学生自学能力。

（2）通过知识引导, 倡导学生的个性发展, 激发学生主观能动性

基于知识树的微实验网络实践教学平台中知识内容具有分层架构和导航机制, 在知识树复合知识点的学习资料中, 还结合了学生专业特色, 提供了通用的, 灵活配置的实践问题解决方案, 充分调动了学生做实验的兴趣和主观能动性, 使学生的个性得到很好的发挥。采用系统知识引导的方式, 学生不再是为了实验而实验, 实验目标明确, 不再机械地依赖实验教师指导, 学生的动手能力、思考能力、创新能力都得到了很好的锻炼。

（3）扩大教学内容, 丰富实验手段

基于知识树的微实验网络实践教学平台通过微实验教学模式对理论与实践课程进行延伸, 微视频中的实验方式包含现实实验、仿真实验、虚拟实验等, 解决了目前高校存在的实验学时, 实验场地、实验设备等有限等问题, 实现实验方式的灵活性, 实验手段的多元化。通过该平台的使用可以改革传统的统一授课模式, 实验内容更丰富, 多方面的深化理论课堂的学习, 优化教学效果。

5 结语

知识树可以将知识系统化, 结构化, 知识点通过微实验视频教学, 教学目标明确, 学生的学习效率高。通过构建基于知识树的微实验网络实践教学平台, 将跨课程, 跨专业的电工与电子系列实践课程知识整合起来, 理清电工与电子实践课程知识点之间的逻辑关系, 通过总体和局部目标引导的方法,让学生有目标的学习, 培养学生自学能力和学习兴趣。

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Construction of Micro-experiment Sharing Teaching Platform Based Knowledge Tree for Electrical and Electronic Practice Course

TAN Ai-guo, GU Qiu-jie, YANG Yu-ping
(Public Experiment Center, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China)

Aiming at the characteristics of electrical and electronic practice course and the problems existing in the network teaching resources of it, a knowledge tree with layered architecture and guiding function is presented,the knowledge was passed on to students through micro-experiment teaching platform, to stimulate students' consciousness of independent innovation and to give full play to the sharing and effectiveness of network teaching resources.

Knowledge tree; Layered architecture; Micro-experiment; Resource sharing

G642.0

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.061

本文著录格式：谭爱国, 顾秋洁, 阳玉平. 构建知识树共享的电工与电子微实验教学平台[J]. 软件, 2017, 38（12）：305-308

2017年上海理工大学教师教学发展研究重点项目(CFTD17018Z)

谭爱国(1976-)，女，湖南湘潭人，硕士，高级实验师，主要研究方向为工业网络通信技术及电工与电子技术实验教学。顾秋洁(1980-)，女，上海人，硕士，实验师，主要研究方向为信号与信息处理。阳玉平(1976-)，女，湖南衡阳人，硕士，高级工程师，主要研究方向为控制理论与控制工程。