MOOC背景下工程应用案例的教学设计<br/>——以电工电子技术课程为例

MOOC背景下工程应用案例的教学设计
——以电工电子技术课程为例

2018-05-21常翠芝

实验室研究与探索 2018年4期

常翠芝, 罗明, 蔡超

(武汉工程大学 a. 电气信息学院; b. 教务处，武汉 430205)

0 引言

近几来,大规模开放式在线课程(Massive open online courses,MOOC)的迅猛发展,让人们看到了信息技术与高等教育深度融合的端倪,MOOC的大规模应用创造了一个全新的、公平的教育模式,为学生提供了一种新型的知识获取渠道和学习模式,同时也迫使大学对传统教学模式进行深刻反思[1-2]。

传统教学模式以教师为中心,教师是知识的传授者,学生是知识的接受者,整个教学活动教师是主导者,学生只是被动的接受知识。但是在MOOC模式下,学生成了学习的主人，可以在家里或者寝室利用网络课堂学习,学习资源空前丰富,学习的自由度大增。

尽管MOOC有传统课堂不可比拟的优势，但是业界对MOOC的评价以及对其发展前景并不乐观，焦点主要集中于在线课程学习模式缺乏生动的课堂效果与积极的面对面教学互动,导致学生学习兴趣难以维持、教学效果并不理想等问题[3]。据统计，虽然一门MOOC课程会吸引成千上万的参与者，但MOOC课程的平均完成率只有5%～10%[4]。对MOOC课堂归结有如下弊端：① 无法实现流畅的师生交流；② 无法实现实验或共建项目；③ MOOC学员对课程的内化程度参差不齐，有时枯燥的理论学习很难让学生坚持下来。这使教育质量问题成为MOOC最严峻的考验[5]。因此，教学法的新变革，教学方式/学习方式正在由MOOC的完全自主在线学习向混合学习、翻转课堂、协作学习转变，以往传统的课堂作为翻转课堂(Flipped Class)，成为老师和学生互动的场所，包括课程指导，讨论/答疑解惑，实验实习指导/项目咨询等。杨丹等[6]人指出，在线教育具有人性化、重复性、互动性的特征，混合式学习和翻转课堂是在线教育的未来趋势。在这种模式下，学生自主地借助庞大的MOOC资源来学习,老师不再是教学的主体，而是类似于提供服务的“服务员”的角色，以互联网为依托，向学生展示文字、动画动态、流媒体等不同形式的课程指导。

虽然教学形式有了重大改进，综合了传统教学和MOOC教学各自的优势，但是在教学内容上如不加以适当的引导和设计，学生也会对浩如烟海的学习资料感到疲倦，思维仍然停留在解题的阶段。尤其对于工科的学生，工程思维得不到训练，对课程的兴趣和学习积极性仍然难以持续，达不到理想的教学效果。那么如何利用这些优势在教学内容上做更好的改进，让学生对所学学科的运用有更多的了解，理解理论与运用之间逻辑联系，体会其中的思维过程，并能够从中得到启发，而不仅仅局限于提高应试成绩，真正做到提高教学效率?针对此问题，本文以电工电子技术课程为例，提出了在MOOC背景下应用工程案例教学设计，此设计体现了理论与实践学习的自然过渡过程。

1 工程案例的教学设计

电工电子技术是高校非电类理工科学生必修的一门实践性很强的技术基础课，对培养学生应用分析能力、知识融合能力以及实践创新能力具有极其重要的作用[7-9]。但因其内容覆盖面广、理论性强且相对抽象，工程应用广泛，对于非电类的学生而言学习难度大，并且分配的学时与内容不匹配，导致了传统的教学只能局限于理论，学生课堂学习缺乏主动性和积极性，普遍感觉内容枯燥难懂，教学效果不佳[10]。学生对于所学知识的应用背景知之甚少，严重缺乏工程应用思维，视界狭窄,对跨专业跨学科的项目更是鲜少听闻，碰到实际工程问题无从下手，同时也反过来影响学生对理论的理解和学习兴趣，学习也只是应付考试，显然这种教学现状不符合新时代的教育要求。

案例教学法是一种以案例为基础的教学方法[11-13],其起源于上世纪20年代,由美国哈佛大学商学院所倡导,其方法是采取独特的案例形式进行课堂教学,这些案例都是来自于商业管理的真实情境或事件。此种教学方式有助于引导学生主动参与课堂讨论,领会案例涉及领域业务实践中的重要思想、基本技能及内在原理[14]。工程案例教学法[15-16],则是在具有较强工程背景的课程教学中,引入工程实际案例,供教师与学生进行分析和讨论,旨在培养学生的工程观念,提高学生的综合能力和解决实际问题的能力,进而达到激励学生主动参与教学活动、提高教学效果的目的。以理论为主线，以工程应用案例为载体，设计如图1所示的翻转课堂教学环节。

图1 基于应用案例的教学设计

1.1 应用案例的选取

作为工程类课程，每个知识点的应用案例有很多，但是选取适宜教学的案例尤为重要。以应用案例作切入点，导出知识点，既要兼顾案例，又不能脱离理论，理论的学习促使学生对应用的进一步的思考，故对案例的选取应注意以下原则：

(1) 要注意和课程知识点的高度关联性。脱离知识点的案例很难让学生建立理论与应用的逻辑联系。

(2) 注意学时分配合理。既有对案例的分析介绍，又要有对知识点的解析，合理分配学时。

(3) 兼顾授课对象的基础和接受能力。超出学生理解能力的案例会让学生望而生畏，影响学生的学习积极性。

(4) 具有较强的连贯性和综合性。综合性应用案例有助于学生思维模式的培养，让学生将一个个看起来孤立的知识点串起来，培养学生的综合应用和解决实际问题的能力。

例如针对电工电子技术这门课程，选取的部分应用案例与部分知识点对应如表1所示。

表1 各章部分理论模块对应的应用案例模块

1.2 案例教学的实施方法

在教学过程中，针对不同的知识点及其应用案例的特点，可按以下方法实施案例教学。

(1) 导入式案例法。在讲到某个概念或者定义时，自然引入其引用，比如讲到功率符号的物理意义，即可引入其应用在电动机的四象限运行的状态判断。

(2) 比较案例法。比较案例法是利用相似功能或者条件，实现的元件或者方案不同，却具有不同的性能。例如讲到不同器件的性质时，可以利用其应用电路看出它们之间的差别，比如普通二极管的整流电路与晶闸管的相控整流，以及高频整流之区别，很好地理解和记住了这些元件的不同性质。又如由三相异步电动机的电磁公式，结合磁性材料的磁化曲线，推导出电动机的恒转矩和恒功率的控制方法，比较两者的区别，引出不同的应用场合。

(3) 问题案例法。所谓问题案例法，即在授课过程中针对某一知识点在讲授知识内容前，先列举出工程中存在的实际问题，分析该问题产生的原因及解决该问题的方法，再引出本知识点的内容[7]，例如电动机电路中功率因数偏低，带来的损耗问题及效率问题如何解决？引出提高功率因数的原理这个知识点。

(4) 综合案例法。电工电子技术是一门工程类课程，应用极广，在很多工程应用中都综合了强电/弱电，数模电处理电路，软硬件电路等，综合案例法就可以通过一个综合了多个知识点的应用案例，把课程知识点串联起来。

例如图2中的基于DSP的三相SPWM变频电源控制系统,涵盖了电工和电子的多个知识点。既有强/弱电电路，又有模/数信号处理电路以及模数转换电路，是一个很好的综合应用案例。

图2 基于DSP的三相SPWM变频电源控制系统

对该案例根据章节知识点进行分解，在每一章节中对该案例所面临的不同理论问题和实际问题进行解析，实现章节之间理论知识的关联性以及与工程案例实际应用的统一性，并利用一些仿真软件进行验证，将理论教学与实践教学能够有机地结合起来，同时使学生能够理解理论知识体系的连贯性，对理论知识的工程应用形成深入的掌握。

2 案例教学的实践

案例教学与普通教学最大的区别在于以工程案例为载体，通过教师的引导，将学生处于真实问题的情境之中，并带着问题设身处地地思考，寻求问题的解决方法，进行探索式的学习，在获取专业理论知识的同时体验工程思维方法，培养分析、解决问题的能力和对理论知识的综合应用能力。

2.1 案例的实验与仿真

MOOC背景下，在翻转课堂上可以把更多的时间放在案例分析与实践上，通过实验或者仿真来验证理论，比单纯的理论教学更有说服力和吸引力。

例如，在正弦交流电路功率因数的提高案例中，利用日光灯、启辉器、电感镇流器及三相电源，设计一简单的日光灯照明系统，如图3所示，实验测得的数据如表2所示，由数据可知该照明系统的功率因数仅为0.45，与供电规则要求的0.9相差甚远。

前面学生已经在MOOC上学习了相关理论，比如电容电感的无功补偿等。

图3 日光灯照明电路

改进方案：并联电容。并联电容并不影响灯管的工作电压，电路如图4所示，根据现有的参数及公式，先计算出所需电容大小，然后根据实际情况选择功率因数最优解。实际测得的实验数据如表3所示。

图4 并联电容方案的电路

通过实验数据，可以很明显的看出并联电容后，功率因数提高的同时，端电压及有功功率几乎不变，但是线路电流和无功功率大大降低，这意味着线路损耗降低，电源的利用率提高。

作为对比，也可以并联电子镇流器来实现功率因数的提高，如图5所示。不难发现，除了端电压不变外，和电感镇流器电路相比，其线路电流也降低了许多,达到提高功率因数、降低线路损耗等目的，如表4所示。

图5 并联电子镇流器方案的电路

这里引入的电子镇流器，又可以引出一个案例应用：电子镇流器的结构及工作原理。它提高功率因数的原理与并联电容有什么区别？即使相关知识还没学，可是学生已经充满了好奇与期待。

当然，因为时间和成本的限制，对有些稍显复杂的案例不可能全部进行实验，但是可以选择一些仿真工具展现出来。

2.2 考核及效果分析

为了检验本教学方法的效果，与传统的教学方法做了对比试验。作者在自己的教学工作中，对同一学年所教的机械8个班做了教学试验：同一教师教学条件下，对8个班分2组教学，每组4个班，每组的人数大约均为120人，上下两学期分别为电工技术和电子技术2个阶段。试验安排表如表5所示。

表5 工程案例教学与传统教学对比试验安排

为了尽可能的减少统计误差，作者连续对2届机械专业的学生做了教学试验，考核内容分为3部分：理论部分，占50%，案例分析与设计占30%,实验操作占20%，两年的考核难度系数相当，同一年级同一学期考核内容完全一样，两年的考核成绩如表6所示。

表6 工程案例教学与传统教学考核结果对比 %

从表6可以看出，① 整体而言，本教学方法比传统的教学方法在三部分的平均成绩都得到了提高；② 两种教学方法下案例分析与设计的得分差别平均达到16.85%,是三部分考核内容中差别最大的。③ 第二年的教学差别比第一年更明显。分析可能是教学案例的内容更为完善，与学生接受能力的契合度提高了。④ 工程应用案例教学也促进了理论和实验成绩的提高，进一步说明案例教学有助于学生对理论的深度理解，提高了学生的动手实践能力。