面向工程思维培养的“电路”课程教学研究与探讨

谢捷如

(南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 211106)

我国于2016 年正式成为《华盛顿协议》的成员，全面参与该协议各项规则的制定，通过工程教育本科专业认证的本科毕业生，获得的学位将得到国际认可[1]。中国高等工程教育专业认证标准中凸显了工科学生在本科阶段培养工程思维能力的重要性[2]。

“电路”课程是电气工程与自动化、测控技术与仪器、自动化、信息技术等大类电气信息专业(甚至其他专业)的一门重要专业基础课或核心课。一般也是上述专业学生学习的第一门工科类课程[3]。“电路”课程所授内容对相关专业工程教育专业认证标准提出的最新版毕业要求起到了重要的支撑作用。“电路”课程教学侧重对学生工程思维能力的培养，这对学生学习能力和创新能力的提升具有十分重要的作用。

“电路”课程是一门理论性很强的课程，同时也是一门实践性很强的课程。但长期以来教学实践中更重视理论的完整性和系统性，而较少考虑它的实践性，以及如何为后续课程，特别是如何为工程实践服务[4]。为此，近年来许多教师进行了相关研讨和教学改革[5-7]。为培养本科生的工程思维，笔者在该课程教学中对教学策略、教学内容和方法等进行初步探索，取得了一些有益的成果。

1 工程思维

“电路”课程教学要求学生先修普通物理、高等数学、线性代数、复变函数，故学生具有了相关数理基础和数学、物理的思维方式[8]。与这些思维方式不同，工程思维是价值定向的思维，是与具体的“个别对象”联系在一起的“殊相”思维，其核心是解决工程问题，具有“特定性”。这些特性意味着问题的解决方案并不唯一，存在着多个不同的完成该任务的设计方案[9]；意味着面对工程问题，解决方案可能只有合适的，不存在最好的；意味着工程师要从影响工程问题的众多因素中，突出主要矛盾，忽略次要矛盾，工程中是允许误差存在的；意味着并不需要面面俱到，某些性能的改善很可能需要牺牲另一些性能[8]。由此可知，工程思维就是面对复杂的实际工程问题，在一定的条件下用最简单的方法来解决的思维[8]。

2 教学策略

教育心理学研究者认为，教学策略是教学设计的组成环节，对于教师而言，教学策略设计将使教学活动系统化，有助于提高教学效率。

教学策略包括组织策略、传输策略和管理策略3部分[10]。组织策略指如何组织一个教学，呈现什么特定内容以及这些内容该如何呈现。传输策略指要使用什么样的教学媒体以及如何分组学生。管理策略是指进度的安排和资源分配，以及按前设的传输和组织策略加以规划的教学的实施。这些策略可以从一个单元或整个课程(宏观)的角度加以规划，也可以从单节课(微观)的角度加以规划[10]。其实好的教师在实施教学活动的过程中自觉或不自觉地进行教学策略设计。单节课的组织一般包括导入、主体、结尾和评估环节。一般评估环节并不需要每堂课都设置，可以放到单元内容结束之后，甚至在学期末以期末考试形式进行。教育心理学者建议，一堂课应该包括引起学生注意、确定教学意图、回忆相关先行知识、加工信息、集中注意力、练习、评价性反馈、总结与复习、知识迁移等教学关键事件。这些事件可以从认知过程的角度，确定认知加工点，设计好学习策略，使认知的主导者是学生，以学生为中心[10]。

适合工程思维培养的教学策略可以选择采用问题解决的教学策略。实施问题解决的教学策略，要求学生需要具备陈述性知识、原理和认知策略等3类知识。对于“电路”课程而言，这3类知识储备是必须的。因此在这3类知识的教学策略设计中均需要考虑工程思维的培养。问题解决需要综合运用以前学习过的陈述性知识、原理和认知策略，以学科领域内的独特方式，来解决先前没有遇到过的问题[10]。图1给出了问题解决课的教学关键事件，这里将评估环节放到单元内容学习结束后进行。

图1 问题解决课的教学关键事件

3 教学内容和方法研究

3.1 导入阶段的教学

电路课程理论性强，很多学生在学习过程中会因感觉枯燥而失去学习兴趣。在一堂课的导入阶段的教学，引入应用背景，采用工程实例，展示电路分析和真实世界之间的联系，可以引起学生的注意，使他们明确教学的意图是什么，激发学生的好奇心和学习主动性，有利于学生对基本概念、相关理论和原理的理解和掌握。例如在讲解电阻电路时，先从学生熟悉的手机和平板电脑触摸屏开始，有的触摸屏是电阻式的，通常使用两个由透明的电阻材料构成的屏幕，通过透明绝缘层隔开。电阻式触摸屏的电路模型如图2所示。给出电路模型后，提出问题，当屏幕被触摸时，相关位置如何产生电压？怎样精确定位屏幕触摸点？由此激发学生学习的兴趣。当学习完这部分内容后，再应用所学知识分析、解决上述问题。而讲解电容元件时，继续从手机和平板电脑触摸屏开始。由于电阻式触摸屏有其局限性，如任一瞬间只能处理单一的触摸，而需要通过挤压手势来放大或缩小屏幕时，电阻式触摸屏就无能为力了，这种情况下大多使用电容式触摸屏，从而引出电容元件。在这部分内容学习结束后，通过实例进行分析[11]。

图2 电阻式触摸屏的电路模型

3.2 比较式教学

比较式教学就是提取与编排彼此相互联系或相互对立的教学内容，引导学生通过比较、比照、类比等积极的比较思维，概括总结出知识点之间的异同，深刻理解所学知识，进而形成比较式思辨能力。具体指在教学实践中，将具有某种相似或区别的一些知识点进行比对，找出它们的异同点，使学生在掌握了一个知识点后，能够迅速联想到另一个知识点并理解掌握，从而完成预定的教学目标。在一堂课的主体教学阶段，比较式教学可以使学生能较好地完成知识与能力的迁移、内化，在培养学生的思维能力、集中注意力等方面有较为明显的优势。

电路中有诸多不同知识点之间的对比。例如对偶原理，这一原理很好地总结说明了电路中存在的对偶元素和对偶关系。如果已经导出电路某一关系式和结论，学生可以应用对偶原理直接得出与它对偶的另一关系式和结论，起到事半功倍的效果[12]。当然也要对比区别电路中的对偶和等效，两者是完全不同的概念[12]。再如感性负载在直流电源激励下的电压、电流和功率的分析计算，对比同样负载在正弦交流稳态电路中的电压、电流和功率的分析计算，帮助学生掌握正弦交流电路稳态分析。

电路中也有同一知识点不同解决方法之间的对比，如分析求解一阶动态电路，对比原始的古典微分法，需要求解描述一阶动态电路的一阶微分方程，而工程师通过总结归纳出的“三要素”法，同样的问题，只需几个简单步骤，就可对电路进行定量分析[12]。

3.3 讨论式教学

讨论式教学以启发式教学思想为基础，以“合作学习”、“合作探索”等为具体形式，强调学生为学习主体，是以问题为基础的学习。通常在教师的引导下，围绕某些问题，以小班为单位，学生团队合作，通过自学，查阅相关资料，进行讨论、辩论，最终形成结论以解决问题，完成相关内容的学习。这里教师要起到引导者的作用，而且具有多重身份，不仅作为组织者、评价者，有需要时也参与讨论。

在具体教学实践中，大多数学校面临的是“电路”课程教学任务繁重、一个授课班级学生超过百人、教学学时紧张的局面。故讨论课采用了由学有余力且有兴趣的同学主动参与、利用学时外的时间组织拓展内容的讨论式教学方式。例如关于功率因数提高的问题，大课教学直接给出解决方案是感性负载并联电容器，围绕这一问题可以进一步进行小组讨论，拟定讨论式教学计划(如图3所示)，为什么不串联电容器？并联电阻？过补偿？补偿到功率因数为1？讨论式教学能使学生有高度的学习兴趣和动机，培养其综合运用所学知识的能力和表达能力，并且可以具体体会工程思维的特性，工程活动除了考虑技术要素之外，还包括经济要素等等。同一工程问题解决方案并不唯一，往往需要综合考虑各种要素，从中选择合适的方案。

图3 讨论式教学计划

4 结束语

“电路”课程是理论性很强的课程，处处需要工程思维，具有很强的工程应用背景，因而在课程教学实践中应避免过于强调理论、填鸭式的枯燥讲授和生搬硬套的学习。本文在该课程的教学实践中，从教学策略、教学内容和方法方面初步探索，力图克服传统教学中重视理论完整性和系统性，较少考虑工程实践、忽视学生的创新能力和工程素质的培养等问题。“授人以鱼，不如授之以渔 ”，课堂教学不只是传授学生知识，更应该是一种思维方法的培养。学生从中获得的不仅仅是一个解答，而是学会了如何去处理未解决的问题。实践证明，采用上述方法，有利于培养学生用工程思维分析问题、解决问题的能力。