新工科背景下混合式创新实践教学研究

陈宏 邓元龙 费跃农 刘承香 郑三元

[摘 要] “电路分析”课程作为电类专业的基础课，在电子信息工程专业人才培养中发挥着重要的作用。基于新工科工程教育的新理念，针对“电路分析”课程教学存在的问题，提出主线式模块化理论教学、仿真和实体一体化实验教学、工程项目群主导的跨学科创新实践教学相结合的混合教学模式。教学实践表明，该教学模式充分调动学生自主学习的主观能动性，提高了理论基础水平、工程实践经验和创新研究能力。

[关键词] 电路分析;新工科;混合教学;工程实践;创新

一、引言

为主动应对新一轮科技革命与产业变革，2017年2月以来教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”[1-3]。 “新工科”的“新”体现在工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式和教育教学的新质量，提倡多领域结合、多学科相交叉，对当前高校人才培养提出了新的要求。

在新工科背景下，现有工科专业课程的教学模式需要进行深刻的改革创新，建立理论课程体系和实践教学体系紧密结合的新的人才培养模式，以培养出具有扎实的理论知识、丰富的工程实践经验和创新创造思维的高素质复合型人才。根据新工科的新理念，以及“电路分析”课程特征和本校教学实践总结，研究并建立了主线式模块化理论教学、仿真和实体一体化实验教学、课外实践项目群情境化教学相结合的混合教学系统，探索出以提高工程实践水平和培育创新研究能力为中心的“电路分析”课程的教学新模式[4]。

二、当前“电路分析”课程教学存在的问题

“电路分析”作为电类及相关专业的重要基础课程，为学习“电子技术”“传感器技术”“电机拖动”等专业课建立必要的电路基本知识和方法，其教学模式产生的学习效果直接影响到学生对于专业的深入理解和学术兴趣。由于“电路分析”课程知识的学科特征、传统教学思路的惯性，以及新旧教育理念和培养目标的差异，当前的教学模式和教育方法上存在以下问题：首先，偏重电路理论基础知识的课堂灌输式单向传授，无法培养学生的自主学习能力和提高学习兴趣;其次，学生对于同时学习的相关基础课程群的融会贯通能力弱，专业知识的学科交叉和综合应用能力不足;再次，学生不善于使用相应的工程软件并结合课堂学习的理论知识有针对性地解决实际工程问题，不利于培养工程实践经验和创新研究能力。

在本校工科专业的“电路分析”课程实际教学过程中，存在着课堂讲授内容多与少课时教学要求（总学分≤140分）的矛盾，综合应用其他专业基础课程知识的教学目标与单一固化的以PPT投影和板书为主要授课形式、以作业和考试为主要考核手段的传统教学方法的矛盾，培养解决实际工程问题并启发创新思维能力的教学目标与传统的以理论知识学习为主、验证性实验为辅的教学形式的矛盾。

三、面向实践创新能力培养的混合教学模式

针对“电路分析”课程教学过程中存在的问题和突出矛盾，通过解析“电路分析”的知识结构特点和教学目标，基于应届学生和重修学生的学科知识储备梯度、心理认知规律以及同时段选修课程群的知识关联度，建立以产出为导向的“电路分析”教学综合考核评价体系。该体系可有效驱动理论教学、课程实验、工程实践相结合，跨学科课程的知识交叉和综合应用，基于工程项目群和多工程软件运用的多环节、全流程的创新实践教学[5]。“电路分析”混合教学系统能够充分调动学生自主学习的主观能动性，积极提升学习热情和对本专业的认可度，探索出以提高工程实践水平和培育创新研究能力为中心的“电路分析”课程混合式创新实践教学模式（见图1）。

（一）主线式模块化理论教学

根据“电路分析”的知识分布和总课时分配，调整和优化“电路分析”课程的理论教学内容，建立由不同课时权重比的主模块构成的模块链：①直流电路模块（26学时）;②暂态电路模块（6学时）;③交流电路模块（20学时）;④三相电路模块（2学时）。直流电路模块是“电路分析”课程教学的基础和重点，将其一般分析方法作为理论教学模块链的主线，在此基础上可以进一步在相关知识上进行拓展和延伸。要求学生在课余时间自学非正弦周期电流电路、非线型电路、动态电路的复频域分析等，利用线上交流进行答疑和讨论，不仅达到少学时要求，同时有效锻炼和培养了学生自主学习的水平和自信心。

为检验并巩固课程学习效果，采用课堂讨论、课堂测试、课后随机习题训练和单元考试等方式，并对每次考核采用百分制计分并及时公布，以达到提升学习压力和激励学习动力。实时跟踪和分析学生的考核数据，及时改进教学方法和方式，建立课上课下学习全面融合、以学定教以生为本的双向互动教学模式。根本上解决原有的教学方案造成的课程纯理论内容繁多、较少课时教学要求造成的“满堂灌”的枯燥学习气氛和低效的学习收获，客观上致使学生產生畏难心理、非上课时段松散学习状态的教学现实问题。

（二）Multisim仿真和实体一体化实验教学

Multisim是一款适合电路电子系统仿真分析与设计的EDA工具软件，具备完备的元器件库、功能强大的SPICE交互仿真能力、虚拟仪器测试和分析功能[6]。为加强学生对于电路理论的感性认识并提升学习兴趣，对应于理论课的教学进度和知识体系，开发了基于基尔霍夫电路、RLC一阶二阶电路、微积分电路、串并联谐振电路等基本电路，以及功率测量电路、电容倍增器电路、移相器电路等多类实际应用电路的Multisim仿真实验，及时有效地把理论知识融会贯通于电路仿真实验中。采用课上教学为引导和课下自学为主的方式，学生利用Multisim仿真电路调整电路结构和参数进行仿真实验分析，不仅能够快速地掌握软件使用技巧，同时可以加深和拓展对理论知识的理解。

在理论和仿真实验教学期间同步开展实体实验（包括实验室实操和口袋实验操作），设计了电工仪表的使用、戴维宁定理、三相交流电路电压电流的测量、含受控源电路等多个实验项目（共计18学时），学生在电路电子实验室或宿舍中根据自编实验指导书完成电路实验，通过对比和分析实际电路的理论计算、仿真实验和物理实验，进一步提高对电路理论的理解深度和实验操作水平。

（三）工程项目群主导的跨学科创新实践教学

作为专业基础课程，“电路分析”的知识体系主要由理论概念、定律定理、基础分析方法和计算构成，知识结构具有重理论轻实践的特征。而采用理论为主的教学模式会降低学生学习热情和教学效果，无法培养学生主动学习的良好习惯、创新研究的思维和解决实际问题的能力，也无法达成培养学生具有坚实的理论基础和优秀的理论研究水平的课程目标[7]。同时选课学生处于低年级阶段，学生专业学科知识的综合应用水平较低，需要建立相应的跨学科实践教学环节，为高年级具备解决复杂工程应用问题的能力打下基础。为解决上述矛盾，根据理论知识的模块化系统，以及学生的学科知识背景和学习能力分布，基于理论教学和实体实验的进度，对应教学重点、难点的直流电路和交流电路模块，构建了包括3个同步的、难度等级适合且递增的研究型课题的跨学科工程设计创新实践项目群（见图2）。

学生在课程教学全周期内，按期完成三项工程实际电路的解决方案规划和设计、理论分析计算、程序设计、电路Multisim仿真实验、项目设计报告书撰写和现场答辩的全流程工作任务。设计项目的完成需要相关学科的知识交叉和综合应用，包括高等数学和线性代数、程序设计、大学物理，并综合使用MATLAB类数学计算软件、C++类编程软件和Multisim电路仿真软件三类工程软件以及Office办公类软件。在精心设计的实际工程项目情境中，学生可以真实经历和体验实践课题的工程背景、设计思路和开发过程。项目解决方案工程应用价值、优化设计和开放性设计理念促进学生不断累积和强化渴求新知识的好奇心、开发设计需要的刻苦钻研精神和解决复杂工程问题的成就感，有效提升了学生的自学能力、多学科知识交叉和综合应用水平、工程实践能力和经验以及创新研究思维。

（四）产出为导向的教学综合考核评价体系

原有教学模式的考核评分系统存在着多种现实问题，包括学生片面重视理论知识学习和期末课程笔试、学习前松后紧导致考前临阵磨枪和考后知识基本遗忘、考核评价以期末考试答题对错为主要评分手段等[8]。针对“电路分析”的学科特点和课程体系中专业基础课程的地位，建立了多元化、全周期、理论结合实践的、以学生为中心、以产出为导向的持续改进的考核评价系统（见表1）。

评价系统的理论考核设计配置了基础习题和考研类、启发类难题所构成的测试题库，每个环节的百分制评价督促学生在学习全周期持续理解、巩固和加深电路理论的基本概念、分析方法和拓展知识，在实践考核中学生通过课堂、实验室和电脑学习和积累各种基础电路和应用电路的特性和分析设计方法，以工程项目设计为目标，提高对实际工程问题的分析和解决能力。对每届学生的各项考核成绩和课程目标达成度分布进行动态评价和分析，不断调整优化理论教学内容和教学方法、测试习题难易权重、仿真和实体实验的应用电路集、工程实际项目环境、考核模式评分权等。

四、结论

为有效解决“电路分析”教学中存在的问题和矛盾，针对“电路分析”的学科特征、学习主体客观状况和课程教学目标，在新工科建设背景下，探索出以提高工程实践水平和培育创新研究能力为中心，“电路分析”和其他学科課程相交叉，理论教学、实验教学和工程项目实践教学相结合的统一混合教学模式。经过三届学生的教学实践表明，该教学模式充分激发学生自主学习的主观能动性，不仅巩固了理论基础知识，而且培养了学生发现问题、分析问题、解决问题的工程实践能力和创新研究水平，满足了新形势下产业发展对工程和研究人才的迫切需求。

参考文献

[1]教育部.”新工科”建设复旦共识.[EB/OL].[2017-2-18]. http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/201702/t20170223_297122.html.

[2]教育部.新工科”建设行动路线（“天大行动”）.[EB/BL].[2017-4-8].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/21704/t20170412_302427.html.

[3]教育部.新工科研究与实践项目指南.[EB/BL].[2017-4-8].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201707/t20170703_308464.html.

[4]刘荣科，杨昕欣，洪韬.面向新工科建设的电子电路系列课程教学的思考与实践[J].高教论坛，2018（9）：20-23.

[5]郭建敏.提高“电路分析”课程教学质量方法的研究[J].高教学刊，2019（9）：111-113.

[6]王志秀，张吉月，蓝波.电类专业电学基础技术课程改革与实践[J].实验室研究与探索，2014（5）：179-183.

[7]田社平，张峰.基于电路应用实例的研究型教学实践与探索[J].电气电子教学学报，2018（2）：79-84.

[8]刘芬，雅静.“电路分析基础”课程考核方式的改革与实践[J].教育教学论坛，2016（2）：129-130.