“以问题为中心”的“电工学”课程创新教学设计与实施

聂 晶，王洪坤，李宏伟，任 玲，左 静，刘 晨

(石河子大学 机械电气工程学院， 新疆 石河子 832003)

“电工学”课程是以电路为核心，以电机应用为主线，通过对电路模型的分析以及电机设备的控制、应用，使学生具有解决工程问题所需的电工技术基础知识，培养学生针对系统或装置中的电机与电器进行电路建模、求解以及实际应用变压器、电动机、继电接触控制系统的能力，建立“规划”加“积累”的工程设计思维，培育脚踏实地的工程精神，增强具有远见的工程规划、创新意识。

课程组近年来在教学内容、教学组织、教学方法等方面进行大胆改革，在教学改革获得充分认可的同时逐渐认识到，在传统教学模式下，“三低一缺”(即学生参与度低、学习热情低、实践能力低、缺乏研究性学习)是影响本科教学质量的常见问题[1-3]。针对“三低一缺”问题，在信息化时代、国际化背景、MOOC浪潮下，把新的教学理念渗透在每个教学环节和过程当中[4-5]。改变传统教学中“以书本知识为中心，以教师为中心，以课堂教学为中心”的现状，尽力把“教”的优势转化为学生“学”的优势。突出“以学生为中心”的课堂主体地位，将教学观念的重心转变为“以问题为中心”，将“知识传授”转变为“知识探究”，将“知识接受”转变为“能力培养”[6-8]。借助MOOC、SPOC、雨课堂、雷实验等现代化教学工具及手段，用在线学习与翻转课堂相结合的形式推动教学模式创新，转变传统课堂角色定位，使学生成为知识探究者，教师成为研究学习指导者。教学方法以相关问题背景设计为主[9-10]，采用“以问题为导向的教”和“以问题为导向的学”的翻转课堂组织形式，引导学生开展主动探究，使学生真正成为学习的主人。在理论教学的同时引入分阶课堂实践，理论与实践并重，强化课堂教学的针对性，按照不同类型学习者的不同需要，创新设计教学内容和教学评价体系，构建多元化的学习空间，建立知识探究、能力培养、价值塑造“三位一体”的教学模式。

一、“电工学”课程教学的“痛点”问题

课程教学质量调查问卷以及往届学生反馈意见显示，学生学习“电工学”课程存在以下“痛点”问题：(1)课堂教学中以灌输知识为目的的“记忆式学习”特征明显，教师的知识输出效率不高，学生处于被动学习状态，课堂参与度低，主动性不够，学习热情不高；(2)课堂教学重知识、轻能力，缺乏相应的高阶研究性学习内容，学生的创新、拓展能力不足，教学针对性不强，没有根据不同学生学习需求进行教学评价体系的区分设置，学生缺乏自我激励，学习兴趣不高；(3)课堂缺少实际工程问题的引入，理论与实践联系不够紧密，学生普遍缺少实践锻炼的机会，不能将课程所学知识及时转化为实践应用；(4)评价方式较为简单，缺乏真实、多元的过程性评价，对学生的激励不明显，不能调动学生课程学习的主动性；(5)课程教学过程中缺乏现代化教学工具及手段的应用，教师对学生学习效果的把控不够全面。

二、教学流程设计

教学流程由课前、课堂、课后三个教学环节构成闭环，采用在线学习、翻转课堂、课后评价反馈相结合的形式，提高课堂教学效率，使学生重新建构学习流程。教学流程如图1所示。

图1 教学流程图

(一)课前教学设计

学生在课前利用慕课及SPOC平台观看教师讲解的视频，并通过学习任务表明确自己在课前阶段预习的能力目标。任务表的设计是阶段化的，针对学生不同阶段能力状况以及课程整体内容学习难度和特点进行设计，帮助和引导学生利用慕课资源和SPOC平台进行知识内容预习，归纳、总结知识点，提炼问题，着重培养学生的知识点挖掘能力、归纳总结能力、知识运用能力。

(二)课堂教学设计

在线下课堂教学之前，课程组教师通过SPOC平台数据提前了解学生的学习困难，分析学生课前预习状况、每堂课内容和难度、预估学生接受情况，从而确定每堂课的具体授课方式，其课堂任务、能力培养目标和培养重点与预习任务表相呼应，具有相同的阶段性。

课堂教学由课前回顾、解决问题、知识深化、总结归纳等环节组成。通过课前回顾加深学生对线上预习知识点的理解，采取“以问题为中心”的翻转课堂教学模式有针对性地进行动态课堂组织，并根据学生情况对所学内容进行理论和应用两方面的拓展，采取任务驱动教学模式，利用小组合作及项目探究解决教师课上提出的问题，通过总结归纳帮助学生进行知识建构。翻转课堂教学设计如图2所示。

图2 翻转课堂教学设计图

(三)课后教学设计

课后，学生总结课内讨论的若干问题和知识点，整理相互之间的逻辑关系，将课内知识用自己理解的方式重新整合，绘制知识脉络图；完成SPOC平台与知识点相对应的习题或部分笔头作业；基于已经完成课堂讨论的内容进行电路仿真和研究型实验电路搭接；对遇到的问题及学习效果在SPOC平台和同学、教师进行讨论，进行反馈和评价，促进教学持续改进。学生课后学习流程如图3所示。

图3 学生课后学习流程图

三、教学过程中的“个性化”及“高阶性”教学设计

依据学生的学习基础和学习需求对学习任务表、课堂实践、仿真训练、考核评价进行区分设置，满足学生的个性化学习需求，在翻转课堂和PBL课堂训练中设置层次递进的分阶讨论和项目，通过高阶学习项目，激发学生的创新思维，进行自我激励。教学过程中的“个性化”及“高阶性”教学设计如图4所示。

图4 教学过程中的“个性化”及“高阶性”教学设计图

课程组教师根据学生的课前预习情况对翻转课堂的问题讨论及PBL课堂训练项目进行精心设计，讨论问题前后有衔接，训练项目难度递进，以实现通过难度递增不断激发学生学习热情的目的。翻转课堂的问题讨论以及课堂实践和仿真训练项目主要基于基础学习任务，以满足所有同学的学习需求，设计有少量根据高阶学习任务凝练的问题，以满足学生对高阶知识的需求，同时带动其他同学产生主动思考，形成创新思维。在考核评价时，赋予学生自主选择的权利，学生可根据自身对知识的掌握情况以及所具备的实践能力，选择相应难度等级的考核项目(针对不同难度等级，教师界定相应的赋分标准)。

四、课内实践教学设计

将实物搭接与虚拟仪器、电路仿真相结合，设计与理论教学内容有机融合的课内实践项目[11-12]。实践训练内容侧重探索性和实用性[13-15]，学生自行设计实验的电路和方案，对相关理论学习内容进行验证，在掌握一定实践技巧和经验后，采用PBL的方法设计出具有一些实际功能的电路。

将翻转课堂课前自主学习、课堂讨论内化模式引入实践教学环节，在基础层面上实现理实一体化。采用混合式教学模式拓展学生实践训练的时空范围，使学生将课程所学知识及时转化为实践应用。实践项目设计时，采用逐层推进模式，起初以验证性实践引导学生进行预习、操作、报告撰写等，培养学生学习习惯，掌握基本技能。随后进入第二层次，验证性实践设计化，教师提供基本条件、要求，学生根据任务自行设计内容、步骤，最后以项目式实践引导学生形成整体设计思想。课内实践教学设计如图5所示。

图5 课内实践教学设计图

五、建立多元化的课程评价体系

课程评价体系由平时成绩和测试成绩两个大的部分组成。平时成绩由线上及线下两部分组成，线上各部分学习任务注重“典型性”和“时效性”，力求做到“少而精”，既能促进学生自主探究，又尽量不要过多增加学生的学习负担。线上预习和课后作业、拓展部分由学生借助SPOC平台完成，课堂测试和回答问题由学生借助“雨课堂”随堂完成，教师根据“雨课堂”导出数据，对学生的线上课堂成绩予以评定，根据SPOC平台中学生的视频学习时长、预习任务表完成度、预习测试及单元测试结果、提出问题合理性、仿真电路的功能性、课后实验数据及波形的合理性评定学生的线上课外学习成绩。线下各部分学习任务注重学生学习的“互动性”和“高阶性”，通过学生之间的交流、讨论、协作，促进学生个体之间的相互学习。

测试成绩包括理论考试和实践考试两部分，理论考试注重基础知识考核，试题选择力求做到“开放性”，灵活性较高，以利于学生根据所学知识的掌握情况灵活作答，但理论考试采取强制达标，督促学生对于基础知识的掌握。实践考试重点体现出“个性化”和“区分度”，学生可根据自身的知识掌握情况，自主选择实践考试的类型和难度，体现出“差异性”。课程评价体系设计如图6所示。

图6 课程评价体系设计图

六、实施效果

(一)课堂效率提升明显，课堂气氛活跃

“电工学”课程创新教学模式实施后，在课堂时间里的预习任务单汇报、小组讨论、发言、提问、电路仿真、分组实践、课堂测试各个环节，几乎所有学生全程都处在较为活跃的状态。

为了及时掌握学生的感受和想法，课程组在期中考试结束后进行了问卷调查。问卷共设计了6大类(总体时间安排、课堂、实验、教学内容、整体收获、改进建议)、19个问题，以下是2020年春季学生对一些典型问题的代表性反馈(见图7)。

图7 学生问卷调查典型问题反馈

(二)研究性学习蔚然成风

学生可以通过“雨课堂”在课上及时提出问题、反馈问题，课下通过SPOC的线上论坛以及QQ群和微信群继续在线上进行讨论、交流，有了教师在课上及课下的及时引导，学生不再仅仅满足于应付作业或者考试，而是对学习内容有了更深入的研究性思考。例如，在原来的“电工学”课程中，仅仅要求学生了解继电器的电路结构与动作特点，但是学生在论坛中，从不同类型继电器的动态参数展开讨论，逐步深入到继电器在动态工作时输入信号、时钟信号的相互配合。虽然受限于知识积累，对很多问题依旧一知半解，但相信这种探究的精神，以及对相关知识的存疑，对于后续的学习将是大有裨益。

(三)学生探索、实践能力提高

部分同学在兴趣的指引下除了规定的实验之外，还自行设计并搭建完成了台灯充电电池、光伏电池板充电器、Led显示盘、调压电源、蓝牙音箱放大器、颜色识别分拣电路等实际电路。这些实际功能电路的实现需要包括电路图、电路仿真、实际电路制作和产品封装等要素，绝大多数是学生课外探索获取的知识和技能。学生的学习空间不再局限于课堂，通过线上、线下的结合，课后实践的拓展，使学生逐步形成、适应了多元化的学习空间。

(四)团队学习和协作学习的新学习方式初步形成

通过课堂互动讨论和在线论坛形式，以及教师采取多样化、动态化评价方式，更加重视团队协作、互助、互学等一系列举措，引导学生逐步形成团队学习和协作学习的新的学习方式，不仅提高了学生的学习效率，而且缩小了学生之间的学习差距。统计分析发现，“电工学”课程的成绩离散度优于其他课程，从而证明这种团队学习和协作学习对缩小学习差距具有积极的意义。

七、教学反思

在教学团队的集体努力下，从课程的学习氛围、教学质量、学习效果、师生沟通等方面均取得了令人相当满意的结果。从学期结束后对学生的调查问卷情况来看，学生认为通过课程对自己帮助改进最大的前三位分别是：分析问题能力、学习规划能力、团队协作能力。但是在改革过程中也发现了不少问题，这些问题同时也将成为我们未来展望、努力的方向。

(一)全新模式对学生投入时间和精力有高要求

学生课前预习投入不够将对教学过程、培养质量有明显的负面影响。后续，课程组将根据学生学时情况调整翻转程度，利用信息化教学工具进行轻量级混改，针对不同情况开展差异化教学实施方案，真正将“以问题为中心的教与学”贯彻到底。

(二)量变到质变需要时间和体系支持

通过全新教学模式的实施，学生在预习、课后等自主学习环节虽然较从前有较大改善，且正在往越来越好的方向走，对学生而言实现了相当的量变。但是毕竟持续时间短，若要将短期成果转化为固有成果，需要有更多课程来共同实施努力，方能达到量变到质变的效果和目的。

另外，需要特别注意的是，实践环节同教学环节相辅相成，必须深度融合才能达到增强学生工程能力，提升学生学习兴趣的目的。