“铺路式”牵引模式的教学设计与实现

宋佳音 宋文龙 周宏威 赵 越 朱 莉

(东北林业大学 机电工程学院, 哈尔滨 150040)

在教育部大力加强一流本科课程建设的背景下,东北林业大学“电路”课程组全体教师积极投身于课程的教学内容的重构和教学方法改革工作中,力争把课程建设成为适应新时代需求,符合高阶性、创新性、挑战度标准的一流课程[1-3]。深入贯彻以学生为中心、以产出为导向、持续改进的理念,推进“学习革命”向“质量革命”纵深发展[4-6]。

目前我国电气信息类专业课程,主要通过引入工程案例提升课程内容的深度,通过增加国内外研究现状或最新科研成果等,提升课程的广度,然而在课程内容纵深发展目标下,教学内容的扩充与教学学时的不增反降,构成了新时期的教学矛盾[7-10]。为有效解决上述问题,在线课程MOOC和SPOC应运而生,并得到了广泛的应用,构建出教学新形态。然而在多门课程同时改革的作用下,产生了学生们课下自主学习任务重、压力大的问题,因此如何牵引学生们有效学习,提升学生自主学习效率是目前亟待解决的关键性问题。

东北林业大学“电路”课程组经过多年实践,总结出“铺路式”牵引教学法开展理论教学,落实课程的“两性一度”要求,提升学生自主创新能力,该方法的实施以知识间逻辑关系为基础,以在线课程建设为依托,以提升综合能力为目标,缓解学生自主学习压力,教学效果显著。

1 “铺路式”牵引教学法的构成

“铺路式”牵引教学法是以“瓦根舍因范例教学”原理为依据[11],提出以基础认知为“砖石”,采用“铺路”方式形成系统学习的方法,通过知识的迁移和应用,完成知识内容的迭代与更新,在知识的传递过程中使学生获得自主学习和解决问题的能力。

“铺路式”牵引教学法包含四个基本要素分别为:逻辑清晰的知识体系、“两性一度”的扩展内容、循序渐进的任务驱动以及引人入胜的思政环节。

1.1 逻辑清晰的知识体系

逻辑清晰的知识体系是“铺路式”牵引教学模式的“骨架”。课程知识体系以章节为单位划分层次,呈现出明确的逻辑关系。以电路理论中稳态部分的教学内容为例,逻辑关系如图1所示。由于电路的元件约束和拓扑约束已知,因此能够归纳直流电阻电路的分析方法,即第一章与第二章之间具有因果关系;运用电路的一般分析方法求解特定电路模型,总结出电路定理,丰富电路分析方法,因此第二章与第三章之间满足递进关系;通过运用数学手段确定复数与正弦量的对应关系,将直流电阻电路的分析方法和定理分析方法平移到分析正弦稳态电路中,从而总结出正弦交流电路的分析方法,进而探讨功率问题,使得第四章与第二、三章在逻辑上构成虚实关系,其中“虚”指理论支撑,“实”指实际应用;灵活运用第四章的知识内容分析工程实际问题,并总结出特定问题的分析方法:分析变压器的作用构成第五章、揭示收音机选频特性构成第六章、分析电力系统的供电电路构成第七章,因此该三章内容与第四章构成递进关系,同时确定出第四章在整个稳态电路分析中的核心地位。根据确定的逻辑关系,以掌握的知识点为“砖石”,在任务驱动和教师牵引下,让学生“铺路”完成课程知识体系的构建。

1.2 “两性一度”的拓展内容

“两性一度”的扩展内容是“铺路式”牵引教学模式的“肌肉”,在完成知识体系构建的过程中,增加扩展内容,培养学生综合运用课程知识解决工程问题的能力,在探究过程中深化对课堂知识的理解,并试图结合应用领域改进设计方案,从而提升课程教学内容的高阶性和创新性。

例如在电路理论稳态部分学习过程中,第二章在学习电桥平衡时增加传感器的设计内容,包括基于电桥平衡原理测热敏电阻电路、桥式测温电路、桥式压力传感器等;在第五章空心变压器部分增加无线充电装置的设计及改进;第六章并联谐振部分增加收音机选频电路设计;在第七章三相电路部分增加33节点微电网无功优化方案设计等。学生结合课堂内容自主查阅资料,完成内容包括三个层次:原理阐述、未知分析、创新研究。原理阐述指能够清晰地表述出课程内容在特定问题中的应用;未知分析指在分析特定问题的研究过程中,除课堂内容以外还需要的尚未学习的知识内容;创新研究指在现有问题基础上提出改进方案或创新性设计方案。对于大二学生上述内容确实具有挑战度,因此拓展内容的学习要求学生自由组队选择不同层次内容,对于具有创新研究的优秀队伍,教师进一步指导推荐大学生创新实践项目或申请专利,目前已成功申请国家级大学生创新项目12项、省级9项、校级2 项,申请实用新型专利27项,已授权19项。

1.3 循序渐进的任务驱动

循序渐进的任务驱动是“铺路式”牵引教学模式实施的“心脏”,带动教学过程的节奏提供知识传递的动力。任务的布置在满足课程计划需求的基础上,兼顾学生能力及自主学习时间安排,力争做到总体上课学时与学生自主学习时间的比例为1∶1.5,因此任务的布置要求由浅入深循序渐进,根据知识体系的逻辑关系做到任务环环相扣,内容有的放矢,过程有迹可循。

任务布置包括课前导学和课后任务两部分,课前导学的主要作用是掌握预备知识,包含数学基础知识回顾、理论的证明、模型的推导等;课后任务包括延展分析类和设计讨论类。延展分析类是指理论知识的应用,包含课后习题、章节测验等;设计讨论类指综合运用理论知识解决实际问题,包含“两性一度”的拓展内容。任务布置起到驱动和引领作用,设计类任务为半开放性命题,仅在改进方案处答案不唯一,并用搭建实物或仿真的方式验证方案的可行性,让学生们充分感知到“学什么、怎么学和如何用”。

1.4 引人入胜的思政环节

引人入胜的思政环节是“铺路式”牵引教学模式实施的“灵魂”,让专业技术蕴含人文关怀,使得枯燥理论生动有趣,不仅是调动学生学习热情的有效手段,更是在无形中让学生感悟“做事先做人”道理的有效途径。学生喜欢看到的是鲜活生动的案例,不是引经据典的说教,为此将生动的视频带入课堂,让原本枯燥的理论生动化、单调内容多元化,让学生全方位多角度地感受学习的必要性和学习的快乐。

例如在学习第三章电路定理时,不直接讲述定理内容,而是从戴维南的工作背景出发,探究他为什么能够发现戴维南定理,然后研究戴维南定理的内容、作用和意义;之后带领学生们探索在戴维南去世当年,诺顿和汉斯又提出的诺顿定理,为什么能够被称为是戴维南定理的延伸。视频补充诺顿所在的贝尔实验室经历的兴衰历程和科学家们的纷争,让学生们不仅了解电子元件发展的过程,更能体会到人的格局和胸怀的重要性。

电路课程中思政视频主要来源于“哔哩哔哩”“CCTV10科教频道”“微信视频号”等。思政内容与知识内容紧密契合使得课堂不仅生动有趣更富有深意,深受学生喜爱,其中评价最好的是抗疫复工搬运“中国巨无霸-1000 kV变压器”的壮观场面,让学生们激情澎湃,感受到祖国的强大;其次是何同学发明的无线充电办工桌,撬动乐歌5.5亿市值,让学生们见识到同龄人的杰出表现,激发了学生们努力学习的热情和对于前途命运的思考。

2 “铺路式”牵引教学法的设计与实践

教学设计的宗旨是实现培养目标,将培养目标具体对应到课堂90 min的基本单元,明确授课形式,设计反馈机制用以评估课程目标的达成情况,进而及时调整教学方式,实现持续改进。

2.1 教学内容的划分与学时比例分配

教学内容的划分,遵循“生态化”教学理念,强调整体逻辑性,根据 “铺路”原则将六个知识单元划分为三个层次,分别为:基础层、中间层和延展层,如图1所示,在电路的稳态部分中基础层包括第一、二、三章;中间层是第四章,延展层包括第五、六、七章。每章内容再细分知识点,根据知识点的类型和所需时长,进行线上线下混合式教学学时分配,其中线下理论教学学时对应学校教学培养方案计划学时,线上学时是课堂以外学生的自主学习时间。

对基础层知识的讲授以线下为主、线上为辅,学时比例分配约为7∶3,其中线上学习任务包括课程网站上布置的课前导学、课后作业、主题讨论和章节测试。对于中间层知识单元线上线下学时比例分配约为5∶5,其中线上学习任务除课前导学、课后作业、主题讨论、章节测试外,还需要完成分组任务,其中分组任务是超星平台的特有模块,例如第四章中分组任务的内容是正弦稳态电路分析方法的研究,基础“砖石”和分析路径都已明确,要求学生们分小组合作总结出正弦交流电路的分析方法和步骤。对于延展层知识单元的线上线下学时比例分配约为3∶7,其中线上学习任务不仅包括课前导学、课后作业、主题讨论、章节测试,还要完成设计任务,设计任务主要对应“两性一度”的扩展内容。

2.2 闭环反馈机制的构建

闭环反馈机制是教学实施的“指挥棒”,用以实现教与学相互促进。“电路”课程的闭环反馈做到多层次多角度的实时反馈,具体表现为固定式反馈和随机式反馈。

固定式反馈中包括课前任务、课后作业、章节测试和两次教务处备案的在线阶段考试,上述任务均在课程网站完成,参考答案根据任务类型设定时间下发。例如课前任务、课后作业、章节测验是在学生完成上传后下发参考答案及详解;在线阶段考试是在考试结束时自动收卷,允许学生查看参考答案,客观题直接给出分值,主观题给出步骤详解和评分标准。

随机式反馈是包括随机选人、随堂测试和问卷调查,均为超星网站模块。随机选人在课堂使用,学生随机参与课堂讨论,实现以学生为主体的探究式教学;随堂测试是课堂全员在线答题,实现对学生知识掌握情况的及时反馈,并立即解决问题;调查问卷是平均每学期调查四次,用于收集学生关于课堂内容、授课方式的意见和建议,供教师参考调整授课方案。

2.3 教学组织实施

线上线下混合模式教学实施过程如图2所示,以学生为中心,发挥教师课堂的驱动能力,在完成知识目标的基础上,强化能力目标和素质目标。围绕培养目标不断丰富教学资源,除课程视频、课件、章节测验等数字资源外,增加工程实例、科研动态和思政要素,做到学生学习有抓手,学习过程可追溯。让学生能够在自主学习过程中发现问题,在课堂讨论时分析问题,教师集中精力解决共性问题,进而辅助学生挑战高阶问题,同时进行价值引领。“铺路式”牵引教学法开展教学实践是让学生完整地经历“发现问题-分析问题-解决问题-总结问题”的科研过程,从而更好地落实能力目标和素质目标,通过全方位考核对教学过程进行评价,同时形成教学反思指导持续改进。

图2 教学组织实施结构图

3 结语

通过近两年的学生成绩对比分析发现,实施基于“铺路式”牵引教学法的班级学生成绩,优秀率和良好率明显高于没有实施该方法的平行班,同时在对比实施“铺路式”牵引教学法的平行专业成绩时发现,该教学模式能够有效提高基础薄弱学生的成绩,总评成绩的良好率显著提升。此外,在能力和素质培养方面,实施“铺路式”牵引教学法后课程孵化大学生创新项目数量明显增加,学习自主创新能力增强。问卷调查中学生表示非常喜欢“铺路式”牵引教学法、任务量适中、学习收获大。“电路”课程在东北林业大学课程评估中获得特优成绩,在专业认证过程中得到校内外同行专家的充分肯定。