基于信息技術(shù)的電工電子基礎(chǔ)實驗課程線上線下融合教學研究與實踐

2023-04-02 12:38:42伍遠征邢毓華王加祥劉宇坤姜玉泉西安理工大學自動化與信息工程學院

中國信息技術(shù)教育 2023年7期

伍遠征邢毓華王加祥劉宇坤姜玉泉西安理工大學自動化與信息工程學院

電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗、電工電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗等電工電子基礎(chǔ)實驗課程是筆者所在學校非電類工科專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課程，屬于獨立設(shè)置的實驗課程，其目的是提高學生理論聯(lián)系實際的動手實踐能力，激發(fā)學生創(chuàng)新意識，培養(yǎng)一定的創(chuàng)新能力，為將來從事工程技術(shù)工作打好基礎(chǔ)。電工電子基礎(chǔ)實驗教學進度通常與相應(yīng)理論課程保持一致，但由于其側(cè)重現(xiàn)場實踐操作，高度依賴實驗場地及實驗儀器等教學條件，所以其教學極易受突發(fā)因素干擾而中斷推遲，與理論課程節(jié)奏脫節(jié)，嚴重影響實驗教學效果。[1]

然而，教育信息化在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、人工智能等信息技術(shù)的帶動下迅速發(fā)展，信息技術(shù)與教學實踐深度融合，混合式教學模式成為一種符合時代要求的新型教學模式。因此，如何有效開展實驗教學受到越來越多的關(guān)注，其中關(guān)注較為廣泛的是在線實驗教學，針對有效開展在線實驗教學所采取的最典型的措施有在線虛擬仿真[2]和基于在線實物實驗平臺的遠程真實實驗[3-5]以及線下軟件工具虛擬仿真與口袋實驗室的虛實結(jié)合[6-8]等。基于軟件的虛擬仿真是根據(jù)理論模型進行計算分析，與實物電路之間存在不可消除的差異，如阻抗頻率特性、元件參數(shù)差異、電路線纜分布參數(shù)、接觸電阻、電路環(huán)境干擾等。[9]在線實物實驗是對真實電路元件進行遠程連接、測量、觀察實驗結(jié)果，雖然很大程度上彌補了純軟件仿真帶來的實際動手能力訓練問題，但其依賴的操作平臺需要一定的投入建設(shè)，對于實驗條件建設(shè)經(jīng)費支持力度較弱的某些高校而言，可推廣性不強。因此，基于現(xiàn)有實驗教學條件實施且不依賴額外建設(shè)投入的電工電子基礎(chǔ)實驗課程的線上線下融合教學研究與實踐具有重要意義。

●教學理念的提出

為提升電工電子基礎(chǔ)實驗課程教學效果、效率、效益，促進學生主動把學習、興趣、觀察、實踐同思考緊密結(jié)合起來，全面提升和發(fā)展學生核心素養(yǎng)，確保常態(tài)化防疫的處境下實驗教學實施富有彈性、效果不減，筆者圍繞“有效教學”教育理念和“學為中心、目標導向、持續(xù)改進”的工程教育專業(yè)認證核心理念[10]，融合翻轉(zhuǎn)課堂和BOPPPS（Bridgein，Objective，Pre-assessment，Participatory Learning，Postassessment，Summary）模式[11-13]的內(nèi)涵，梳理剖析實驗教學全過程，解構(gòu)實驗教學各環(huán)節(jié)，優(yōu)化重組諸要素，提出了基于實驗課程的線上線下融合教學理念。

電工電子基礎(chǔ)實驗課程教學全過程包括實驗準備（或預習）、實驗操作采集數(shù)據(jù)、實驗數(shù)據(jù)驗收以及總結(jié)等關(guān)鍵要素，貫穿于課前、課中和課后三個環(huán)節(jié)。在實驗課程混合教學中，線上的教學成為必備活動，是實驗準備（或預習）落實到位的保障；線下的教學是基于線上的前期預習成果而開展的更加深入的教學活動，是實踐操作落地生效的關(guān)鍵；實驗數(shù)據(jù)整理以及總結(jié)是理論聯(lián)系實際、知識吸收內(nèi)化和實踐能力生成的根本保證，可以視“線上”或“線下”的具體情況組織實施。

●教學設(shè)計

筆者圍繞實驗準備、實驗數(shù)據(jù)采集、實驗總結(jié)等核心要素，將電工電子基礎(chǔ)實驗課程教學全過程分為“課前”“課中”“課后”三個環(huán)節(jié)，具體如右圖所示。

1.課前

（1）引入

實驗課的引入，尤其注重引發(fā)學生的興趣。例如，在單相橋式整流電容濾波及并聯(lián)穩(wěn)壓電路實驗中，提問：日常生活中使用的手機充電器的工作原理是什么？讓學生帶著疑問和興趣進行實驗，也可將實驗結(jié)果以圖片或視頻的方式展示給學生，以明確目標、增強信心、提高效率。引入在課件里體現(xiàn)，引入環(huán)節(jié)在學生預習課件時實現(xiàn)。

（2）目標

同引入，均在預習課件中體現(xiàn)。

電工電子基礎(chǔ)實驗課程線上線下融合教學實施流程

教師完成備課和備實驗，采集實驗數(shù)據(jù)、實驗過程圖片（能展示實驗板和儀器儀表的接口、開關(guān)、旋鈕等與操作緊密相關(guān)的細節(jié)），設(shè)計制作課件和測試題卷。上課前一周發(fā)布課件。學生參考課件和實驗教材，完成實驗準備。復習與本次實驗有關(guān)的理論課內(nèi)容，根據(jù)理論課的分析計算方法，將實驗報告中要求的理論計算值及圖表預先完成，確保實驗測量時心中有數(shù)，能對實驗結(jié)果正確與否做出判斷；了解實驗中涉及的實驗板、儀器儀表，清楚各接口的連接關(guān)系、按鍵旋鈕開關(guān)的功能，確保動手操作時有條不紊。學生可通過完成課件中設(shè)置的測試題，檢驗預習情況。如遇無法自行解決的疑點，可線上求助教師答疑解惑。教師在答疑的同時，可通過雨課堂、Moodle、智慧樹等智慧教學工具或平臺了解掌握學生課件預習及自測情況。

2.課中

（1）前測

可在學生動手操作之前，先進行預習測試，通過設(shè)置的選擇題測試學生對理論知識或者操作中重難點的掌握情況，這樣既可以摸清學生的預習情況，又可以提高后續(xù)講解的針對性。

（2）交互

即參與式學習，學生動手做實驗，連線、操作儀器，分析結(jié)果以及排除故障。教師密切關(guān)注學生實驗進展情況，非必要盡可能不干預學生。對學生遇到的個性問題，教師進行點撥，與學生進行交互，引導其探究現(xiàn)象背后的原理；對學生的共性問題，教師可歸納總結(jié)成注意事項或常見故障排除方法，通過課件呈現(xiàn)給學生，在確保安全的前提下盡量給學生試錯摸索的機會，讓問題倒逼學生理論結(jié)合實驗思考如何解決故障，提升自主學習實踐能力。教師在學生完成實驗任務(wù)后，對其實驗數(shù)據(jù)進行驗收，點評反饋實驗完成情況，幫助學生提升實驗能力。在教師驗收完實驗數(shù)據(jù)后，學生完成實驗報告。實驗報告采用電子試卷形式，學生上傳提交實驗數(shù)據(jù)表格的照片或截圖，顯示實驗電路連線以及示波器或其他儀器結(jié)果的照片。

（3）后測

了解該課程是否達到教學目標，即學生在實踐之后是否能充分理解理論、解釋實驗現(xiàn)象。后測通過客觀選擇題進行，除實驗報告外，學生還需完成思考題等實驗總結(jié)部分的內(nèi)容，該部分以客觀選擇題的形式呈現(xiàn)，考查學生掌握實驗操作關(guān)鍵細節(jié)、根據(jù)理論分析實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的能力，引導學生梳理歸納實驗內(nèi)容，加深對理論的理解，強化學生對理論的實驗驗證能力。

（4）小結(jié)

對課程知識點進行階段性總結(jié)，整理實驗數(shù)據(jù)，繪制曲線、波形，完成思考題。在思考題中合理設(shè)置問題，也可起到承上啟下的作用。本次的小結(jié)也是下次的引言，實驗報告中設(shè)置一道與下次實驗相關(guān)的選擇題，作為下一次實驗的引子。

3.課后

教師通過智慧教學工具平臺在線批閱實驗報告，查看試題結(jié)果分析；實驗教學情況及時反饋，可供學生查漏補缺；教師動態(tài)調(diào)整、優(yōu)化教學針對性，持續(xù)改進實驗教學。

●教學過程性評價

過程性評價是實驗課程線上線下融合教學有效性的根本保證和有力抓手，借助雨課堂等智慧教學平臺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能可以實現(xiàn)實驗教學全程數(shù)據(jù)自動收集匯總統(tǒng)計，教師可以專注于考核點設(shè)置、權(quán)重分配，關(guān)注每位學生在實驗學習過程中的具體表現(xiàn)，采取有效策略，保證過程性評價可信度。

過程性評價內(nèi)容包括實驗準備、實驗數(shù)據(jù)采集、實驗總結(jié)、綜合素養(yǎng)等方面，考核標準為：實驗準備（20%），主要考核學生實驗準備情況、理論計算值是否正確、實驗內(nèi)容與步驟是否明確；實驗數(shù)據(jù)采集（55%），主要考核學生實驗操作情況、儀器儀表使用是否熟練、電路搭建與調(diào)試是否合理規(guī)范、實驗結(jié)果是否正確；實驗總結(jié)（15%），主要考核學生理論結(jié)合實際解釋實驗現(xiàn)象與結(jié)果的能力；綜合素養(yǎng)（10%），主要考核學生出勤情況、規(guī)范操作和勞動素養(yǎng)等。

為實現(xiàn)過程評價考核，在實驗數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)依據(jù)實驗任務(wù)設(shè)計若干個考核點，學生逐個完成實驗任務(wù)，通過雨課堂試卷形式上傳實驗數(shù)據(jù)和波形圖像。教師在線同步審閱實驗數(shù)據(jù)和波形圖像進行驗收并評分，如果分數(shù)不達標，學生需重做實驗，允許學生多次實驗并上傳實驗結(jié)果，但分值將逐次加權(quán)（如0.9）。

基于智慧教學平臺實現(xiàn)過程評價考核，可將簽到考勤、課件預習、課堂表現(xiàn)、實驗操作、儀器使用、實驗數(shù)據(jù)整理、思考總結(jié)、綜合素養(yǎng)等方面納入考核范圍，依托智慧教學平臺客觀評分，有效提高學生對實驗課程的重視程度，提高實驗教學的有效性。

●教學實踐

實驗教學的核心在于“實踐”，電工電子基礎(chǔ)實驗課程線上線下融合教學圍繞這一根本原則，除實驗數(shù)據(jù)采集和驗收環(huán)節(jié)學生直接實踐之外，在預習課件、預習測試、實驗報告和總結(jié)測試的內(nèi)容設(shè)置中也充分體現(xiàn)實驗實物圖示、工程案例以及實測數(shù)據(jù)，為學生間接實踐提供支持。筆者認為，實驗課程線上線下融合教學在實踐中應(yīng)關(guān)注以下方面。

一是實驗教學應(yīng)注重運用教學課件，提高實驗教學效率。針對某些僅配備黑板而沒有配備投影等其他電子顯示設(shè)備的實驗室教學環(huán)境，教師和學生可使用手機或各類便攜式計算機終端，借助智慧教學工具平臺實現(xiàn)教學課件交互。在教學課件中除了實驗基本原理的回顧，實驗課的實驗電路、儀器設(shè)備也是講解的重點，通過課件可以將實物圖呈現(xiàn)給學生，講到每一個操作細節(jié)，學生都能即時同步觀看。學生如果聽課有遺漏，可通過課件進行回顧。課件可以詳細歸納總結(jié)實驗原理，與實驗銜接對應(yīng)，也可拓展引申，為學生課前預習完成實驗準備提供支撐。

二是實驗教學應(yīng)注重運用預習測試，提高實驗教學效率。預習測試可采用雨課堂試卷形式，設(shè)置兩道選擇題，測試內(nèi)容瞄準實驗結(jié)果對應(yīng)的理論值，如戴維南定理實驗的開路電壓和等效電阻，或者實驗操作中的關(guān)鍵操作步驟。交卷時間可設(shè)置為兩分鐘，在現(xiàn)場監(jiān)督學生完成。教師可參考測試結(jié)果數(shù)據(jù)，掌握學生的預習情況，進而針對學生的疑點進行簡明扼要的講解，為后續(xù)學生實踐操作做好鋪墊。

三是實驗教學應(yīng)注重運用電子實驗報告，提高實驗教學效益。與紙質(zhì)實驗報告相比，電子實驗報告操作更方便，能呈現(xiàn)的實驗過程細節(jié)內(nèi)容更豐富、批閱更快捷、反饋更及時。實驗數(shù)據(jù)和總結(jié)報告可采用雨課堂試卷的形式實現(xiàn)，統(tǒng)計成績、資料存檔、實驗報告分發(fā)和回收以及教學數(shù)據(jù)管理更高效。需要注意的是，電子實驗報告的分布和回收應(yīng)盡量在課內(nèi)有教師監(jiān)督的情況下完成，將學生作弊的空間壓縮到最小，確保成績評定的公平公正。

四是實驗數(shù)據(jù)采集通常在實驗室現(xiàn)場完成，實驗準備和實驗總結(jié)可以線上方式進行，實驗數(shù)據(jù)采集可根據(jù)實際情況采取口袋實驗室、虛實結(jié)合實驗、遠程在線實物實驗等方式完成；條件不具備的，可先行提供實驗數(shù)據(jù)結(jié)果案例素材讓學生先行間接實踐，實驗數(shù)據(jù)采集隨后擇機完成，應(yīng)盡量避免以虛擬仿真軟件完全代替實際操作。

五是實驗教學應(yīng)注重運用彈性機制，提高實驗教學效率。在學時分配不變的情況下，學生可以在完成必做實驗后繼續(xù)選做實驗，或者在預先完成實驗準備的前提下超前進行其他必做實驗，使實驗進度富有彈性，實驗操作效率大幅提升。

●教學成效