《印制電路板設(shè)計(jì)》課程的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式研究

孫罡+余振中+趙國(guó)樹+楊忠

摘要：《印制電路板設(shè)計(jì)》是自動(dòng)化一門培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的課程，本文探究了該課程基于翻轉(zhuǎn)課堂的新型教學(xué)模式，制定了翻轉(zhuǎn)課堂的具體實(shí)施過程，并在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行了評(píng)估。實(shí)踐結(jié)果表明該教學(xué)模式能有效提高學(xué)生的參與度和自信心，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，更有利于教師因材施教，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：印制電路板；教學(xué)模式；翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）39-0087-02

一、引言

近年來隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展以及智能制造2025、工業(yè)4.0概念的推廣，各類新型智能工業(yè)設(shè)備和消費(fèi)電子產(chǎn)品層出不窮。作為智能系統(tǒng)和智能芯片的物理載體，印制電路板也得到了廣泛應(yīng)用，其在集成密度和可靠性等方面對(duì)設(shè)計(jì)者和加工工藝都提出了較高的要求。《印制電路板設(shè)計(jì)》作為自動(dòng)化和儀器儀表等專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，旨在培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)和加工的能力。本課程以AltiumDesinger軟件為主體，介紹PCB的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)、PCB設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)技巧等內(nèi)容，通過學(xué)習(xí)學(xué)生可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)電路原理圖和印刷電路板的設(shè)計(jì)，為今后在工作中的實(shí)際應(yīng)用打下較為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、現(xiàn)有教學(xué)模式存在的問題

《印制電路板設(shè)計(jì)》包括理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩大部分，理論教學(xué)中除了PCB相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)外，主要講授的是AltiumDesinger軟件的使用方法，而實(shí)踐教學(xué)主要是指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行原理圖和PCB的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)授課方法在教學(xué)實(shí)踐中存在以下問題。

1.教學(xué)模式中過度地以教師為中心，學(xué)生參與程度低。通常先由教師對(duì)知識(shí)點(diǎn)邊講解邊操作，隨后交由學(xué)生重復(fù)之前的操作過程。這種模式下學(xué)生缺乏對(duì)操作步驟的理性認(rèn)識(shí)，容易出現(xiàn)遺忘，更談不上因材施教，不利于學(xué)生個(gè)性的發(fā)展。

2.實(shí)踐過程中師生互動(dòng)較少，這樣很不利于教師抓住教學(xué)過程中真正的難點(diǎn)。

3.課后時(shí)間沒有得到充分利用。課后學(xué)生缺乏監(jiān)管，大部分無法做到主動(dòng)預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)鞏固。軟件應(yīng)用類課程的作業(yè)多為電子文件格式，抄襲非常容易，無法引起學(xué)生的重視。

4.課程考核方式不合理?，F(xiàn)仍有部分軟件應(yīng)用類課程采用試卷考核的方式，這與應(yīng)用型課程的初衷相違背。課程考查的應(yīng)是學(xué)生的操作技能，而不是死記硬背指令和菜單。

因此，需要對(duì)應(yīng)用型軟件設(shè)計(jì)類課程進(jìn)行教學(xué)模式上的探索與改革，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高授課效率。

三、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式及可行性研究

翻轉(zhuǎn)課堂源自2007年兩位美國(guó)科羅拉多州鄉(xiāng)村化學(xué)教師，在這種模式下，教師將學(xué)習(xí)過程由小組學(xué)習(xí)空間轉(zhuǎn)移到個(gè)人學(xué)習(xí)空間中進(jìn)行。教師通過各種途徑制作授課視頻供學(xué)生在課外完成知識(shí)的學(xué)習(xí)，而課堂變成了老師學(xué)生之間和學(xué)生與學(xué)生之間互動(dòng)的場(chǎng)所。教師由知識(shí)的傳授者變成了學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者和督促者，課堂的主角由教師變成了學(xué)生，教師更多時(shí)間是在指引學(xué)生自己解決問題。本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用設(shè)計(jì)能力，完全可以將翻轉(zhuǎn)課堂模式與之相結(jié)合。首先，該課程并沒有涉及到太多的專業(yè)理論知識(shí)，難度較低。AltiumDesinger軟件的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源也比較多，因此具有一定電路基礎(chǔ)的學(xué)生完全可以通過看書或者視頻課程進(jìn)行自學(xué)。其次，PCB制作過程中比較重要的環(huán)節(jié)就是走線和優(yōu)化，很大程度上依靠設(shè)計(jì)者自身的經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)學(xué)生面對(duì)的問題都不相同，這個(gè)環(huán)節(jié)比較適合師生之間一對(duì)一的輔導(dǎo)，而翻轉(zhuǎn)課堂的課內(nèi)實(shí)踐環(huán)節(jié)可以解決這個(gè)問題。綜上，在《印制電路板設(shè)計(jì)》這門課程中使用翻轉(zhuǎn)課堂模式是可行的。

四、翻轉(zhuǎn)課堂模式下的教學(xué)安排

課前學(xué)習(xí)階段中，教師制作和收集學(xué)習(xí)資源，完成資源的發(fā)放并布置習(xí)題。而學(xué)生的任務(wù)則是對(duì)學(xué)習(xí)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)，充分理解各知識(shí)點(diǎn)，最后完成習(xí)題。學(xué)習(xí)資源越精華，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解越透徹，后期遇到問題的概率就越低。習(xí)題應(yīng)緊密圍繞授課內(nèi)容，教師通過批改習(xí)題了解學(xué)生的對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，并據(jù)此準(zhǔn)備課堂互動(dòng)內(nèi)容。

課中階段，教師針對(duì)習(xí)題反映出來的問題進(jìn)行講解，學(xué)生將自學(xué)過程中遇到的問題向教師請(qǐng)教。這種針對(duì)具體問題的講解可以解決學(xué)生在求知方面的迫切需要，因材施教提高學(xué)生的理解能力和創(chuàng)新能力。隨后教師可布置適合當(dāng)堂課完成的小題目令學(xué)生分組完成，期間教師對(duì)學(xué)生的完成過程進(jìn)行監(jiān)督，通過觀察及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題并糾正。本課程中會(huì)準(zhǔn)備一些與授課內(nèi)容相關(guān)的作圖任務(wù)，考查學(xué)生對(duì)操作流程和相關(guān)技術(shù)手段的了解程度。

當(dāng)堂課后，學(xué)生總結(jié)課堂內(nèi)容，對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行鞏固回顧，還要撰寫相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，如仍有不明白的地方可以繼續(xù)聯(lián)系教師求解。

期末通過制作PCB實(shí)物的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自身愛好自擬題目，鼓勵(lì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。加工實(shí)物體現(xiàn)了教師對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握程度的信任，這種信任反過來也督促著學(xué)生加深對(duì)課程的重視程度，是一個(gè)相互促進(jìn)的過程。

五、教學(xué)實(shí)例及分析

1.授課視頻制作。整個(gè)視頻以軟件操作界面為主，配以講解。首先由實(shí)際的制圖需求引出為何需要自定義元器件符號(hào)，然后以89C51單片機(jī)為例，教授學(xué)生如何根據(jù)元器件手冊(cè)確定器件引腳個(gè)數(shù)和定義。接著，在AltiumDesinger中新建一個(gè)器件符號(hào)，完成器件體符號(hào)和引腳的繪制，并根據(jù)器件手冊(cè)對(duì)各個(gè)引腳名稱進(jìn)行修改。最后將新繪制的符號(hào)保存在元器件符號(hào)庫(kù)中，并在原理圖中驗(yàn)證新建符號(hào)是否能被調(diào)用。習(xí)題則選用了若干常用電子芯片的手冊(cè)，讓學(xué)生對(duì)元器件的原理圖符號(hào)進(jìn)行繪制，所有元器件符號(hào)打包在一個(gè)元器件符號(hào)庫(kù)中，最終上交的是庫(kù)文件。

2.教學(xué)資源發(fā)布。將視頻和習(xí)題上傳至授課班級(jí)的QQ群中，文件下載次數(shù)統(tǒng)計(jì)可以一定程度上幫助教師了解學(xué)生的進(jìn)度。經(jīng)多次實(shí)測(cè)，通常文件上傳后第二天的下載量達(dá)到最大，因此教師需要在授課前3—4天將教學(xué)資源上傳。

3.課前知識(shí)學(xué)習(xí)。學(xué)生對(duì)視頻等資料進(jìn)行學(xué)習(xí)，完成習(xí)題并在指定時(shí)間內(nèi)上傳至QQ群中。該過程中，對(duì)于自己暴露出來的問題，可以通過其他途徑自己解決，也可以記錄下來在課堂上向教師詢問。教師則要根據(jù)習(xí)題完成情況，對(duì)普遍問題進(jìn)行備課講解，個(gè)性問題則記錄下學(xué)生的名字單獨(dú)講解。本次習(xí)題中反映出來的一個(gè)普遍問題是：學(xué)生容易弄混引腳“標(biāo)識(shí)號(hào)”和“顯示名稱”這兩個(gè)屬性。endprint

4.課中知識(shí)內(nèi)化。課堂上就習(xí)題中反映出來的問題進(jìn)行講解，時(shí)間充足的情況下習(xí)題中的個(gè)別問題也可以和學(xué)生們一起分享，并接受學(xué)生的舉手提問。鑒于此前學(xué)生已經(jīng)學(xué)過如何繪制電路圖這一過程，后半堂課令學(xué)生分組完成含有陌生器件電路圖的繪制任務(wù)，一方面鞏固復(fù)習(xí)上堂課的知識(shí)，一方面令其體會(huì)本堂課內(nèi)容在實(shí)際項(xiàng)目中是如何應(yīng)用的。期間，教師對(duì)學(xué)生的繪圖過程進(jìn)行監(jiān)督和指導(dǎo)，并為學(xué)生答疑解惑。

5.課后交流互動(dòng)。課后學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用過程中會(huì)遇到各類相關(guān)問題，這些問題并不局限于當(dāng)堂課的內(nèi)容，都可以及時(shí)和老師進(jìn)行溝通。教師回復(fù)的越及時(shí)，學(xué)生提問的積極性就越高，從而形成良性循環(huán)。

通過總結(jié)教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生反饋，提高了教學(xué)效率。有了學(xué)習(xí)資源，學(xué)生可以選擇自己狀態(tài)最好的時(shí)刻學(xué)習(xí)，主動(dòng)式學(xué)習(xí)能明顯增強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解和吸收，一定程度上實(shí)現(xiàn)了因材施教。學(xué)生在自學(xué)過程中，將各自碰到的問題記錄下來尋求教師的幫助，每一個(gè)問題都體現(xiàn)出了學(xué)生獨(dú)特的個(gè)性。教師在解決這里每一個(gè)問題的時(shí)候其實(shí)就是在因材施教，通常來說這種思考很久未果，而得到別人指點(diǎn)后想通的知識(shí)點(diǎn)通常都會(huì)有比較深刻的記憶，降低學(xué)生厭學(xué)情緒。整個(gè)學(xué)習(xí)過程當(dāng)中是以學(xué)生為中心，期間學(xué)生接觸最多的是學(xué)習(xí)資料和同學(xué)，而教師充當(dāng)?shù)氖菍W(xué)習(xí)助手的角色。角色的轉(zhuǎn)變拉近了師生的距離，使得一些比較內(nèi)向的學(xué)生從不敢問變成主動(dòng)問。有問題能夠及時(shí)得到解決，大大降低了學(xué)習(xí)中的挫折感。

六、總結(jié)

本文將《印制電路板設(shè)計(jì)》課程和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式相結(jié)合，在教學(xué)實(shí)踐中取得了良好的效果。雖然翻轉(zhuǎn)課堂在形式上實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)簡(jiǎn)單，但是具體細(xì)節(jié)還有很多值得推敲的地方，學(xué)生的多樣性使得翻轉(zhuǎn)課堂每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)受人為不確定因素的影響，因此還需要廣大教育工作者們繼續(xù)探索和完善。

參考文獻(xiàn)：

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