“以問題為中心”的“電工學(xué)”課程創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

聶 晶，王洪坤，李宏偉，任 玲，左 靜，劉 晨

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院， 新疆 石河子 832003)

“電工學(xué)”課程是以電路為核心，以電機(jī)應(yīng)用為主線，通過對(duì)電路模型的分析以及電機(jī)設(shè)備的控制、應(yīng)用，使學(xué)生具有解決工程問題所需的電工技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生針對(duì)系統(tǒng)或裝置中的電機(jī)與電器進(jìn)行電路建模、求解以及實(shí)際應(yīng)用變壓器、電動(dòng)機(jī)、繼電接觸控制系統(tǒng)的能力，建立“規(guī)劃”加“積累”的工程設(shè)計(jì)思維，培育腳踏實(shí)地的工程精神，增強(qiáng)具有遠(yuǎn)見的工程規(guī)劃、創(chuàng)新意識(shí)。

課程組近年來(lái)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織、教學(xué)方法等方面進(jìn)行大膽改革，在教學(xué)改革獲得充分認(rèn)可的同時(shí)逐漸認(rèn)識(shí)到，在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，“三低一缺”(即學(xué)生參與度低、學(xué)習(xí)熱情低、實(shí)踐能力低、缺乏研究性學(xué)習(xí))是影響本科教學(xué)質(zhì)量的常見問題[1-3]。針對(duì)“三低一缺”問題，在信息化時(shí)代、國(guó)際化背景、MOOC浪潮下，把新的教學(xué)理念滲透在每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)和過程當(dāng)中[4-5]。改變傳統(tǒng)教學(xué)中“以書本知識(shí)為中心，以教師為中心，以課堂教學(xué)為中心”的現(xiàn)狀，盡力把“教”的優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為學(xué)生“學(xué)”的優(yōu)勢(shì)。突出“以學(xué)生為中心”的課堂主體地位，將教學(xué)觀念的重心轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詥栴}為中心”，將“知識(shí)傳授”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸R(shí)探究”，將“知識(shí)接受”轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳芰ε囵B(yǎng)”[6-8]。借助MOOC、SPOC、雨課堂、雷實(shí)驗(yàn)等現(xiàn)代化教學(xué)工具及手段，用在線學(xué)習(xí)與翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合的形式推動(dòng)教學(xué)模式創(chuàng)新，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)課堂角色定位，使學(xué)生成為知識(shí)探究者，教師成為研究學(xué)習(xí)指導(dǎo)者。教學(xué)方法以相關(guān)問題背景設(shè)計(jì)為主[9-10]，采用“以問題為導(dǎo)向的教”和“以問題為導(dǎo)向的學(xué)”的翻轉(zhuǎn)課堂組織形式，引導(dǎo)學(xué)生開展主動(dòng)探究，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人。在理論教學(xué)的同時(shí)引入分階課堂實(shí)踐，理論與實(shí)踐并重，強(qiáng)化課堂教學(xué)的針對(duì)性，按照不同類型學(xué)習(xí)者的不同需要，創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)評(píng)價(jià)體系，構(gòu)建多元化的學(xué)習(xí)空間，建立知識(shí)探究、能力培養(yǎng)、價(jià)值塑造“三位一體”的教學(xué)模式。

一、“電工學(xué)”課程教學(xué)的“痛點(diǎn)”問題

課程教學(xué)質(zhì)量調(diào)查問卷以及往屆學(xué)生反饋意見顯示，學(xué)生學(xué)習(xí)“電工學(xué)”課程存在以下“痛點(diǎn)”問題：(1)課堂教學(xué)中以灌輸知識(shí)為目的的“記憶式學(xué)習(xí)”特征明顯，教師的知識(shí)輸出效率不高，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，課堂參與度低，主動(dòng)性不夠，學(xué)習(xí)熱情不高；(2)課堂教學(xué)重知識(shí)、輕能力，缺乏相應(yīng)的高階研究性學(xué)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生的創(chuàng)新、拓展能力不足，教學(xué)針對(duì)性不強(qiáng)，沒有根據(jù)不同學(xué)生學(xué)習(xí)需求進(jìn)行教學(xué)評(píng)價(jià)體系的區(qū)分設(shè)置，學(xué)生缺乏自我激勵(lì)，學(xué)習(xí)興趣不高；(3)課堂缺少實(shí)際工程問題的引入，理論與實(shí)踐聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生普遍缺少實(shí)踐鍛煉的機(jī)會(huì)，不能將課程所學(xué)知識(shí)及時(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐應(yīng)用；(4)評(píng)價(jià)方式較為簡(jiǎn)單，缺乏真實(shí)、多元的過程性評(píng)價(jià)，對(duì)學(xué)生的激勵(lì)不明顯，不能調(diào)動(dòng)學(xué)生課程學(xué)習(xí)的主動(dòng)性；(5)課程教學(xué)過程中缺乏現(xiàn)代化教學(xué)工具及手段的應(yīng)用，教師對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的把控不夠全面。

二、教學(xué)流程設(shè)計(jì)

教學(xué)流程由課前、課堂、課后三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)，采用在線學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂、課后評(píng)價(jià)反饋相結(jié)合的形式，提高課堂教學(xué)效率，使學(xué)生重新建構(gòu)學(xué)習(xí)流程。教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 教學(xué)流程圖

(一)課前教學(xué)設(shè)計(jì)

學(xué)生在課前利用慕課及SPOC平臺(tái)觀看教師講解的視頻，并通過學(xué)習(xí)任務(wù)表明確自己在課前階段預(yù)習(xí)的能力目標(biāo)。任務(wù)表的設(shè)計(jì)是階段化的，針對(duì)學(xué)生不同階段能力狀況以及課程整體內(nèi)容學(xué)習(xí)難度和特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，幫助和引導(dǎo)學(xué)生利用慕課資源和SPOC平臺(tái)進(jìn)行知識(shí)內(nèi)容預(yù)習(xí)，歸納、總結(jié)知識(shí)點(diǎn)，提煉問題，著重培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)挖掘能力、歸納總結(jié)能力、知識(shí)運(yùn)用能力。

(二)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

在線下課堂教學(xué)之前，課程組教師通過SPOC平臺(tái)數(shù)據(jù)提前了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，分析學(xué)生課前預(yù)習(xí)狀況、每堂課內(nèi)容和難度、預(yù)估學(xué)生接受情況，從而確定每堂課的具體授課方式，其課堂任務(wù)、能力培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)重點(diǎn)與預(yù)習(xí)任務(wù)表相呼應(yīng)，具有相同的階段性。

課堂教學(xué)由課前回顧、解決問題、知識(shí)深化、總結(jié)歸納等環(huán)節(jié)組成。通過課前回顧加深學(xué)生對(duì)線上預(yù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)的理解，采取“以問題為中心”的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式有針對(duì)性地進(jìn)行動(dòng)態(tài)課堂組織，并根據(jù)學(xué)生情況對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行理論和應(yīng)用兩方面的拓展，采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式，利用小組合作及項(xiàng)目探究解決教師課上提出的問題，通過總結(jié)歸納幫助學(xué)生進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)圖

(三)課后教學(xué)設(shè)計(jì)

課后，學(xué)生總結(jié)課內(nèi)討論的若干問題和知識(shí)點(diǎn)，整理相互之間的邏輯關(guān)系，將課內(nèi)知識(shí)用自己理解的方式重新整合，繪制知識(shí)脈絡(luò)圖；完成SPOC平臺(tái)與知識(shí)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的習(xí)題或部分筆頭作業(yè)；基于已經(jīng)完成課堂討論的內(nèi)容進(jìn)行電路仿真和研究型實(shí)驗(yàn)電路搭接；對(duì)遇到的問題及學(xué)習(xí)效果在SPOC平臺(tái)和同學(xué)、教師進(jìn)行討論，進(jìn)行反饋和評(píng)價(jià)，促進(jìn)教學(xué)持續(xù)改進(jìn)。學(xué)生課后學(xué)習(xí)流程如圖3所示。

圖3 學(xué)生課后學(xué)習(xí)流程圖

三、教學(xué)過程中的“個(gè)性化”及“高階性”教學(xué)設(shè)計(jì)

依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)需求對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)表、課堂實(shí)踐、仿真訓(xùn)練、考核評(píng)價(jià)進(jìn)行區(qū)分設(shè)置，滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，在翻轉(zhuǎn)課堂和PBL課堂訓(xùn)練中設(shè)置層次遞進(jìn)的分階討論和項(xiàng)目，通過高階學(xué)習(xí)項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，進(jìn)行自我激勵(lì)。教學(xué)過程中的“個(gè)性化”及“高階性”教學(xué)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 教學(xué)過程中的“個(gè)性化”及“高階性”教學(xué)設(shè)計(jì)圖

課程組教師根據(jù)學(xué)生的課前預(yù)習(xí)情況對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂的問題討論及PBL課堂訓(xùn)練項(xiàng)目進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，討論問題前后有銜接，訓(xùn)練項(xiàng)目難度遞進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)通過難度遞增不斷激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的目的。翻轉(zhuǎn)課堂的問題討論以及課堂實(shí)踐和仿真訓(xùn)練項(xiàng)目主要基于基礎(chǔ)學(xué)習(xí)任務(wù)，以滿足所有同學(xué)的學(xué)習(xí)需求，設(shè)計(jì)有少量根據(jù)高階學(xué)習(xí)任務(wù)凝練的問題，以滿足學(xué)生對(duì)高階知識(shí)的需求，同時(shí)帶動(dòng)其他同學(xué)產(chǎn)生主動(dòng)思考，形成創(chuàng)新思維。在考核評(píng)價(jià)時(shí)，賦予學(xué)生自主選擇的權(quán)利，學(xué)生可根據(jù)自身對(duì)知識(shí)的掌握情況以及所具備的實(shí)踐能力，選擇相應(yīng)難度等級(jí)的考核項(xiàng)目(針對(duì)不同難度等級(jí)，教師界定相應(yīng)的賦分標(biāo)準(zhǔn))。

四、課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

將實(shí)物搭接與虛擬儀器、電路仿真相結(jié)合，設(shè)計(jì)與理論教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合的課內(nèi)實(shí)踐項(xiàng)目[11-12]。實(shí)踐訓(xùn)練內(nèi)容側(cè)重探索性和實(shí)用性[13-15]，學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的電路和方案，對(duì)相關(guān)理論學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證，在掌握一定實(shí)踐技巧和經(jīng)驗(yàn)后，采用PBL的方法設(shè)計(jì)出具有一些實(shí)際功能的電路。

將翻轉(zhuǎn)課堂課前自主學(xué)習(xí)、課堂討論內(nèi)化模式引入實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在基礎(chǔ)層面上實(shí)現(xiàn)理實(shí)一體化。采用混合式教學(xué)模式拓展學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練的時(shí)空范圍，使學(xué)生將課程所學(xué)知識(shí)及時(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐應(yīng)用。實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，采用逐層推進(jìn)模式，起初以驗(yàn)證性實(shí)踐引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)、操作、報(bào)告撰寫等，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣，掌握基本技能。隨后進(jìn)入第二層次，驗(yàn)證性實(shí)踐設(shè)計(jì)化，教師提供基本條件、要求，學(xué)生根據(jù)任務(wù)自行設(shè)計(jì)內(nèi)容、步驟，最后以項(xiàng)目式實(shí)踐引導(dǎo)學(xué)生形成整體設(shè)計(jì)思想。課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)圖

五、建立多元化的課程評(píng)價(jià)體系

課程評(píng)價(jià)體系由平時(shí)成績(jī)和測(cè)試成績(jī)兩個(gè)大的部分組成。平時(shí)成績(jī)由線上及線下兩部分組成，線上各部分學(xué)習(xí)任務(wù)注重“典型性”和“時(shí)效性”，力求做到“少而精”，既能促進(jìn)學(xué)生自主探究，又盡量不要過多增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。線上預(yù)習(xí)和課后作業(yè)、拓展部分由學(xué)生借助SPOC平臺(tái)完成，課堂測(cè)試和回答問題由學(xué)生借助“雨課堂”隨堂完成，教師根據(jù)“雨課堂”導(dǎo)出數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)生的線上課堂成績(jī)予以評(píng)定，根據(jù)SPOC平臺(tái)中學(xué)生的視頻學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)、預(yù)習(xí)任務(wù)表完成度、預(yù)習(xí)測(cè)試及單元測(cè)試結(jié)果、提出問題合理性、仿真電路的功能性、課后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及波形的合理性評(píng)定學(xué)生的線上課外學(xué)習(xí)成績(jī)。線下各部分學(xué)習(xí)任務(wù)注重學(xué)生學(xué)習(xí)的“互動(dòng)性”和“高階性”，通過學(xué)生之間的交流、討論、協(xié)作，促進(jìn)學(xué)生個(gè)體之間的相互學(xué)習(xí)。

測(cè)試成績(jī)包括理論考試和實(shí)踐考試兩部分，理論考試注重基礎(chǔ)知識(shí)考核，試題選擇力求做到“開放性”，靈活性較高，以利于學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)的掌握情況靈活作答，但理論考試采取強(qiáng)制達(dá)標(biāo)，督促學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。實(shí)踐考試重點(diǎn)體現(xiàn)出“個(gè)性化”和“區(qū)分度”，學(xué)生可根據(jù)自身的知識(shí)掌握情況，自主選擇實(shí)踐考試的類型和難度，體現(xiàn)出“差異性”。課程評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 課程評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)圖

六、實(shí)施效果

(一)課堂效率提升明顯，課堂氣氛活躍

“電工學(xué)”課程創(chuàng)新教學(xué)模式實(shí)施后，在課堂時(shí)間里的預(yù)習(xí)任務(wù)單匯報(bào)、小組討論、發(fā)言、提問、電路仿真、分組實(shí)踐、課堂測(cè)試各個(gè)環(huán)節(jié)，幾乎所有學(xué)生全程都處在較為活躍的狀態(tài)。

為了及時(shí)掌握學(xué)生的感受和想法，課程組在期中考試結(jié)束后進(jìn)行了問卷調(diào)查。問卷共設(shè)計(jì)了6大類(總體時(shí)間安排、課堂、實(shí)驗(yàn)、教學(xué)內(nèi)容、整體收獲、改進(jìn)建議)、19個(gè)問題，以下是2020年春季學(xué)生對(duì)一些典型問題的代表性反饋(見圖7)。

圖7 學(xué)生問卷調(diào)查典型問題反饋

(二)研究性學(xué)習(xí)蔚然成風(fēng)

學(xué)生可以通過“雨課堂”在課上及時(shí)提出問題、反饋問題，課下通過SPOC的線上論壇以及QQ群和微信群繼續(xù)在線上進(jìn)行討論、交流，有了教師在課上及課下的及時(shí)引導(dǎo)，學(xué)生不再僅僅滿足于應(yīng)付作業(yè)或者考試，而是對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容有了更深入的研究性思考。例如，在原來(lái)的“電工學(xué)”課程中，僅僅要求學(xué)生了解繼電器的電路結(jié)構(gòu)與動(dòng)作特點(diǎn)，但是學(xué)生在論壇中，從不同類型繼電器的動(dòng)態(tài)參數(shù)展開討論，逐步深入到繼電器在動(dòng)態(tài)工作時(shí)輸入信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)的相互配合。雖然受限于知識(shí)積累，對(duì)很多問題依舊一知半解，但相信這種探究的精神，以及對(duì)相關(guān)知識(shí)的存疑，對(duì)于后續(xù)的學(xué)習(xí)將是大有裨益。

(三)學(xué)生探索、實(shí)踐能力提高

部分同學(xué)在興趣的指引下除了規(guī)定的實(shí)驗(yàn)之外，還自行設(shè)計(jì)并搭建完成了臺(tái)燈充電電池、光伏電池板充電器、Led顯示盤、調(diào)壓電源、藍(lán)牙音箱放大器、顏色識(shí)別分揀電路等實(shí)際電路。這些實(shí)際功能電路的實(shí)現(xiàn)需要包括電路圖、電路仿真、實(shí)際電路制作和產(chǎn)品封裝等要素，絕大多數(shù)是學(xué)生課外探索獲取的知識(shí)和技能。學(xué)生的學(xué)習(xí)空間不再局限于課堂，通過線上、線下的結(jié)合，課后實(shí)踐的拓展，使學(xué)生逐步形成、適應(yīng)了多元化的學(xué)習(xí)空間。

(四)團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)的新學(xué)習(xí)方式初步形成

通過課堂互動(dòng)討論和在線論壇形式，以及教師采取多樣化、動(dòng)態(tài)化評(píng)價(jià)方式，更加重視團(tuán)隊(duì)協(xié)作、互助、互學(xué)等一系列舉措，引導(dǎo)學(xué)生逐步形成團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)的新的學(xué)習(xí)方式，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，而且縮小了學(xué)生之間的學(xué)習(xí)差距。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，“電工學(xué)”課程的成績(jī)離散度優(yōu)于其他課程，從而證明這種團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)對(duì)縮小學(xué)習(xí)差距具有積極的意義。

七、教學(xué)反思

在教學(xué)團(tuán)隊(duì)的集體努力下，從課程的學(xué)習(xí)氛圍、教學(xué)質(zhì)量、學(xué)習(xí)效果、師生溝通等方面均取得了令人相當(dāng)滿意的結(jié)果。從學(xué)期結(jié)束后對(duì)學(xué)生的調(diào)查問卷情況來(lái)看，學(xué)生認(rèn)為通過課程對(duì)自己幫助改進(jìn)最大的前三位分別是：分析問題能力、學(xué)習(xí)規(guī)劃能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。但是在改革過程中也發(fā)現(xiàn)了不少問題，這些問題同時(shí)也將成為我們未來(lái)展望、努力的方向。

(一)全新模式對(duì)學(xué)生投入時(shí)間和精力有高要求

學(xué)生課前預(yù)習(xí)投入不夠?qū)?duì)教學(xué)過程、培養(yǎng)質(zhì)量有明顯的負(fù)面影響。后續(xù)，課程組將根據(jù)學(xué)生學(xué)時(shí)情況調(diào)整翻轉(zhuǎn)程度，利用信息化教學(xué)工具進(jìn)行輕量級(jí)混改，針對(duì)不同情況開展差異化教學(xué)實(shí)施方案，真正將“以問題為中心的教與學(xué)”貫徹到底。

(二)量變到質(zhì)變需要時(shí)間和體系支持

通過全新教學(xué)模式的實(shí)施，學(xué)生在預(yù)習(xí)、課后等自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)雖然較從前有較大改善，且正在往越來(lái)越好的方向走，對(duì)學(xué)生而言實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)?shù)牧孔?。但是畢竟持續(xù)時(shí)間短，若要將短期成果轉(zhuǎn)化為固有成果，需要有更多課程來(lái)共同實(shí)施努力，方能達(dá)到量變到質(zhì)變的效果和目的。

另外，需要特別注意的是，實(shí)踐環(huán)節(jié)同教學(xué)環(huán)節(jié)相輔相成，必須深度融合才能達(dá)到增強(qiáng)學(xué)生工程能力，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的目的。