OBE理念下“虛實(shí)結(jié)合”的電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

張帝，周小杰，權(quán)悅，孫雯，國(guó)海，胡福志，丁西明

（安徽科技學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，安徽蚌埠，233100）

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校學(xué)生借助儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)踐性教學(xué)的一種組織形式，通過(guò)將課程所學(xué)理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐，可以提高學(xué)生動(dòng)手能力，培養(yǎng)其工程實(shí)踐能力，是人才培養(yǎng)方案體系中不可或缺的關(guān)鍵教學(xué)環(huán)節(jié)。近些年來(lái)，隨著國(guó)家積極推進(jìn)新工科建設(shè)，對(duì)未來(lái)人才的工程實(shí)踐能力提出了更高要求，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于該能力的培養(yǎng)起到關(guān)鍵性作用。因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的好壞決定新工科人才的培養(yǎng)質(zhì)量。成果導(dǎo)向教育（Outcomes-Based Education，簡(jiǎn)稱(chēng) OBE）是以學(xué)習(xí)產(chǎn)出或者成果為導(dǎo)向并對(duì)整個(gè)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的先進(jìn)教學(xué)理念。即通過(guò)設(shè)定預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)成果，圍繞成果導(dǎo)向?yàn)楹诵膶⑺薪虒W(xué)計(jì)劃和課程內(nèi)容進(jìn)行精心組織和持續(xù)改進(jìn)，讓課程學(xué)習(xí)達(dá)到預(yù)期效果，使得學(xué)生獲得最大能力，從而完成教學(xué)目標(biāo)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[1][2]?；贠BE理念的工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)則有利于培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐結(jié)合的能力，有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高，滿(mǎn)足新工科背景下對(duì)于工程教育的要求以及新時(shí)代新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升[3]。

電路分析實(shí)驗(yàn)是我校電氣工程專(zhuān)業(yè)的的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。其教學(xué)目標(biāo)是在理論教學(xué)基礎(chǔ)上通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)電路理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)運(yùn)用所學(xué)電路基本分析方法對(duì)電路問(wèn)題進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以使學(xué)生能夠得到基本的工程實(shí)踐鍛煉。但是目前傳統(tǒng)的電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)還停留在以教師為主，學(xué)生被動(dòng)模仿老師實(shí)驗(yàn)的階段，缺乏自主實(shí)踐探究能力。因此對(duì)電路分析實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)改革顯得尤為必要。

1 傳統(tǒng)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式已逐漸不能適應(yīng)新工科背景下對(duì)于工程實(shí)踐能力的要求，同時(shí)落后于信息化教學(xué)的發(fā)展，課本上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也過(guò)于陳舊，無(wú)法緊跟技術(shù)前沿，存在諸多客觀問(wèn)題，導(dǎo)致教學(xué)效果逐年下降。通過(guò)在教學(xué)過(guò)程中調(diào)研及與老教師交流發(fā)現(xiàn)，歸納總結(jié)存在問(wèn)題如下：

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，缺乏項(xiàng)目實(shí)踐，教學(xué)內(nèi)容亟待更新

傳統(tǒng)的電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容在不同專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)方案中所占學(xué)時(shí)有所差異，主要包括非線性元件的伏安特性分析、戴維寧定理及其他定理的驗(yàn)證等，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容總體上較為單一且大多數(shù)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，探索性不強(qiáng)，同時(shí)缺乏創(chuàng)新設(shè)計(jì)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要以教師現(xiàn)場(chǎng)講述和演示為主，通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作完成原理性?xún)?nèi)容驗(yàn)證之后，學(xué)生受制于有限的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，往往不會(huì)引發(fā)進(jìn)一步的思考，缺乏進(jìn)一步提高能力的發(fā)揮空間[4]。此外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大都局限于書(shū)本上的內(nèi)容，無(wú)法和實(shí)際的工程應(yīng)用有所聯(lián)系，學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)踐能力無(wú)法得到鍛煉。因此，電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容亟待更新，深刻挖掘?qū)嶒?yàn)內(nèi)容與所學(xué)專(zhuān)業(yè)及工程項(xiàng)目間的內(nèi)在聯(lián)系，在實(shí)驗(yàn)中激發(fā)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐積極性。

1.2 教學(xué)設(shè)施有限，分組實(shí)驗(yàn)較多，獨(dú)立自主有待加強(qiáng)

目前我校電路分析實(shí)驗(yàn)室所使用的的是2015年購(gòu)置的求是教學(xué)儀器設(shè)備，實(shí)驗(yàn)設(shè)施較為老舊。且由于學(xué)校經(jīng)費(fèi)有限，所購(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量為25臺(tái)左右，其中還有部分實(shí)驗(yàn)臺(tái)損壞，每次上課學(xué)生平均人數(shù)為40到50人左右，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中常以2 -3人為一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，無(wú)法做到每個(gè)人獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，常導(dǎo)致一個(gè)小組中只有一個(gè)人做實(shí)驗(yàn)，其他組員在旁圍觀的狀態(tài)。另外，由于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能有限，無(wú)法滿(mǎn)足學(xué)生工程項(xiàng)目實(shí)踐的需求?？傊虒W(xué)設(shè)施的陳舊和落后以及分組實(shí)驗(yàn)限制了對(duì)學(xué)生的獨(dú)立自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，背離高校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)。

1.3 教學(xué)手段單一，信息化教學(xué)不足，有效產(chǎn)出無(wú)法衡量

目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是在固定的實(shí)驗(yàn)教室內(nèi)進(jìn)行，授課老師將提前編制好的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)發(fā)給學(xué)生。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程通常首先由教師講解實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)內(nèi)容，接著教師進(jìn)行相關(guān)儀器操作演示，之后學(xué)生根據(jù)老師的演示過(guò)程和步驟進(jìn)行簡(jiǎn)單模仿和復(fù)制，被動(dòng)的完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試任務(wù)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，均是以教師講授為主學(xué)生被動(dòng)接受的方式進(jìn)行，教學(xué)手段較為單一，學(xué)生在有限的課堂時(shí)間內(nèi)往往不能對(duì)電路中元器件參數(shù)有較為深刻的分析。由于對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的不熟悉在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)因操作不當(dāng)導(dǎo)致電路故障，且不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障，從而影響實(shí)驗(yàn)的效率和結(jié)果。信息化教學(xué)則可以彌補(bǔ)這一不足，并能夠很好衡量和評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)探究能力。

1.4 考核方式落后，問(wèn)題反饋不暢，過(guò)程考核尚需規(guī)范

電路分析實(shí)驗(yàn)課程的考核方式主要是根據(jù)學(xué)生平時(shí)的出勤率和實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況給出評(píng)分?？己朔绞捷^為單一，并沒(méi)有對(duì)學(xué)生的操作過(guò)程和實(shí)驗(yàn)技能進(jìn)行全面綜合的考察和評(píng)價(jià)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題往往也不能及時(shí)反饋給老師，由于老師面對(duì)的學(xué)生較多，且還要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)授課和課堂紀(jì)律，與學(xué)生互動(dòng)交流的時(shí)間十分有限，因此老師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中很難全面掌握每個(gè)人的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，無(wú)法對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)估監(jiān)控，從而做出進(jìn)一步的教學(xué)調(diào)整。師生間缺乏高效的問(wèn)題反饋渠道和互動(dòng)交流空間。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的考核評(píng)價(jià)過(guò)程側(cè)重于結(jié)果評(píng)價(jià)，而缺乏過(guò)程性考核和監(jiān)控。

2 《電路分析》OBE理念實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式設(shè)計(jì)

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)中存在的主要問(wèn)題和矛盾，本文提出了融合OBE理念的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在此模式下建立以仿真預(yù)學(xué)、課上實(shí)驗(yàn)、課后探究為三位一體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)法，不僅可以解決傳統(tǒng)教學(xué)模式出現(xiàn)的問(wèn)題，還能拓寬學(xué)生的專(zhuān)業(yè)視野和加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)技能，變被動(dòng)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)并提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力[5]。具體教學(xué)改革策略如下。

2.1 根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，更新教學(xué)模式

根據(jù)我校對(duì)電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)制定的人才培養(yǎng)方案和既定目標(biāo)，要求學(xué)生在掌握電學(xué)理論知識(shí)的同時(shí)，能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)踐結(jié)合，解決實(shí)際電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題。根據(jù)這一目標(biāo)，在OBE理念下，在已有教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)框架下，優(yōu)化并增添綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，彌補(bǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生探究分析能力的不足。此外可根據(jù)不同學(xué)情的學(xué)生，建立層次化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，既有基礎(chǔ)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，又有學(xué)科相關(guān)的工程實(shí)踐類(lèi)綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生根據(jù)自身情況挑戰(zhàn)不同階次實(shí)驗(yàn)?zāi)K，踐行OBE和工程教育認(rèn)證的先進(jìn)教學(xué)理念。

2.2 增加教學(xué)手段，創(chuàng)新教學(xué)方法，提升教學(xué)質(zhì)量

為了激發(fā)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的積極性和樂(lè)于實(shí)踐的興趣，在充分調(diào)研后，結(jié)合現(xiàn)有教學(xué)條件的不足，創(chuàng)新教學(xué)手段，引入信息化教學(xué)。在實(shí)驗(yàn)課堂外打造虛擬實(shí)驗(yàn)室作為第二課堂。利用學(xué)生電腦安裝電路仿真軟件Multisim，借助虛擬仿真環(huán)境提前搭建實(shí)驗(yàn)電路，在線下實(shí)際操作前就能熟悉實(shí)驗(yàn)原理和過(guò)程。實(shí)驗(yàn)課堂中通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)得的實(shí)際結(jié)果還可與仿真結(jié)果相比較，從而快速定位和發(fā)現(xiàn)電路故障和問(wèn)題。降低調(diào)試電路時(shí)間，從而可更加專(zhuān)注于實(shí)驗(yàn)原理和進(jìn)一步的探究。此外可借助學(xué)習(xí)通、Mooc等線上資源輔助學(xué)生預(yù)習(xí)，課堂考勤，課后學(xué)習(xí)效果記錄與反饋，構(gòu)建OBE理念下虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的全程教學(xué)監(jiān)控和反饋通道[6]。輔助教師及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略和教學(xué)進(jìn)度。

2.3 改善教學(xué)條件，融入工程實(shí)踐，培養(yǎng)工程意識(shí)

因?qū)嶒?yàn)室條件的不足，實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限且大都陳舊，影響實(shí)驗(yàn)效果。因此在我校即將專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的背景下，積極申報(bào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目，通過(guò)項(xiàng)目申請(qǐng)獲取經(jīng)費(fèi)改善相應(yīng)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件。同時(shí)為了培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，還可不定期邀請(qǐng)校外企業(yè)相關(guān)學(xué)科或?qū)I(yè)工程師來(lái)校指導(dǎo)，積極和地方企業(yè)合作，推動(dòng)校企聯(lián)合共建實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入工程實(shí)踐元素，培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)，促進(jìn)以O(shè)BE為導(dǎo)向的工程人才培養(yǎng)。

2.4 以應(yīng)用型人才目標(biāo)為導(dǎo)向，構(gòu)建多元化考核機(jī)制

OBE理念是以結(jié)果為導(dǎo)向進(jìn)行人才培養(yǎng)方案和教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)，因此科學(xué)的教學(xué)評(píng)價(jià)和考核機(jī)制決定了OBE理念教學(xué)的效果。為此打破傳統(tǒng)單一實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核模式，從學(xué)生主體性出發(fā)，注重過(guò)程與結(jié)果相結(jié)合的考核導(dǎo)向，將考核評(píng)價(jià)貫穿實(shí)驗(yàn)全程，如加入對(duì)學(xué)生提前預(yù)學(xué)環(huán)節(jié)的考察，這部分主要可以通過(guò)線上提交仿真實(shí)驗(yàn)作業(yè)進(jìn)行評(píng)價(jià)；另外線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行以及線上考勤均可縮短線下實(shí)驗(yàn)過(guò)程時(shí)間，從而可為教師考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作表現(xiàn)節(jié)省了時(shí)間。最后實(shí)驗(yàn)考試通過(guò)布置綜合性的設(shè)計(jì)項(xiàng)目來(lái)考察學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手能力，實(shí)現(xiàn)多方位的全面考核[7]。

2.5 教學(xué)實(shí)踐實(shí)例

下面以課程中經(jīng)典的基爾霍夫定律實(shí)驗(yàn)為例，對(duì)OBE理念下虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)開(kāi)展進(jìn)行介紹。具體開(kāi)展步驟如圖2所示。

（1）首先在學(xué)習(xí)通上或者通過(guò)QQ群，發(fā)布上課前的課程教學(xué)任務(wù)，即驗(yàn)證基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律。預(yù)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)并引導(dǎo)學(xué)生在各自電腦上安裝Multisim軟件。教師發(fā)布基爾霍夫定律練習(xí)題，學(xué)生上傳軟件安裝成功截圖到學(xué)習(xí)通，從而評(píng)測(cè)學(xué)生預(yù)習(xí)任務(wù)完成情況。

（2）在學(xué)習(xí)通上，給出實(shí)驗(yàn)電路，如圖1所示。標(biāo)出關(guān)鍵檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和電流參考方向，發(fā)布實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和預(yù)期目標(biāo)，將Multisim學(xué)習(xí)資料和資源通過(guò)線上發(fā)布，積極引導(dǎo)學(xué)生在Multisim搭建電路并完成線上實(shí)驗(yàn)。

圖1 基爾霍夫定律實(shí)驗(yàn)電路

（3）在完成線上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在線下實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的內(nèi)容給學(xué)生重點(diǎn)講解基爾霍夫定律實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，總結(jié)學(xué)生線上實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。鼓勵(lì)學(xué)生在線上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上舉一反三，獨(dú)立完成線下實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)的接線和定律驗(yàn)證，增強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合、線上與線下相促進(jìn)、虛擬與實(shí)操相統(tǒng)一的能力。

（4）完成線上線下實(shí)驗(yàn)后，要對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。主要通過(guò)OBE理念布置與本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)性較大的基爾霍夫定律為主題，驗(yàn)證特殊條件下，即含有受控源的情況下，基爾霍夫定律是否滿(mǎn)足，以及該如何驗(yàn)證。線上系統(tǒng)的自動(dòng)記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程占比30%，線下實(shí)驗(yàn)室操作成績(jī)50%、出勤/課堂表現(xiàn)10%、學(xué)生互評(píng)占比10%。綜合評(píng)價(jià)方式多元且能夠保證評(píng)公平有效。

3 實(shí)踐效果

通過(guò)OBE理念建立線上線下的虛實(shí)相結(jié)合的電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，取得了較好的教學(xué)效果。學(xué)生在軟件仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)了Multisim仿真軟件的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上也結(jié)合課堂實(shí)驗(yàn)鞏固實(shí)驗(yàn)原理的理解，了解真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境干擾因素。基于虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的建立和應(yīng)用，學(xué)生具備了基本電路的設(shè)計(jì)和分析能力，具有虛擬環(huán)境與實(shí)際環(huán)境的轉(zhuǎn)換與應(yīng)用能力，滿(mǎn)足虛實(shí)結(jié)合環(huán)境的構(gòu)建目的。

圖2 OBE理念虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)架構(gòu)及開(kāi)展步驟

4 結(jié)語(yǔ)

本文以工程人才培養(yǎng)為目標(biāo)，依托OBE理念構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的電路分析教學(xué)模式，對(duì)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)節(jié)中的設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)融入OBE人才培養(yǎng)理念，著重解決傳統(tǒng)教學(xué)模式中重驗(yàn)證、輕探索的問(wèn)題。通過(guò)改進(jìn)教學(xué)手段和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和考核方式，將線上教學(xué)優(yōu)勢(shì)與線下課堂相結(jié)合，鍛煉學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合，虛擬與實(shí)操相促進(jìn)、過(guò)程與結(jié)果相貫穿的能力。為后續(xù)學(xué)生將電路知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。