基于強化學習腦機制的電工學教學設(shè)計與實踐

李志輝，龐雅靜，毛曉波

（鄭州大學，鄭州 450001）

電工學課程是高等院校中為非電類專業(yè)開設(shè)的唯一一門系統(tǒng)學習電學知識的技術(shù)基礎(chǔ)課程，對于提高非電類學生科學素養(yǎng)和用電能力具有重要作用。課程內(nèi)容涵蓋了電路理論、電機及傳動控制、電工測量、安全用電、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)等多門專業(yè)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容，學科交叉性強、理論與實踐性結(jié)合要求高，學生專業(yè)分布廣，導(dǎo)致在電工學教學實踐中，學生不易理解覺得枯燥、學習積極性不高、實驗效果不佳、與工科其他專業(yè)課程結(jié)合性不強等問題。為了適應(yīng)當前新工科“厚基礎(chǔ)、寬口徑、重實踐、強能力、高素質(zhì)”的培養(yǎng)需求，電工學課程教學應(yīng)當以工程應(yīng)用能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，激發(fā)學生主動學習興趣，掌握扎實的電工學知識，培養(yǎng)非電工科專業(yè)學生的創(chuàng)新思維和動手實踐解決電磁路實際問題的能力，促進學生知識、能力和素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展[1-2]。如何使學生“樂意學”“主動學”是達成這一目標的關(guān)鍵。

腦科學時代的到來為現(xiàn)代教育提出了新的要求，而腦科學研究的進展為塑造學生的學習動機提供了新的思路[3]。腦科學研究證據(jù)表明大腦的學習過程是一個受多巴胺驅(qū)動的、由內(nèi)部動機和外在反饋共同作用的強化學習過程，及時恰當?shù)膹娀答亴τ谛袨樗茉炀哂兄匾饔肹4-5]。受大腦強化學習的腦機制啟發(fā)，在電工學課程教學過程中，針對不同教學內(nèi)容和學生程度，可以分層次設(shè)計教學模式和強化方式，結(jié)合多種不同形式的強化反饋，充分激發(fā)學生的主動學習動機，實現(xiàn)從“教師教”到“學生學”的根本轉(zhuǎn)變。

近年來國內(nèi)外高校將“互聯(lián)網(wǎng)+”引入傳統(tǒng)電工學課堂教學和考核，在線開放課程、MOOC、SPOC、翻轉(zhuǎn)課堂等新的教學形式與傳統(tǒng)的線下教學相結(jié)合，催生了線上線下混合式教學新模式，為從以老師、課堂為中心的被動學習模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W習者為中心的主動學習模式提供了操作平臺[6-7]，非常便于設(shè)計靈活多樣的強化反饋方式。因此，本文基于強化學習腦機制，利用混合式教學平臺，設(shè)計了多種形式的教學方式和層次化強化反饋機制，以期充分發(fā)揮線上線下混合式教學模式優(yōu)勢、打造能夠充分激發(fā)學生主動學習興趣、培養(yǎng)學生綜合能力和工程素養(yǎng)的電工學金課。

一、強化學習腦機制揭示了不同的強化模式對學習效果的影響，對于教學設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義

人與動物等智體的學習過程主要是以“試錯”的方式進行的，即通過與環(huán)境進行交互獲得的回報（強化物）來指導(dǎo)行為。這種依賴于即時與未來回報來塑造行為動機的學習方式稱為強化學習[8]。如圖1 所示，在強化學習過程中，智體在不同的狀態(tài)下，根據(jù)對不同行為選項的預(yù)期回報，選擇特定行為，獲得環(huán)境給予的回報反饋并進入到下一個狀態(tài)。如果所獲回報的收益超過預(yù)期、或者該行為能夠進入到獲得更大回報的后續(xù)狀態(tài)，則該行為選項被強化，未來選擇該行為的幾率增大，反之則減小。特定行為的塑造依賴于強化物的反饋，生物基于趨利避害的本能來增加或避免特定行為。強化物不僅僅是外部的物質(zhì)回報，也包括情緒、喜好、好奇等內(nèi)部心理因素。

圖1 基于試錯的強化學習框架

強化學習腦機制研究闡明了生物大腦學習的基本原理。大量神經(jīng)科學研究結(jié)果表明，多巴胺是讓人產(chǎn)生行為動機的關(guān)鍵神經(jīng)遞質(zhì)，其產(chǎn)生由內(nèi)部動機與外部回報交互決定。在大腦的獎賞通路中，中腦多巴胺神經(jīng)元在強化學習中起重要作用，當獲得的回報好于預(yù)期時，多巴胺神經(jīng)元會被激活；反之則會被抑制。多巴胺分泌時能夠帶來愉悅效應(yīng)，起到了關(guān)聯(lián)獎勵與當前行為的強化作用，增強我們學習的興趣。而當多巴胺缺失時，則會令人覺得索然無味。最新研究發(fā)現(xiàn)稀有獎勵在學習過程中能夠放大多巴胺神經(jīng)元反應(yīng)，一成不變的強化方式會導(dǎo)致多巴胺分泌減少，大腦喜歡新鮮感和需要多樣化的強化方式。強化回報的呈現(xiàn)模式對于提高學習任務(wù)的習得速度及其穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用，強化時機、大小和頻率等因素對學習效果具有顯著影響[9-10]。從塑造學習動機的角度來看，強化學習的腦機制可以總結(jié)為三點：（1）在學習初期，正向強化的時機應(yīng)該在正確行為后及時給予，從而維持其學習動機；（2）采用隨機稀疏的正向強化方式更容易激發(fā)學習興趣，保持學習的新鮮感；（3）在學習的后期，給予較大幅度和概率的正向強化，能夠?qū)φ麄€學習過程進行強化，體現(xiàn)學習的常用價值。上述強化學習的腦機制啟示我們，可以在教學過程中，通過科學設(shè)計適宜的強化模式，來塑造學生主動學習的動機，從而提升教學效果。

二、基于強化學習腦機制，以學生角度切入，設(shè)計了遵循“感受認知→理論理解→仿真領(lǐng)會→實驗驗證→實訓拓展”遞進式強化原則的電工學混合式教學模式

在生物強化學習的腦機制啟發(fā)下，采用及時強化、隨機強化和長遠強化等多種強化學習原理，設(shè)計了電工學線上線下混合式教學模式，如圖2 所示。

圖2 電工學線上線下混合式教學模式

電工學混合式教學模式以學生角度切入設(shè)計，對于各章節(jié)的教學內(nèi)容，遵循“感受認知→理論理解→仿真領(lǐng)會→實驗驗證→實訓拓展”的階段流程進行，在不同學習階段采用不同的強化模式。前四個階段屬于掌握基礎(chǔ)知識，強化的目的主要在于激發(fā)興趣、塑造良好的學習習慣，強化模式主要采用即時回報；最后的“實訓拓展”階段則屬于知識應(yīng)用階段，通過實踐應(yīng)用來讓學生體會“學以致用”的成就感，激發(fā)其主動深入學習動力、塑造其未來服務(wù)社會的價值觀。

各階段教學強化設(shè)計思路要點具體如下。

1.感受認知（課前、線上）

按照強化學習原理，新穎直觀的感受容易激發(fā)探索和學習的興趣，所以第一階段利用電工學教學網(wǎng)站所提供的視頻和多媒體資源，讓學生獲得對所學知識的應(yīng)用場景和現(xiàn)象規(guī)律直觀的感受認識。網(wǎng)站內(nèi)容不僅包括電路、電子、電機和電工等部分的基礎(chǔ)原理和應(yīng)用示例，還介紹了現(xiàn)代電工學的發(fā)展、重大科技成果、電工學在其他學科領(lǐng)域的滲透等拓展知識。為了增強學生的主動學習興趣，在視頻和多媒體材料中增加了隨機問答、闖關(guān)得分、配對PK 等環(huán)節(jié)，并隨機化得分獎勵，所有視頻都采用不超過5 分鐘的短視頻方式，視頻呈現(xiàn)的連接與學生的交互選擇結(jié)果有關(guān)。及時的即時獎勵在學習的初期階段，極大地激發(fā)了學生們的學習興趣，愿意參與和主動嘗試，達到了“玩中學”的目的。

2.講解答疑（課中、線下）

講解答疑主要是為了解決學生在對所學理論和方法的理解中產(chǎn)生的問題。如果不能及時解決感受認知過程中的疑惑，學習也很難持續(xù)和深入。因此在課前獲得所學知識的直觀感受后，在課上教師重點通過提問、答疑、評講思維導(dǎo)圖的方式來對重點和難點進行講解，并對回答問題或積極參與的學生給予及時的正向獎勵強化，方式包括記小分、口頭表揚和隨堂小測試等，需要強調(diào)的是，課堂強化方式必須是正向的，以引導(dǎo)和鼓勵學生為目的。負向強化只會使學生喪失學習興趣。通過口頭的表揚、引導(dǎo)、鼓勵給予及時的反饋，使學生感受到獲得的不僅僅是對知識的理解，更重要的是情感上的交流和支持，起到內(nèi)部強化的效果。

3.仿真領(lǐng)會（課后、線上）

在課堂學習理論知識和分析方法之后，有別于傳統(tǒng)課后作業(yè)布置習題的方式，利用建設(shè)的線上電工學數(shù)字仿真平臺，將所有的知識要點和重點方法以仿真操作分析的形式呈現(xiàn)給學生。學生在仿真平臺上可以利用Electronics Workbench（EWB）、Pspice 或MATLAB 進行電路及電機系統(tǒng)的仿真，對所學的理論知識通過仿真模擬進行驗證。仿真過程可以分步驟進行，配合動畫進行打分。學生可以在課后即時或多次在線進行仿真練習，根據(jù)自己的領(lǐng)會程度來個性化安排掌握學習內(nèi)容。這種結(jié)合仿真進行知識強化的方式，尤其在例如對電動機與變壓器的原理、超導(dǎo)發(fā)電技術(shù)、鐵磁材料應(yīng)用等難點內(nèi)容的理解中發(fā)揮了重要作用，仿真操作直觀易理解、即時反饋的特點激發(fā)了學生學習的興趣，深受學生的喜愛，學習的主動性大大提高。

4.實驗驗證

實驗操作是電工學教學的重要環(huán)節(jié)，反映學生對理論知識的理解和實踐應(yīng)用的能力。但傳統(tǒng)教學方式中學生往往輕視實驗，只是交個實驗報告了事。在混合式教學模式里，在實驗操作結(jié)束后，實驗老師會根據(jù)實驗效果即時給出每次實驗的成績（分為A、B、C 三個等級），最后按比例計入課程結(jié)課后的總成績。在電工學課程實驗中，對于三相交流電路的研究、異步電動機的繼電接觸控制、單管放大電路的調(diào)試、觸發(fā)器和時序邏輯電路和計數(shù)器及譯碼顯示電路等重點或難點項目，可以分多次計操作成績，避免因個別實驗的操作失誤，打擊學生的學習興趣。每項實驗的成績綜合學生出勤、實驗過程（參與程度、實驗結(jié)果、設(shè)備安全和人身安全）情況和實驗報告質(zhì)量（內(nèi)容和規(guī)范性），每個環(huán)節(jié)的教師評分是在學生自評的基礎(chǔ)上進行，這種方式可以激勵學生重視實驗，在實驗過程中注意規(guī)范和主動參與。

5.實訓拓展

實訓拓展環(huán)節(jié)是為了檢驗和培養(yǎng)學生對電工學相關(guān)理論和技術(shù)的實踐應(yīng)用能力，體現(xiàn)學習效果的價值，起到未來回報強化的作用。在教學過程中，主要采取了兩種途徑。

（1）對于所有參加電工學課程學習的學生，均要求參加后續(xù)的電子實訓開放實驗課程，并獲得相應(yīng)學分。該課程是以學生自己動手，掌握一定的電工電子操作技能和制作一兩種實際的電子產(chǎn)品為特色的實踐能力訓練課程，實訓各種項目具有很強的綜合性和應(yīng)用性，主要包括常用儀器設(shè)備及工具的認識與使用、元器件的識別與檢測、電子電路手工焊接訓練、各種電子產(chǎn)品套件的焊接安裝與調(diào)試等。在此基礎(chǔ)上，選擇對電工學有興趣的學生，成立“電工電子制作小組”，根據(jù)電工學課程知識，結(jié)合學校每年一度的“電子制作大賽”，通過制作電子器件或產(chǎn)品，提升學生對電工學的認識和興趣，培養(yǎng)學生的動手能力。

（2）探索針對不同專業(yè)背景和應(yīng)用需求的個性化教學方案，將電工學課程與相關(guān)學科競賽要求相結(jié)合，在基礎(chǔ)課程教學中引入“實驗比賽、創(chuàng)意演講、團隊協(xié)作”等教學環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)和動手能力，提高學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。鼓勵和組織學生積極申報全國大學生電子設(shè)計競賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，以及“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術(shù)科技作品競賽等課外活動，團隊老師帶領(lǐng)學生獲得國家級、省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目3項，校級5 項，學生在這些活動中獲得了學習的成就感[11]。

三、遵循強化學習原理設(shè)計的電工學混合式教學模式，在教學過程中學生主動學習的意愿和動手實踐能力明顯增強，考試成績顯著提高

基于強化學習腦機制的電工學混合式教學模式自2020 年開始，已在鄭州大學校內(nèi)包裝工程、高分子材料、高分子材料加工、材料科學與工程、工程力學、安全工程和生物工程等十余個專業(yè)授課教學中采用，受眾逾千人，覆蓋面廣，在教學過程中可以直觀感受到學生主動學習的意愿和動手實踐能力明顯增強，學生課堂和線下與老師互動頻繁，實驗和實訓環(huán)節(jié)積極參與。從期末考試成績和網(wǎng)上教評反饋效果來看，遵循強化學習原理設(shè)計的電工學混合式教學模式收到了良好的教學效果。圖3 為采用傳統(tǒng)教學模式與混合式教學模式的成績對比，可以看到，采用混合式教學模式后學生成績顯著提高，“優(yōu)秀”“良好”等級比例大幅提升，“不及格”等級從原來的14%下降到不足2%，“及格”等級比例也下降為14%。網(wǎng)上教評結(jié)果也反映了學生對這種新模式的普遍歡迎，認為學習該課程“有趣”“有用”“教學方式新穎”。后續(xù)將逐步面向全校其余電工學課堂推廣該教學模式。

圖3 混合式教學模式與傳統(tǒng)教學模式對比

四、結(jié)束語

隨著對人類學習腦機制的深入了解，遵循大腦學習活動規(guī)律設(shè)計教學模式、開展教學實踐受到了越來越多的重視。混合式教學模式的出現(xiàn)，為實現(xiàn)基于強化學習腦機制的電工學課程教學設(shè)計提供了有力手段。通過近兩年的教學實踐表明，針對性強、強化形式多樣的混合式教學模式能夠極大提升電工學教學效果和教學質(zhì)量，起到了激發(fā)學生主動持久的學習興趣、培養(yǎng)學生綜合能力和工程素養(yǎng)的核心教學目的，為打造電工學金課提供了新的手段。未來將更加注重個性化地設(shè)計強化方法，挖掘新的強化手段，優(yōu)化混合式教學模式。此外對于電氣類專業(yè)涉及的電氣信息、電子技術(shù)等相關(guān)課程，也可以借鑒遵循強化學習原理設(shè)計的電工學混合式教學模式，進一步推廣應(yīng)用。