基于信息技術(shù)的電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程線上線下融合教學(xué)研究與實(shí)踐

伍遠(yuǎn)征 邢毓華 王加祥 劉宇坤 姜玉泉 西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院

電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、電工電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)等電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程是筆者所在學(xué)校非電類工科專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課程，屬于獨(dú)立設(shè)置的實(shí)驗(yàn)課程，其目的是提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的動(dòng)手實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)一定的創(chuàng)新能力，為將來(lái)從事工程技術(shù)工作打好基礎(chǔ)。電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)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(chǎng)實(shí)踐操作，高度依賴實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及實(shí)驗(yàn)儀器等教學(xué)條件，所以其教學(xué)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(yán)重影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)、人工智能等信息技術(shù)的帶動(dòng)下迅速發(fā)展，信息技術(shù)與教學(xué)實(shí)踐深度融合，混合式教學(xué)模式成為一種符合時(shí)代要求的新型教學(xué)模式。因此，如何有效開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到越來(lái)越多的關(guān)注，其中關(guān)注較為廣泛的是在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)，針對(duì)有效開展在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)所采取的最典型的措施有在線虛擬仿真[2]和基于在線實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的遠(yuǎn)程真實(shí)實(shí)驗(yàn)[3-5]以及線下軟件工具虛擬仿真與口袋實(shí)驗(yàn)室的虛實(shí)結(jié)合[6-8]等?；谲浖奶摂M仿真是根據(jù)理論模型進(jìn)行計(jì)算分析，與實(shí)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(shí)物實(shí)驗(yàn)是對(duì)真實(shí)電路元件進(jìn)行遠(yuǎn)程連接、測(cè)量、觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，雖然很大程度上彌補(bǔ)了純軟件仿真帶來(lái)的實(shí)際動(dòng)手能力訓(xùn)練問(wèn)題，但其依賴的操作平臺(tái)需要一定的投入建設(shè)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)經(jīng)費(fèi)支持力度較弱的某些高校而言，可推廣性不強(qiáng)。因此，基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件實(shí)施且不依賴額外建設(shè)投入的電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的線上線下融合教學(xué)研究與實(shí)踐具有重要意義。

●教學(xué)理念的提出

為提升電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)效果、效率、效益，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)把學(xué)習(xí)、興趣、觀察、實(shí)踐同思考緊密結(jié)合起來(lái)，全面提升和發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，確保常態(tài)化防疫的處境下實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施富有彈性、效果不減，筆者圍繞“有效教學(xué)”教育理念和“學(xué)為中心、目標(biāo)導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的工程教育專業(yè)認(rèn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程，解構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)各環(huán)節(jié)，優(yōu)化重組諸要素，提出了基于實(shí)驗(yàn)課程的線上線下融合教學(xué)理念。

電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)全過(guò)程包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備（或預(yù)習(xí)）、實(shí)驗(yàn)操作采集數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)收以及總結(jié)等關(guān)鍵要素，貫穿于課前、課中和課后三個(gè)環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)課程混合教學(xué)中，線上的教學(xué)成為必備活動(dòng)，是實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備（或預(yù)習(xí)）落實(shí)到位的保障；線下的教學(xué)是基于線上的前期預(yù)習(xí)成果而開展的更加深入的教學(xué)活動(dòng)，是實(shí)踐操作落地生效的關(guān)鍵；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理以及總結(jié)是理論聯(lián)系實(shí)際、知識(shí)吸收內(nèi)化和實(shí)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(shí)施。

●教學(xué)設(shè)計(jì)

筆者圍繞實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)總結(jié)等核心要素，將電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)全過(guò)程分為“課前”“課中”“課后”三個(gè)環(huán)節(jié)，具體如右圖所示。

1.課前

（1）引入

實(shí)驗(yàn)課的引入，尤其注重引發(fā)學(xué)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(shí)驗(yàn)中，提問(wèn)：日常生活中使用的手機(jī)充電器的工作原理是什么？讓學(xué)生帶著疑問(wèn)和興趣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也可將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以圖片或視頻的方式展示給學(xué)生，以明確目標(biāo)、增強(qiáng)信心、提高效率。引入在課件里體現(xiàn)，引入環(huán)節(jié)在學(xué)生預(yù)習(xí)課件時(shí)實(shí)現(xiàn)。

（2）目標(biāo)

同引入，均在預(yù)習(xí)課件中體現(xiàn)。

電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程線上線下融合教學(xué)實(shí)施流程

教師完成備課和備實(shí)驗(yàn)，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖片（能展示實(shí)驗(yàn)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(xì)節(jié)），設(shè)計(jì)制作課件和測(cè)試題卷。上課前一周發(fā)布課件。學(xué)生參考課件和實(shí)驗(yàn)教材，完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。復(fù)習(xí)與本次實(shí)驗(yàn)有關(guān)的理論課內(nèi)容，根據(jù)理論課的分析計(jì)算方法，將實(shí)驗(yàn)報(bào)告中要求的理論計(jì)算值及圖表預(yù)先完成，確保實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)心中有數(shù)，能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確與否做出判斷；了解實(shí)驗(yàn)中涉及的實(shí)驗(yàn)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(dòng)手操作時(shí)有條不紊。學(xué)生可通過(guò)完成課件中設(shè)置的測(cè)試題，檢驗(yàn)預(yù)習(xí)情況。如遇無(wú)法自行解決的疑點(diǎn)，可線上求助教師答疑解惑。教師在答疑的同時(shí)，可通過(guò)雨課堂、Moodle、智慧樹等智慧教學(xué)工具或平臺(tái)了解掌握學(xué)生課件預(yù)習(xí)及自測(cè)情況。

2.課中

（1）前測(cè)

可在學(xué)生動(dòng)手操作之前，先進(jìn)行預(yù)習(xí)測(cè)試，通過(guò)設(shè)置的選擇題測(cè)試學(xué)生對(duì)理論知識(shí)或者操作中重難點(diǎn)的掌握情況，這樣既可以摸清學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，又可以提高后續(xù)講解的針對(duì)性。

（2）交互

即參與式學(xué)習(xí)，學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，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(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況，非必要盡可能不干預(yù)學(xué)生。對(duì)學(xué)生遇到的個(gè)性問(wèn)題，教師進(jìn)行點(diǎn)撥，與學(xué)生進(jìn)行交互，引導(dǎo)其探究現(xiàn)象背后的原理；對(duì)學(xué)生的共性問(wèn)題，教師可歸納總結(jié)成注意事項(xiàng)或常見故障排除方法，通過(guò)課件呈現(xiàn)給學(xué)生，在確保安全的前提下盡量給學(xué)生試錯(cuò)摸索的機(jī)會(huì)，讓問(wèn)題倒逼學(xué)生理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)思考如何解決故障，提升自主學(xué)習(xí)實(shí)踐能力。教師在學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，對(duì)其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)收，點(diǎn)評(píng)反饋實(shí)驗(yàn)完成情況，幫助學(xué)生提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。在教師?yàn)收完實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告采用電子試卷形式，學(xué)生上傳提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格的照片或截圖，顯示實(shí)驗(yàn)電路連線以及示波器或其他儀器結(jié)果的照片。

（3）后測(cè)

了解該課程是否達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，即學(xué)生在實(shí)踐之后是否能充分理解理論、解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。后測(cè)通過(guò)客觀選擇題進(jìn)行，除實(shí)驗(yàn)報(bào)告外，學(xué)生還需完成思考題等實(shí)驗(yàn)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(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)操作關(guān)鍵細(xì)節(jié)、根據(jù)理論分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的能力，引導(dǎo)學(xué)生梳理歸納實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加深對(duì)理論的理解，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能力。

（4）小結(jié)

對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行階段性總結(jié)，整理實(shí)驗(yàn)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(wèn)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(shí)驗(yàn)報(bào)告中設(shè)置一道與下次實(shí)驗(yàn)相關(guān)的選擇題，作為下一次實(shí)驗(yàn)的引子。

3.課后

教師通過(guò)智慧教學(xué)工具平臺(tái)在線批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告，查看試題結(jié)果分析；實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況及時(shí)反饋，可供學(xué)生查漏補(bǔ)缺；教師動(dòng)態(tài)調(diào)整、優(yōu)化教學(xué)針對(duì)性，持續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

●教學(xué)過(guò)程性評(píng)價(jià)

過(guò)程性評(píng)價(jià)是實(shí)驗(yàn)課程線上線下融合教學(xué)有效性的根本保證和有力抓手，借助雨課堂等智慧教學(xué)平臺(tái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)全程數(shù)據(jù)自動(dòng)收集匯總統(tǒng)計(jì)，教師可以專注于考核點(diǎn)設(shè)置、權(quán)重分配，關(guān)注每位學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程中的具體表現(xiàn)，采取有效策略，保證過(guò)程性評(píng)價(jià)可信度。

過(guò)程性評(píng)價(jià)內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)驗(yàn)總結(jié)、綜合素養(yǎng)等方面，考核標(biāo)準(zhǔn)為：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備（20%），主要考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備情況、理論計(jì)算值是否正確、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟是否明確；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集（55%），主要考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果是否正確；實(shí)驗(yàn)總結(jié)（15%），主要考核學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果的能力；綜合素養(yǎng)（10%），主要考核學(xué)生出勤情況、規(guī)范操作和勞動(dòng)素養(yǎng)等。

為實(shí)現(xiàn)過(guò)程評(píng)價(jià)考核，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)依據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)若干個(gè)考核點(diǎn)，學(xué)生逐個(gè)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，通過(guò)雨課堂試卷形式上傳實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形圖像。教師在線同步審閱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形圖像進(jìn)行驗(yàn)收并評(píng)分，如果分?jǐn)?shù)不達(dá)標(biāo)，學(xué)生需重做實(shí)驗(yàn)，允許學(xué)生多次實(shí)驗(yàn)并上傳實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但分值將逐次加權(quán)（如0.9）。

基于智慧教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)過(guò)程評(píng)價(jià)考核，可將簽到考勤、課件預(yù)習(xí)、課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)操作、儀器使用、實(shí)驗(yàn)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(xué)平臺(tái)客觀評(píng)分，有效提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的重視程度，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

●教學(xué)實(shí)踐

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心在于“實(shí)踐”，電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程線上線下融合教學(xué)圍繞這一根本原則，除實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和驗(yàn)收環(huán)節(jié)學(xué)生直接實(shí)踐之外，在預(yù)習(xí)課件、預(yù)習(xí)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和總結(jié)測(cè)試的內(nèi)容設(shè)置中也充分體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖示、工程案例以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為學(xué)生間接實(shí)踐提供支持。筆者認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)課程線上線下融合教學(xué)在實(shí)踐中應(yīng)關(guān)注以下方面。

一是實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)注重運(yùn)用教學(xué)課件，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。針對(duì)某些僅配備黑板而沒(méi)有配備投影等其他電子顯示設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)環(huán)境，教師和學(xué)生可使用手機(jī)或各類便攜式計(jì)算機(jī)終端，借助智慧教學(xué)工具平臺(tái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)課件交互。在教學(xué)課件中除了實(shí)驗(yàn)基本原理的回顧，實(shí)驗(yàn)課的實(shí)驗(yàn)電路、儀器設(shè)備也是講解的重點(diǎn)，通過(guò)課件可以將實(shí)物圖呈現(xiàn)給學(xué)生，講到每一個(gè)操作細(xì)節(jié)，學(xué)生都能即時(shí)同步觀看。學(xué)生如果聽課有遺漏，可通過(guò)課件進(jìn)行回顧。課件可以詳細(xì)歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)原理，與實(shí)驗(yàn)銜接對(duì)應(yīng)，也可拓展引申，為學(xué)生課前預(yù)習(xí)完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備提供支撐。

二是實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)注重運(yùn)用預(yù)習(xí)測(cè)試，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。預(yù)習(xí)測(cè)試可采用雨課堂試卷形式，設(shè)置兩道選擇題，測(cè)試內(nèi)容瞄準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的理論值，如戴維南定理實(shí)驗(yàn)的開路電壓和等效電阻，或者實(shí)驗(yàn)操作中的關(guān)鍵操作步驟。交卷時(shí)間可設(shè)置為兩分鐘，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督學(xué)生完成。教師可參考測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)，掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，進(jìn)而針對(duì)學(xué)生的疑點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)明扼要的講解，為后續(xù)學(xué)生實(shí)踐操作做好鋪墊。

三是實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)注重運(yùn)用電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效益。與紙質(zhì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告相比，電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告操作更方便，能呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程細(xì)節(jié)內(nèi)容更豐富、批閱更快捷、反饋更及時(shí)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和總結(jié)報(bào)告可采用雨課堂試卷的形式實(shí)現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)成績(jī)、資料存檔、實(shí)驗(yàn)報(bào)告分發(fā)和回收以及教學(xué)數(shù)據(jù)管理更高效。需要注意的是，電子實(shí)驗(yàn)報(bào)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(xué)生作弊的空間壓縮到最小，確保成績(jī)?cè)u(píng)定的公平公正。

四是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集通常在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)總結(jié)可以線上方式進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集可根據(jù)實(shí)際情況采取口袋實(shí)驗(yàn)室、虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程在線實(shí)物實(shí)驗(yàn)等方式完成；條件不具備的，可先行提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果案例素材讓學(xué)生先行間接實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集隨后擇機(jī)完成，應(yīng)盡量避免以虛擬仿真軟件完全代替實(shí)際操作。

五是實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)注重運(yùn)用彈性機(jī)制，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。在學(xué)時(shí)分配不變的情況下，學(xué)生可以在完成必做實(shí)驗(yàn)后繼續(xù)選做實(shí)驗(yàn)，或者在預(yù)先完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的前提下超前進(jìn)行其他必做實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)進(jìn)度富有彈性，實(shí)驗(yàn)操作效率大幅提升。

●教學(xué)成效

筆者利用SPSS軟件對(duì)近三年電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行克魯斯卡爾-沃利斯檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)顯示，學(xué)生成績(jī)等級(jí)值為1、2、3、4、5，其標(biāo)簽分別為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格；學(xué)年分組為2020、2021、2022年春季學(xué)期，其中2020年采用的是傳統(tǒng)教學(xué)模式，2021、2022年采用的是線上線下融合教學(xué)模式。分析結(jié)果顯示，學(xué)生成績(jī)等級(jí)分布存在差異，顯著性水平小于0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。筆者進(jìn)一步比較，結(jié)果顯示2021年與2020年比較、2022年與2020年比較，顯著性水平小于0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；2021年與2022年比較，顯著性水平大于0.05，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。2021年與2022年學(xué)生成績(jī)等級(jí)的中位數(shù)為2（良好），而2020年學(xué)生成績(jī)等級(jí)的中位數(shù)為3（中等），說(shuō)明電工電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程線上線下融合教學(xué)模式提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程總體成績(jī)，一定程度上說(shuō)明實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量有所改善。