《印制电路板设计》课程的翻转课堂教学模式研究

孙罡+余振中+赵国树+杨忠

摘要：《印制电路板设计》是自动化一门培养学生实践动手能力的课程，本文探究了该课程基于翻转课堂的新型教学模式，制定了翻转课堂的具体实施过程，并在教学实践中对教学效果进行了评估。实践结果表明该教学模式能有效提高学生的参与度和自信心，激发学生的学习热情，更有利于教师因材施教，取得了良好的教学效果。

关键词：印制电路板；教学模式；翻转课堂

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）39-0087-02

一、引言

近年来随着超大规模集成电路的发展以及智能制造2025、工业4.0概念的推广，各类新型智能工业设备和消费电子产品层出不穷。作为智能系统和智能芯片的物理载体，印制电路板也得到了广泛应用，其在集成密度和可靠性等方面对设计者和加工工艺都提出了较高的要求。《印制电路板设计》作为自动化和仪器仪表等专业的一门基础课，旨在培养学生使用计算机辅助设计软件进行电路板设计和加工的能力。本课程以AltiumDesinger软件为主体，介绍PCB的相关基础知识、PCB设计流程和设计技巧等内容，通过学习学生可以独立实现电路原理图和印刷电路板的设计，为今后在工作中的实际应用打下较为坚实的基础。

二、现有教学模式存在的问题

《印制电路板设计》包括理论教学和实践教学两大部分，理论教学中除了PCB相关基础知识外，主要讲授的是AltiumDesinger软件的使用方法，而实践教学主要是指导学生进行原理图和PCB的设计。传统授课方法在教学实践中存在以下问题。

1.教学模式中过度地以教师为中心，学生参与程度低。通常先由教师对知识点边讲解边操作，随后交由学生重复之前的操作过程。这种模式下学生缺乏对操作步骤的理性认识，容易出现遗忘，更谈不上因材施教，不利于学生个性的发展。

2.实践过程中师生互动较少，这样很不利于教师抓住教學过程中真正的难点。

3.课后时间没有得到充分利用。课后学生缺乏监管，大部分无法做到主动预习和复习巩固。软件应用类课程的作业多为电子文件格式，抄袭非常容易，无法引起学生的重视。

4.课程考核方式不合理。现仍有部分软件应用类课程采用试卷考核的方式，这与应用型课程的初衷相违背。课程考查的应是学生的操作技能，而不是死记硬背指令和菜单。

因此，需要对应用型软件设计类课程进行教学模式上的探索与改革，调动学生的学习积极性，提高授课效率。

三、翻转课堂教学模式及可行性研究

翻转课堂源自2007年两位美国科罗拉多州乡村化学教师，在这种模式下，教师将学习过程由小组学习空间转移到个人学习空间中进行。教师通过各种途径制作授课视频供学生在课外完成知识的学习，而课堂变成了老师学生之间和学生与学生之间互动的场所。教师由知识的传授者变成了学生学习的指导者和督促者，课堂的主角由教师变成了学生，教师更多时间是在指引学生自己解决问题。本课程旨在培养学生的应用设计能力，完全可以将翻转课堂模式与之相结合。首先，该课程并没有涉及到太多的专业理论知识，难度较低。AltiumDesinger软件的网络学习资源也比较多，因此具有一定电路基础的学生完全可以通过看书或者视频课程进行自学。其次，PCB制作过程中比较重要的环节就是走线和优化，很大程度上依靠设计者自身的经验，每个学生面对的问题都不相同，这个环节比较适合师生之间一对一的辅导，而翻转课堂的课内实践环节可以解决这个问题。综上，在《印制电路板设计》这门课程中使用翻转课堂模式是可行的。

四、翻转课堂模式下的教学安排

课前学习阶段中，教师制作和收集学习资源，完成资源的发放并布置习题。而学生的任务则是对学习资源进行学习，充分理解各知识点，最后完成习题。学习资源越精华，学生对知识点的理解越透彻，后期遇到问题的概率就越低。习题应紧密围绕授课内容，教师通过批改习题了解学生的对知识点的掌握程度，并据此准备课堂互动内容。

课中阶段，教师针对习题反映出来的问题进行讲解，学生将自学过程中遇到的问题向教师请教。这种针对具体问题的讲解可以解决学生在求知方面的迫切需要，因材施教提高学生的理解能力和创新能力。随后教师可布置适合当堂课完成的小题目令学生分组完成，期间教师对学生的完成过程进行监督，通过观察及时发现学生的问题并纠正。本课程中会准备一些与授课内容相关的作图任务，考查学生对操作流程和相关技术手段的了解程度。

当堂课后，学生总结课堂内容，对所学知识进行巩固回顾，还要撰写相应的实验报告，如仍有不明白的地方可以继续联系教师求解。

期末通过制作PCB实物的方式对学生进行考核，鼓励学生根据自身爱好自拟题目，鼓励创新设计。加工实物体现了教师对学生知识掌握程度的信任，这种信任反过来也督促着学生加深对课程的重视程度，是一个相互促进的过程。

五、教学实例及分析

1.授课视频制作。整个视频以软件操作界面为主，配以讲解。首先由实际的制图需求引出为何需要自定义元器件符号，然后以89C51单片机为例，教授学生如何根据元器件手册确定器件引脚个数和定义。接着，在AltiumDesinger中新建一个器件符号，完成器件体符号和引脚的绘制，并根据器件手册对各个引脚名称进行修改。最后将新绘制的符号保存在元器件符号库中，并在原理图中验证新建符号是否能被调用。习题则选用了若干常用电子芯片的手册，让学生对元器件的原理图符号进行绘制，所有元器件符号打包在一个元器件符号库中，最终上交的是库文件。

2.教学资源发布。将视频和习题上传至授课班级的QQ群中，文件下载次数统计可以一定程度上帮助教师了解学生的进度。经多次实测，通常文件上传后第二天的下载量达到最大，因此教师需要在授课前3—4天将教学资源上传。

3.课前知识学习。学生对视频等资料进行学习，完成习题并在指定时间内上传至QQ群中。该过程中，对于自己暴露出来的问题，可以通过其他途径自己解决，也可以记录下来在课堂上向教师询问。教师则要根据习题完成情况，对普遍问题进行备课讲解，个性问题则记录下学生的名字单独讲解。本次习题中反映出来的一个普遍问题是：学生容易弄混引脚“标识号”和“显示名称”这两个属性。endprint

4.课中知识内化。课堂上就习题中反映出来的问题进行讲解，时间充足的情况下习题中的个别问题也可以和学生们一起分享，并接受学生的举手提问。鉴于此前学生已经学过如何绘制电路图这一过程，后半堂课令学生分组完成含有陌生器件电路图的绘制任务，一方面巩固复习上堂课的知识，一方面令其体会本堂课内容在实际项目中是如何应用的。期间，教师对学生的绘图过程进行监督和指导，并为学生答疑解惑。

5.课后交流互动。课后学生在实际应用过程中会遇到各类相关问题，这些问题并不局限于当堂课的内容，都可以及时和老师进行沟通。教师回复的越及时，学生提问的积极性就越高，从而形成良性循环。

通过总结教学实践经验和学生反馈，提高了教学效率。有了学习资源，学生可以选择自己状态最好的时刻学習，主动式学习能明显增强对知识的理解和吸收，一定程度上实现了因材施教。学生在自学过程中，将各自碰到的问题记录下来寻求教师的帮助，每一个问题都体现出了学生独特的个性。教师在解决这里每一个问题的时候其实就是在因材施教，通常来说这种思考很久未果，而得到别人指点后想通的知识点通常都会有比较深刻的记忆，降低学生厌学情绪。整个学习过程当中是以学生为中心，期间学生接触最多的是学习资料和同学，而教师充当的是学习助手的角色。角色的转变拉近了师生的距离，使得一些比较内向的学生从不敢问变成主动问。有问题能够及时得到解决，大大降低了学习中的挫折感。

六、总结

本文将《印制电路板设计》课程和翻转课堂教学模式相结合，在教学实践中取得了良好的效果。虽然翻转课堂在形式上实现起来相对简单，但是具体细节还有很多值得推敲的地方，学生的多样性使得翻转课堂每个环节都会受人为不确定因素的影响，因此还需要广大教育工作者们继续探索和完善。

参考文献：

[1]Bergmann J.Sams，A.Flip Your Classroom：Reach Every Student in Every Class Every Day[M].Washington，DC：International Society for Technology in Education.2012.

[2]Bergmann J.Sams，A.Flipped Learning：Gateway to Student Engagement[M].Washington，DC：International Society for Technology in Education.2014.endprint