基于“三化”的电路课程教学改革

冯瑞珏， 马海霞*， 曾献煜， 王智东

(1.广州城市理工学院，电气工程学院，广东，广州 510800；2.华南理工大学，电力学院，广东，广州 510640)

0 引言

电路课程是高等院校工科专业必修的一门专业技术基础课程，在工科体系中起着积基树本的作用。课程中电工电路的知识、能力和素质既是前期“高等数学”“大学物理”等课程内容的加深延续，也是后续专业课程的基础，起着承前启后的作用。课程中的学习使用电工器具操作、电路设计及测量、电路故障分析等学到的工程规范、分析和解决问题的能力为今后从业奠定了职业基础。受限于教学制度、教学和课程特点等诸多约束，大部分工科学生对电路课程“望电生畏”，不利于课程知识的学习而削弱了对后续专业知识了解的兴趣[1-3]。电路课程的教学一直无法达到学生能力培养的教学目标，如何优化电路课程的教学环节、降低课程的学习难度和触发学生的学习兴趣成为急需解决的问题。

针对电路课程学习中存在的教与学不佳的问题，结合电路课程的特点，对电路课程进行“三化”教学改革，即知识功能模块化、电路图形动态化、考核智能化，并将此模式推广到其他课程中。

1 电路课程教学现状

在新工科建设持续推进下，应用型大学应强调培养学生的实践能力、创新能力，成为具备动手解决实际工程问题能力的应用型人才，以适应社会的需求。

近年来，学校推行适应专业人才培养的课程调整，电工教研室承担全校的电工类课程，长期以来建立了一套符合各专业特点和要求的教学体系，在保证基础共性的同时，根据不同专业的教学要求构建课程内容，并建立与之配套的课程体系和实验体系，取得了一定的教学效果。自2017年以来，对电气工程及其自动化专业的“电路”课程的理论课和实验课进行了不同程度的改革。电路实验在验证性实验的基础上增设了设计类实验，满足不同层次的学生能获得良好的学习体验。其中，“可调直流稳压电源的设计与实现”与“三相电路故障测量与分析”两项实验项目分别荣获了“2019年第六届全国电工电子基础课程实验教学大学竞赛(鼎阳杯)”二等奖和三等奖。理论课程在2017年开始根据对电气专业学生学习情况的调研调整了使用教材，使用由本校教师针对应用型大学的电气类专业所参与编写的《电路分析基础》，并根据专业人才培养方案有针对性地进行内容讲授。2019年进行了“电路”线上课程建设，以知识点为单位进行了微课录制，并配套了详细习题库供学生进行巩固练习，2020年开展了混合式教学，以线上学习为主，以线下学习为补充的模式进行。电路课程的微课在校级第一届微课比赛中获得优秀奖。以上这些改革都取得了一定的成效，但在教与学两者的优化上仍然存在需解决的问题。

1)“学时越来越少，内容越来越多”

各学科相关专业在制定本专业的教学计划时，为了扩展专业面，不断削减电工类课程学时，“学时越来越少，内容越来多越多”，任课教师为了完成课程任务，采用“填鸭式”教学方法居多，缺乏启发式、探究式、开放式、讨论式、案例式等教学设计，难以启发学生的创造性思维。电工课程具有理论性强而内容广、概念繁、公式多且内容僵化、知识点分散的特点。目前“电路”课程一共88学时(72学时理论课+16学时实验课)，内容包括电路的基本概念和基本定律、电阻电路的等效变换和分析方法、正弦稳态电路分析、电路的频率响应、三相电路、线性电路的稳态分析等。这些内容涉及面广、知识点分散，在教学过程中，师生疲于应付，难以有兴趣进行创造性实践性。如何根据人才培养方案对内容进行分模块“教”成为需要探讨的重要问题之一。

2)学生学习积极性和参与度不高

电路课程大多数设置在大学一年级，学生还没完全从高中模式转变为“自主学习”，认为电路课程难学、难记、难理解，产生畏难情绪，陷入死记硬背、不求甚解的学习困境。而后逐渐转变成“被动参与学习”，学习积极性和课程参与度不高，对作业或所需掌握知识“云里雾里”。

3)课程考核方式不完善

电路课程成绩考核基本上以“平时成绩30%+期末成绩70%”的方式评定。平时成绩仅仅考虑在课程上的考勤或有限次的作业完成度，由于课程人数众多，依靠单纯的教师考核方式难度大且不够全面，缺乏全面的评价机制，不能有效激励学生积极地参与到课程中来。

针对电路教学中存在的问题，2019学年在电气工程及其自动化专业共360名学生中开展了基于“三化”电路课程的教学改革，更新教学内容、教学环节、教学方法和教学手段，全面优化考核方式[4]。如图1所示。针对电路课程内容广而全但分散、杂乱的特点，在对课程内容进行详细分析的基础上，采用功能化教学，将知识点中内在逻辑相同或相近合成相对独立的单元，且结合人才培养方案，将相关单元合成教学模块，使教师在有限的学时内也可以实现比较精准的教学目标定位；针对课程中电路逻辑性强、分析步骤繁琐、学生学习积极性不高的特点，采用知识图形化，应用计算机虚拟仿真软件，将电路以仿真动画的立体形式表现，使教与学化难为易、化静为动、化抽象为具体；针对单靠人工考核、评分不够全面的方式，采用“学习通”平台进行智能化考核。

图1 “三化”电路教学改革

2 “单一参数三相交流电”应用案例

2.1 知识功能模块化

单一参数交流电路课程要介绍电阻、电感、电容元件分别在交流电路中的应用关系，包括电压与电流的瞬时值关系、相位关系、有效值关系、相量关系、功率关系等。这些关系包含各种公式变换和逻辑推理，单纯靠理论介绍，学生一般会觉得枯燥无味，产生“厌学”情绪。采用知识功能模块化教学，将功能相同的知识归纳在同一单元内进行对比分析，加深理解和记忆，并提高教学及考核内容的透明度，从而提高整个学习的灵活度。图2为按所需掌握知识点划分的功能模块图，共7个模块组成。模块的分类按电阻、电容和电感的定义开始，逐层深入。在知识讲授的过程中可按模块1至8的顺序，循序渐进地进行分析与比较，并配合电路仿真或动画演示的方式加深理解。根据每一模块的功能特点，总结出相应的记忆点，加深理解，例如在有效值关系中，电压与电流的关系满足欧姆定律，均可记忆成电压等于电流与“对电流的阻碍作用”的乘积。

图2 单一参数模块化

2.2 电路动态化

单一参数交流电路逻辑性强，信息量大，使得学生学完后仍是“云里雾里”，停留在只知道一些零散的符号和算式阶段，对电路缺乏直观的认识，更构建不出对课程内容的理论体系。在传统的单纯教学模式(教师结合PPT课件进行书写、画图、讲解)下，学生听讲、想象、理解，不但不能培养学生的创新能力反而制约了学生的学习兴趣。改革传统的教学模式，将Multisim仿真软件与电路课程紧密结合，最大限度地提高单位学时讲授的深度和广度，发挥学生的主观能动性。

利用Multisim仿真软件进行电路图制作，直观、形象和动态地演示电路分析和计算过程，通过数据或图形给出结果，并对电路进行分析。图3为单一参数交流电路所建立的电路仿真库，由元件实物介绍、基础电路演示和设计型电路等3部分组成。

图3 电路仿真库

实物图片演示主要演示各种元件不同型号的外观区别，并结合其电路符号、单位变换等知识点进行分解。基础演示用于教学过程中对电路变化过程进行分析，如电容、电感的充放电过程，变换参数后时间常数的变化区别等。设计型电路则为锻炼学生的综合素质，教学过程可开放任务，学生根据要求设计电路及对参数进行选择，独立进行测试和调整各参数值，得出符合要求的测试电路，如电阻与电感的串联、电阻与电容的串联、电容与电感的串联。通过测试这些电路的电压与电流关系，提高学生的学习兴趣和加深学生对知识的掌握程度。利用软件示波器进行波形分析，充分理解电路的原理，大大提高了学习的效率，也克服了上课过程中缺少实验设备的限制。

2.3 考核智能化

以往的考核方式一般由期末成绩和平时成绩组成，且期末成绩占比较大，基本成为衡量学生成绩的决定性指标，这种考核方法单一机械，忽略了过程性评价，对创新性人才培养起不到积极的促进作用[5-6]，且传统过程性评价采用“人工”方式，容易加入印象化、情绪化等个人色彩。为了更好地在电路课程中促进学生创新能力的培养和更全面的评价方式，利用超星“学习通”平台开展智能化的考核模式，考核过程如图4所示。

图4 考核智能化体系

整个考核体系分成5个部分组成。第一部分为课程知识点的复习。电路课程提供自建MOOC课程，为线下课堂提供必要补充和辅助，并将知识点设为任务点，鼓励学生对课堂所学知识点进行复习理解，如完成任务可获得相应分值。第二部分为到课率考核。采用上课签到的模式，督促学生上课并作为加分项形式。为杜绝学生“帮签”行为，随机采用普通签到、二维码签到和位置签到等3种方式。第三部分为课堂互动。改革传统教师主宰课堂的单向传播模式，积极促进与学生之间的互动，并打破单一的“提问”方式，课堂上营造与知识点相关的情景，增设参与投票、问卷调查、抢答和讨论环节，激发和维持学生的学习动机，对参与者进行获得分数奖励。第四部分为课后作业的完成。课后作业是教学成果的一个间接检验，电路作业采用从题抽题的方式，并乱项乱序发放，防范学生的抄袭行为，取所有作业的平均分作为最后的得分值。最后一部分为线下考试，作为检验学生成果的评判标准之一。

3 “三化”电路课程教学改革效果

知识功模块化、电路动态化和考核智能化的“三化”电路教学改革已经在电气工程专业中实施了1年的时间，有了明显的教学效果,学生的主观能动性大大提高。由于过程考核的多样性，学生到课率增加，均能积极参与各项活动且在课后对微课视频访问量有质的提升。课后作业所布置的开放性电路设计，参考值虽然可根据理论得出，但常常需要根据实际做出调整，学生可在虚拟环境下根据思路随时调整参数或修改电路，并对数据进行测量与分析，加深了所学知识点的理解，提高了学生分析问题和解决问题的能力。学生成绩普遍有所提高，如图5所示。

图5 学生课程参与度

4 总结

电路课程是电气工程及其自动化专业第一门基础课程，起着积基树本的作用。但电路课程内容丰富、逻辑性强，学生普遍学习性不高，主观能动性较弱。对电路课程进行了“三化”改革。以学生较难理解的单一参数交流电路分例，将内容按模块化分成7个部分进行教学，并以比喻或编制口诀的方式进行理解记忆，使师生的教与学更清晰理解；结合仿真软件对R、L、C电路变化过程进行演示，提高学生的学习兴趣与降低对内容的理解难度；最后利用超星“学习通”进行智能化考核。此改革方案教学效果显著，学生参与过程学习度显著提升，有效培养了学生的学习兴趣，为后续专业课程的学习打下基础。