基于BOPPPS模型“电子技术I”课程混合式教学改革的实践与探索

黄 慧,段惠敏

(合肥学院 先进制造工程学院,安徽 合肥 230601)

“电子技术I”课程涵盖了数字电路和电子设计自动化(EDA)两部分内容,是面向大学一、二年级学生开设的电子技术系列课程中打造“金课”的第一个教学模块[1]。课程分理论基础和实践环节两个部分。目的是使学生掌握逻辑代数的基本理论和知识、数字逻辑电路的分析与设计、现代电子技术方法等知识,具备现代电子设计技术的能力,支撑后期“电子技术III”“单片机课程设计”“数字信号处理”等专业课和第二课堂的各项活动。

在2018年的全国教育大会上,习近平总书记对党的十八大以来教育改革发展的成就和经验进行了系统总结,指明了今后全面深化高等教育教学改革的方向和目标,要求在高等教育中坚持把立德树人作为根本任务,坚持以人为中心深化教育改革创新[2]。为了更好地践行立德树人培养任务,“电子技术I”教研组对原有的教学模式进行了反思,发现在原有的教学模式中存在三个方面的问题:1.学生课前自主学习不充分,课堂参与度不高;2.考评体系单一,难以实时掌握学生的学习状态;3.教学内容与现代电子设计思想相脱离,学生学习的广度和深度不够。

针对这些问题,“电子技术I”教研组决定对原有的教学模式进行改革。自2018年起,教研组就教学模式改革的方式进行了充分调研,并在学生中开展了广泛的讨论,得到学生的积极反馈。2020年初,新冠肺炎疫情的肆虐,使得线下教学完全停滞,只能开展线上教学。时至今日,线下教学+线上教学的混合式教学模式将是常态[3]。在这种背景下,教研组决定采用基于BOPPPS模型的混合式教学[4]。

1 基于BOPPPS模型的混合式教学建设思路与实施措施

1.1 BOPPPS模型

BOPPPS模型在初期是加拿大不列颠哥伦比亚省的教师教学技能工作坊(Instructional Skill Workshop, ISW)项目采用的一种教学培训模型,由温哥华大学的Douglas Kerr于1976年提出[5]。其命名源自该模型的六个教学模块的首字母:B(Bridge-in,引入)、O(Objective,目标)、P(Pre-assessment,前测)、P(Participatory Learning,参与式学习)、P(Post-assessment,后测)、S(Summary,总结)。

BOPPPS模型秉承以目标为导向、以学生为中心的教学理念,它的六个模块形成了一个完整、有效的教学环节,教师在教学过程中可以根据学科方向的差异和人才培养目标的不同来灵活设计各模块环节,因此,在具体的教学实践环节中有很强的适应性和可操作性。BOPPPS模型颠覆了以教师讲学为主的“填鸭式”传统教学模式,在教学过程中强调以学生为中心,塑造了一种新型的探究式、个性化、互动式教学模式,满足了新时代复合型人才培养的要求。BOPPPS模型已被全球数百所大学和产业培训机构采用,其在教学和培训中的实践表明该模型“有效果”“有效率”“有效益”[6]。在我国,BOPPPS模型在近年来才受到关注并逐步推广。虽然起步较晚,但BOPPPS模型在我国高校教学和职业教育培训中的发展非常迅速,为我国高等学校教育教学改革提供了一个可以灵活运用的平台[7-9]。

1.2 采取“BOPPPS+线上线下”混合教学模式,提高教学成效

基于BOPPPS模型,教研组将“电子技术I”的教学内容按引入、目标、前测、参与式学习、后测、总结六个阶段进行教学模式改革,提出了基于BOPPPS模型的“电子技术I”“线上+线下”混合式教学改革方案,如图1所示。在课前的线上自主学习阶段,充分利用小规模限制性在线课程(SPOC)和超星信息化平台等线上资源,根据“电子技术I”课程的具体情况,将课程思政建设和我国在集成电子线路产业发展中的卡脖子问题等典型案例纳入知识内容引入阶段,构建渐进的知识层级,使学生在课前得到充分的自主学习。在线下课程学习阶段,将合肥长鑫、三洋公司等企业的一线工程师请进课堂,通过翻转课堂、分组讨论等形式形成以学生为中心的多模式互动教学,有效提高了学生学习的广度与深度。在课后阶段,利用线上和线下共进方式,根据不同知识层级灵活开展项目设计,形成多维度闭环考评。接下来按照BOPPPS的六大模块对基于BOPPPS模型的“电子技术I”课程混合式教学改革的举措进行介绍。

图1 基于BOPPPS模型的“线上+线下”混合式教学路径图

1.2.1 将课程思政建设和典型案例纳入知识内容引入阶段

近年来,以美国为首的西方国家蓄意挑起意识形态之争,在政治、经济、军事和高科技等领域对我国进行围追堵截,企图挤压我国的生存空间,这其中尤以在半导体集成电路芯片上对我国的全方面封锁最为典型。“电子技术I”是集成电子线路领域应用型人才培养方面的启蒙课程,而西方国家对我国集成电路产业的打压为教研组在课程中融入思政教育提供了良好的契机。根据课程特点,可以在知识内容的引入阶段,选取与课程知识点相关的人物的优秀事迹进行介绍,可以让同学们了解邓稼先、钱学森等两弹一星元勋在艰苦条件下为我国国防科技发展奋斗的事例,激发学生的爱国主义情操;也可以对“星光中国芯”总指挥邓中翰院士的先进事迹进行详细分析,让同学们了解到以邓中翰院士为代表的一批中国电子技术领域的科技人才正是利用了他们所掌握的电子技术知识,并把这些知识从理论转化为技术,成功研制了拥有自主知识产权的超大规模数码图像处理芯片,书写了一个个激励人心的科技报国故事。

通过这些先进人物的事迹分析和典型案例的引入,使同学们明白自己学习的知识有什么用,该怎么用,并在课前自主学习阶段就能发现问题,引发兴趣,从而诱导学生产生强烈的学习动机。通过正确的价值引领,将系统观、辩证法和爱国主义精神融入数字和逻辑电路的分析与设计过程,实现了专业课程与思政课程同向同行[10]。

1.2.2 构建渐近的知识层级,夯实课程目标

“电子技术I”课程的总体目标是为国家和地方经济建设培养电子技术方面的应用型人才[11]。从知识和技能层面,按照循序渐进的原则,由易到难,设计了具有层次感的课程目标(图2)。首先,培养学生具有逻辑代数和电子技术的基础理论知识,并引导学生将逻辑代数和电子技术的理论知识用于逻辑电路的设计应用。其次,培养学生运用基础知识、理论和方法分析和设计数字逻辑电路的能力。最后,使学生具备基于现代电子设计技术设计数字逻辑电路的能力。这种由浅入深的目标设计有利于增强学生的自信心,从而激发学生的学习兴趣,并促使学生积极思考。

为了适应电子技术应用型人才培养目标,教研组结合当前国家在集成电路产业的布局,特别是安徽省在集成电路产业的快速发展,融合现代电子设计技术,构建了“电子技术的基本概念和关键技术的应用”→“组合、时序电路的分析设计方法”→“数字电路自动化设计”的由初级到高级的3个知识层级,建立多模块系统级电路设计思想。从图2可以看出,不论是知识层级的设计还是课程内容的安排,都紧密围绕课程目标,最终目的都是为国家和地方经济建设和发展培养专业技术人才。

1.2.3 基于互联网+课堂工具开展课前自测

在线下课堂前,教研组利用网络虚拟教室将事先录制好的视频通过小规模限制性在线课程平台发布给学生。学生通过网络教室的视频了解课程的学习内容、学习任务和学习目标,并以分组的方式参与课程内容的讨论,完成对教学内容的知识准备。

在引导学生充分进行课前自学的基础上,利用小规模限制性在线课程的即时性检测功能及时了解学生的课前学习情况。对学生线上学习的情况进行统计,可以了解学生利用线上学习平台进行自主学习的情况。从线上学习进展情况的效果反馈可以看出,所有的学生都能及时进行线上课前学习。

1.2.4 通过翻转课堂、分组讨论等形式实现参与式学习

在线下课堂教学阶段,研究组根据BOPPPS模型的模块设置,在课堂教学阶段采取了参与式教学法。通过翻转课堂[12]、分组讨论及项目汇报等环节,形成以学生为中心的多模式互动课堂,完成由学生和教师共同参与的教学内容。

翻转课堂中的一个改革举措是“将企业工程师请进课堂”,探索校企协同的应用型专业人才培养模式[13]。教研组积极与本地区在电子技术领域中的优秀企业如合肥长鑫、合肥三洋和海尔等企业合作,在线下教学阶段由企业工程师提供实际案例,在每一课中根据教学内容选择一个关联的应用案例来进行专题讨论,如第四代双倍速率同步动态随机存储器的线路设计、相控阵雷达串行通信译码器中的译码等,通过实际案例分析来培养学生解决复杂工程问题的能力。通过对翻转课堂的拓展,线下教学课堂变成了老师、学生和企业工程师之间互动的场所,使学生对“电子技术I”的知识运用有了直观的认识,提高了学生学习的主动性和目的性。

为了使每一个学生都真正进入参与式学习,教研组对班级中的同学进行了分组,在翻转课堂中充分开展分组讨论。小组成员的划分充分考虑平衡原则,每组中有学习成绩好的同学也有学习较欠缺的同学,并以学习态度较好的同学为组长,要求组长督促本组同学积极参与讨论。通过这种分组实施结对帮扶,并开展小组竞赛,通过团队学习最终达到所有同学共同进步的目的。

在翻转课堂中实施的另一个改革举措是“项目汇报”。由于学生在课前已经充分学习了课程的内容,教师在线下教学阶段可以不再占用时间来进行知识的讲授,而是把这部分时间用来让学生进行项目的学习,选择一个贴切的课题,要求每一小组的所有同学共同参与进来解决问题,在课后进行项目汇报,从而获得更深层次的理解。根据各组学生的项目汇报情况,老师可以了解到学生对哪些知识有较好的理解和掌握,对哪部分内容的学习和掌握还有困难,进而根据各组学生的具体学习情况给予辅导,促进学生对知识的吸收内化。

1.2.5 根据不同知识层级灵活开展课后测试

线下课堂学习后,要求学生自己对学习情况进行自我后测。对每一个课程内容,针对具体的知识点准备四五个小问题,要求同学们就这些知识点的学习情况及时进行检测,并对自己的学习效果做出判断。如果回答得不好,学生需要仔细思考哪些方面出了问题,并重新进行学习。学生对后测问题的回答情况通过云平台及时进行汇总处理,帮助教师了解学生的学习状况。

在学生自测的基础上,教研组和企业工程师共同设计了有针对性的案例分析、电路纠错等专题讨论资源,以项目设计驱动教学,拓展学习的深度及广度。在课后测试中设置形式多样的讨论区:“我当小老师”讨论区、分组讨论任务区、重难点解析讨论区等,通过这些讨论区话题的辩论,为学生提供更多学习交流空间,构建一对一、多对一的答疑环境。

1.2.6 多维度考评形成闭环总结

在模块化教学改革之前,教学考核模式是传统的“期末试卷+平时作业”的二维评价方式,这种考核方式难以体现学生的自主学习效果,也无法促进学生参与式学习的积极性,因此,教研组提出了动态、多元化的考核模式。这种多维度考核评价方法涵盖课前自测、课中参与式学习、即时性测试、项目设计和终结性考核等多个环节。学生的最终成绩权重为:期终笔试(40%)+学习笔记(10%)+ 实验(15%)+线上学习(15%)+线下测试(10%)+项目设计(10%)。其中,期终笔试全面考查学生能力目标的达成情况,支撑课程目标三级能力培养。学习笔记对指定自学环节进行学习总结,考查学生的归纳总结能力,支撑初级能力培养。实验考察学生的实践能力,支撑高级能力培养。项目设计考察学生针对特定问题提供设计方案的能力。这种“线上+线下”多维度的闭环教学考核,充分反映了学生在课前自主学习、课中参与式学习和课后知识内化各阶段中的学习效果。

1.3 基于BOPPPS模型的教学环境创设

为了充分发挥BOPPPS模型的优势,提高教学效果,教研组借鉴德国工业4.0应用型人才培养模式[14],立足“中国制造2025”战略部署,在教学过程中融合现代化信息技术手段,创设了时间自由、空间混合的教学环境。建设了智能车辆控制与集成设计技术工程研究中心、现代电子控制与检测应用技术协同创新中心和虚拟现实与增强现实及应用工程实验室等产学研结合平台,并与宏晶微电子科技股份有限公司、联宝电子科技有限公司等企业建立合作实训基地,为学生营造良好的学习和实践条件。

在课后的知识内化阶段,根据“电子技术I”课程的应用范围,教研组为学生开设了项目设计环节,有针对性地鼓励学生根据课程内容进行电路设计。在项目设计环节,将课程实验室和创新实验室交给学生自主管理,并实现了全天候开放,使学生有充足的时间来理解消化课程内容并用于电路设计。

2 教学效果

为了对教学改革的效果进行评估,教研组对基于BOPPPS模型的“线上+线下”混合式教学改革所涉及的学生开展了问卷调查。调查结果反馈表明,大部分学生认为课前学习对自己很有帮助,同学们普遍支持基于BOPPPS模型的教学模式改革。

在学习效果方面,表1统计了教学改革前后学生学习成绩的对比。结果表明,教学改革后学生的平均分、及格率和优良率均有较大幅度的提升,低分成绩占比明显下降,说明基于BOPPPS模型的“电子技术I”课程改革取得了较好效果,为学生知识、能力水平和综合素养的提高打下了坚实基础,夯实了应用型人才培养目标。

除了学习成绩有明显提升,教学改革后电子工程和信息工程专业学生的创新能力也得到了显著提升,学生积极参加全国和安徽省大学生电子设计大赛、全国大学生创新创业大赛、全国大学生物理实验竞赛等国家级和省部级竞赛。

3 结语

近年来,地方本科高校积极开展应用型人才培养模式的改革与探索,合肥学院在转型发展中大力推进模块化教学模式。在“电子技术I”课程教学中,教研组基于BOPPPS模型,探索了网络互动教学模式和翻转课堂相结合的教学模式改革,实现了以学生为主体的参与式学习模式;将企业工程师请进课堂,针对专题开展项目设计,实现了课前课后的任务驱动学习,极大地激发了学生学习的自主性和目的性。

通过基于BOPPPS模型的“线上+线下”混合式教学改革,学生学习的积极性和参与度有明显提高、实践动手能力和创新能力特别是参加各类大赛的能力有大幅提升,表明基于BOPPPS模型的教学改革有效提高了“电子技术I”课程教学的效果。