電工電子技術(shù)實驗課程MOOC教學(xué)實踐
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［摘要］文章針對非電專業(yè)本科生在電路實驗課程學(xué)習(xí)中動手實踐能力弱、實驗效果不理想等問題，基于中國礦業(yè)大學(xué)（北京）采礦工程等非電專業(yè)開設(shè)的電工電子技術(shù)課程實驗教學(xué)改革，探索了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”開放式在線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式，給出了MOOC課程學(xué)習(xí)的體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計了電子電路實驗課程的mooc教學(xué)功能模塊，并通過現(xiàn)代教育技術(shù)手段和遠(yuǎn)程實驗實例開發(fā)與展示，利用MOOC網(wǎng)絡(luò)在線技術(shù)建立遠(yuǎn)程虛擬實驗室，實現(xiàn)在線實驗課程教學(xué)。實踐表明，與傳統(tǒng)的專業(yè)實驗教學(xué)相比，利用MOOC平臺開展實驗課程在線教學(xué)，實驗操作簡便，師生互動與教學(xué)反饋及時，有助于培養(yǎng)和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實踐能力。
［關(guān)鍵詞］MOOC；電工電子技術(shù)；教育現(xiàn)代化；遠(yuǎn)程實驗室；課程改革
一、引言
根據(jù)國家《加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化實施方案（2018－2022年）》以及教育部所確定的專業(yè)實驗教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求，各高校圍繞加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化這一主線，以增加信息量、加強應(yīng)用、便于教學(xué)和培養(yǎng)能力為原則，通過專業(yè)實驗課程教學(xué)改革，旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力?？v觀我國高校專業(yè)實驗課程教學(xué)改革情況，各高校普遍重視大學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，但存在發(fā)展滯后、落實不力、總體水平較低等問題。目前，國內(nèi)部分高校也已開展了專業(yè)實驗教學(xué)改革，將現(xiàn)代教育技術(shù)與實踐教學(xué)相結(jié)合，相繼推出了一批設(shè)計理念新穎、具有一定創(chuàng)新性的綜合實驗教學(xué)項目。然而，目前很多高校非電專業(yè)本科生實驗課程采用傳統(tǒng)的課堂實驗教學(xué)方式，這種教學(xué)模式較為陳舊、學(xué)生實驗方式單一、缺乏對學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。教師講解實驗要求，學(xué)生按部就班地做實驗；教師過多講解，學(xué)生動手參與少。這些使得學(xué)生處于被動的地位，弱化了學(xué)生的動手實踐能力，從而導(dǎo)致其學(xué)習(xí)效果不佳等問題的發(fā)生。受實驗課程教學(xué)計劃學(xué)時限制，學(xué)生實驗任務(wù)單一，從而影響實驗效果，加之學(xué)生人數(shù)眾多，實驗室接納能力有限，很難接納幾十上百人同時開展實驗。但如果分批做實驗，又由于課時有限而導(dǎo)致學(xué)生實際實驗內(nèi)容并不飽滿，不利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新實踐能力[1-2]。MOOC作為遠(yuǎn)程教育領(lǐng)域的一種創(chuàng)新模式，對傳統(tǒng)教學(xué)模式產(chǎn)生巨大的沖擊，同時也引起廣泛關(guān)注[3]。由于MOOC學(xué)習(xí)具有開放性、遠(yuǎn)程在線等優(yōu)點，學(xué)生可以通過互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)平臺，采用E-learning學(xué)習(xí)形式，訪問、學(xué)習(xí)教學(xué)課件資源，隨時隨地與他人進(jìn)行充分的在線交流和討論，從而使學(xué)生知識探究的邊界在理論上得到無限的擴充[4-6]。基于此，筆者在分析MOOC教學(xué)模式以及研究互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于MOOC教學(xué)模式的實驗課程學(xué)習(xí)體系結(jié)構(gòu)模型，并通過建立MOOC實驗課程設(shè)計，以我校非電專業(yè)本科的“電工電子技術(shù)”課程進(jìn)行實踐教學(xué)探索，通過嵌入式的虛擬現(xiàn)實實驗系統(tǒng)，建立遠(yuǎn)程MOOC教學(xué)實驗平臺，并在我校采礦工程、測控技術(shù)等專業(yè)進(jìn)行實驗課程教學(xué)改革。結(jié)果表明，基于MOOC學(xué)習(xí)的實驗課程有利于促進(jìn)學(xué)生的在線學(xué)習(xí)和教師的實踐教學(xué)，尤其在提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐技能方面都取得了較好效果。
二、MOOC的體系結(jié)構(gòu)
CELTS標(biāo)準(zhǔn)、IMS規(guī)范和IEEE1484標(biāo)準(zhǔn)都提出了不同的學(xué)習(xí)系統(tǒng)框架，CELTS提出的框架參考了IEEE1484標(biāo)準(zhǔn)，但是IMS框架過于具體化，理論抽象與泛在化程度不高。因此，本文以IEEE1484標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)框架，構(gòu)建面向本科教學(xué)的MOOC遠(yuǎn)程教育學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)，提出一個關(guān)于在線遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)系統(tǒng)的整體架構(gòu)（LearningTechnologySystemsArchitecture，LTSA）作為MOOC教學(xué)系統(tǒng)的抽象模型[7-9]，如圖1所示?；贚TSA架構(gòu)的MOOC學(xué)習(xí)系統(tǒng)由4個主要組件和2個數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，其中，4個組件分別是學(xué)生組件、評估組件、教學(xué)組件及投遞組件，2個數(shù)據(jù)庫包括學(xué)習(xí)資源庫和學(xué)習(xí)記錄庫。教學(xué)組件是整個體系模型的核心，在系統(tǒng)的運行過程中起關(guān)鍵協(xié)調(diào)作用。上述體系框架中，學(xué)生通過學(xué)生組件向教學(xué)組件提交學(xué)習(xí)參數(shù)，同時將行為通過投遞組件傳遞給評估組件；評估組件根據(jù)學(xué)生在記錄庫中保存的學(xué)習(xí)記錄及歷史信息，對當(dāng)前學(xué)生提出的學(xué)習(xí)參數(shù)進(jìn)行評價；教學(xué)組件根據(jù)評價信息和歷史信息在學(xué)習(xí)資源庫中查詢適合學(xué)生需要的資源，然后通過投遞組件將學(xué)習(xí)資源以多媒體的形式推送給學(xué)生，從而完成一次學(xué)習(xí)任務(wù)的請求、交互過程[10]。此外，評估組件可以根據(jù)學(xué)生的行為記錄，對其學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評估，從而在一定程度上彌補了MOOC課程缺少合適評估機制的不足。
三、MOOC課程設(shè)計與實踐
（一）MOOC課程設(shè)計為了更好地促使非電專業(yè)學(xué)生用創(chuàng)造性的思維來進(jìn)行觀察、學(xué)習(xí)和研究，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新實踐能力，筆者依據(jù)教育部最新版本的“電工學(xué)教學(xué)基本要求”所確定的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)要求，本著增加信息量、加強應(yīng)用、便于教學(xué)和培養(yǎng)能力的原則，利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，采集相關(guān)課程設(shè)計、教學(xué)實施、教學(xué)效果以及學(xué)生應(yīng)用實踐能力等相關(guān)信息，多維度地綜合分析，客觀地判斷相關(guān)課程教學(xué)和學(xué)生應(yīng)用實踐能力是否能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。本文通過對MOOC實驗教學(xué)活動的研究與探索，旨在為電工電子技術(shù)課程的實驗教學(xué)改革提供理論支撐。結(jié)合我校采礦工程、測控技術(shù)等非電專業(yè)本科生開設(shè)的電工電子技術(shù)實踐教學(xué)，根據(jù)實驗課教學(xué)大綱及學(xué)習(xí)目標(biāo)，本文給出了電工電子技術(shù)實驗課程的MOOC教學(xué)設(shè)計，通過Web頁面所展示的基于MOOC教學(xué)平臺的實驗設(shè)計，讓學(xué)生通過自主注冊完成電子電路的實驗分析和考試評估，并通過MOOC遠(yuǎn)程實驗使學(xué)生掌握電子電路課程的有關(guān)內(nèi)容和技術(shù)。MOOC教學(xué)平臺包括1個初始化模塊和8個功能模塊。其中，MOOC初始化模塊主要是完成課前的基本數(shù)據(jù)獲取、統(tǒng)計，如學(xué)生基本信息，包括學(xué)生所在班級、專業(yè)等以及學(xué)生的學(xué)術(shù)水平。而功能模塊涵蓋了教學(xué)大綱、課件、作業(yè)、討論、遠(yuǎn)程實驗、在線提問、教學(xué)反饋和考試測試等8個模塊。各個功能模塊既彼此獨立又相互關(guān)聯(lián)，如教學(xué)大綱為課程學(xué)習(xí)提供學(xué)習(xí)的目標(biāo)、任務(wù)、重點和難點。例如，電工電子技術(shù)遠(yuǎn)程實驗?zāi)K提供了學(xué)生所選MOOC課程的所有理論教學(xué)和實驗內(nèi)容的教學(xué)大綱文件，介紹了電子學(xué)仿真的基礎(chǔ)知識，并使學(xué)生加深了對LabView或SPICE電路仿真工具使用知識的理解與掌握。MOOC遠(yuǎn)程實驗教學(xué)的具體課件內(nèi)容包括以下幾點：（1）電子電路設(shè)計中的仿真工具使用。（2）電子元器件的使用與應(yīng)用實踐。（3）戴維南電壓和電流定律等實驗驗證。（4）基本電氣使用和電子電路的設(shè)計及實踐。（5）電路及系統(tǒng)的設(shè)計方法及實驗驗證與分析。如圖2所示，本文所設(shè)計的基于MOOC的教學(xué)課件、教學(xué)反饋、作業(yè)和討論等模塊，為學(xué)生在線提供了相關(guān)的學(xué)習(xí)資源和補充材料，便于學(xué)生在實驗過程中隨時開展在線查閱和學(xué)習(xí)。同時開展電子技術(shù)實驗的創(chuàng)新性教學(xué)，豐富MOOC教學(xué)實踐內(nèi)容，通過開發(fā)相關(guān)MOOC學(xué)習(xí)教具，進(jìn)一步完善MOOC實驗教程和教程視頻，從而幫助學(xué)生進(jìn)一步研究電氣設(shè)備電氣特性以及運用常見元器件組件設(shè)計相關(guān)實驗?zāi)Ｐ?。例如，圖2展示的教學(xué)實驗?zāi)Ｐ?，是通過借鑒昆蟲運動原理和單片機控制理論設(shè)計開發(fā)的一種用于故障檢測的六足智能機器人模型，通過這樣在線、直觀的模型展示，使學(xué)生將理論知識運用融入專業(yè)實踐學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)當(dāng)中，更加有利于拓寬學(xué)生的知識視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和動手實踐能力[11]。利用此模型，教師可以先引導(dǎo)學(xué)生思考和梳理與此模型有關(guān)的電路理論知識，激發(fā)學(xué)生對電子技術(shù)和機器人知識學(xué)習(xí)的興趣，從而進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生利用MOOC在線學(xué)習(xí)相關(guān)課程內(nèi)容，為電工電子技術(shù)實驗課程學(xué)習(xí)提供一種行之有效的教學(xué)方式。
（二）基于MOOC學(xué)習(xí)的教學(xué)實踐培養(yǎng)學(xué)生的問題分析能力和創(chuàng)新實踐能力是電工電子技術(shù)課程的教學(xué)目標(biāo)，而實驗教學(xué)內(nèi)容對學(xué)生專業(yè)知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)建是否合理具有較大影響[12]。MOOC教學(xué)實驗平臺采取開放式的教學(xué)模式，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主、教師啟發(fā)為輔，面向參與實驗教學(xué)的學(xué)生全天候開放，便于學(xué)生隨時在線學(xué)習(xí)。圖3呈現(xiàn)了MOOC教學(xué)平臺的遠(yuǎn)程實驗?zāi)K有關(guān)教學(xué)實踐應(yīng)用場景，展示了集成運算放大器實驗教學(xué)中有關(guān)運放電路應(yīng)用實例的視頻截屏。電路板作為電子技術(shù)仿真實驗的基本教學(xué)工具，將其展示出來的目的是讓學(xué)生對有關(guān)電路板及電子元件等有感性認(rèn)識和初步了解，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步通過MOOC遠(yuǎn)程實驗室進(jìn)行實驗學(xué)習(xí)，從而增強學(xué)生對電子電路有關(guān)知識的理解和掌握能力。學(xué)生通過MOOC課程的遠(yuǎn)程實驗，能夠根據(jù)自己設(shè)計的電路模型，通過仿真工具分析電路，在遠(yuǎn)程實驗室獲得實驗結(jié)果以及分析、比較所獲得的實驗結(jié)果與理論之間的差異。此外，學(xué)生利用MOOC實驗平臺學(xué)習(xí)，能夠隨時與實驗教師進(jìn)行交互式討論和溝通，實現(xiàn)真正意義上的一對一教學(xué)。
四、MOOC課程教學(xué)實驗效果
基于MOOC學(xué)習(xí)的教學(xué)實驗中，學(xué)生是實驗的主體，我們近年來利用現(xiàn)代教育技術(shù)手段對電工學(xué)課程教學(xué)改革的探索和研究實踐證明，上述實驗在我校采礦工程、測控技術(shù)等非電專業(yè)的教學(xué)實施和不斷完善中取得了較好的效果。
（一）培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力我們在MOOC教學(xué)實踐中，以采礦工程、測控技術(shù)等專業(yè)班級為例，每6～8人組成一個實驗項目組，在開展實驗之前，指導(dǎo)教師給學(xué)生下發(fā)實驗任務(wù)書，學(xué)生根據(jù)任務(wù)書的要求，先查閱相關(guān)資料、設(shè)計方案，對涉及的操作實驗、過程管理和數(shù)據(jù)分析以及對實驗結(jié)果進(jìn)行總結(jié)與評定，最后撰寫實驗報告。學(xué)生通過在線方式開展靈活多樣的小組討論學(xué)習(xí)活動，小組成員推選能力突出的學(xué)生作為本組的主導(dǎo)者，帶領(lǐng)項目組團隊開展互助式學(xué)習(xí)，這有助于學(xué)生組織能力、溝通能力和團隊合作意識的培養(yǎng)，為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)打好基礎(chǔ)。與此同時，學(xué)生通過MOOC學(xué)習(xí)開闊了專業(yè)視野，通過個人在線課堂展示培養(yǎng)和鍛煉了創(chuàng)新思維能力和應(yīng)用實踐能力。
（二）培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與綜合素質(zhì)MOOC教學(xué)模式使教師由傳統(tǒng)的課堂知識傳授者轉(zhuǎn)變成學(xué)習(xí)指導(dǎo)者和督促者。教師不僅需要不斷提高自身的創(chuàng)新能力，利用互聯(lián)網(wǎng)等信息化手段服務(wù)于教學(xué)全過程，而且需要有意識地引導(dǎo)學(xué)生熟悉使用互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，潛移默化地啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新潛質(zhì)。教師通過MOOC教學(xué)平臺將優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源推送給學(xué)生，以供學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)。與此同時，學(xué)生由原來的被動做實驗變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，自主、靈活選擇實驗時間，自主完成實驗操作，開展個性化學(xué)習(xí)與探索。教師可以針對學(xué)生提出的疑難問題集中答疑，也可以針對性地與學(xué)生個別討論。因此，此教學(xué)模式不僅能夠提高學(xué)生的動手實踐能力，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，從而為學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)提供幫助。
（三）有利于全面考核和評價學(xué)生學(xué)習(xí)效果采用傳統(tǒng)的依據(jù)實驗內(nèi)容和實驗報告來考核的方法，在很大程度上不能真實地反映學(xué)生的創(chuàng)新思維和學(xué)習(xí)水平。因此，我們對傳統(tǒng)的成績評定方法進(jìn)行了改革，在開放式實驗平臺采用綜合評價方式對學(xué)生實驗成績進(jìn)行考核，評價指標(biāo)主要包含在線實驗操作考核、在線撰寫實驗方案評價以及在線撰寫實驗報告評價等，這樣能夠有效督促學(xué)生動腦動手實踐，也能夠更好地鼓勵學(xué)生在實驗中大膽探索和創(chuàng)新。例如，在基于電子電路集成運放應(yīng)用實驗中，根據(jù)每個小組學(xué)生設(shè)計的實驗方案，綜合學(xué)生在實驗過程中完成的電路模型、電路板質(zhì)量和實驗報告評價，最后給出考核成績，這樣能夠更加全面地考核和評價學(xué)生在教學(xué)實驗活動中的實際表現(xiàn)和學(xué)業(yè)水平。
五、結(jié)束語
本文研究和探索了一種開放式在線學(xué)習(xí)的MOOC實驗教學(xué)模式，以我校采礦工程、測控技術(shù)等非電專業(yè)教學(xué)為例，結(jié)合實驗課程教學(xué)改革目標(biāo)建設(shè)了MOOC實驗教學(xué)平臺，將互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代教育技術(shù)手段服務(wù)于教學(xué)全過程，旨在為本科生完成電工電子技術(shù)實驗課程的學(xué)習(xí)提供指導(dǎo)和幫助。與傳統(tǒng)實驗教學(xué)以及以微課和博客為主要載體的網(wǎng)絡(luò)課程相比，MOOC實驗教學(xué)可以為學(xué)生提供一體化的教學(xué)實驗和學(xué)習(xí)空間，使學(xué)生可以進(jìn)行更加充分的在線互動交流，并較為詳細(xì)地記錄和跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，及時地對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果加以反饋和引導(dǎo)。研究表明，在研究性大學(xué)開展創(chuàng)新性實驗教學(xué)改革，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與現(xiàn)代教育信息技術(shù)相融合，通過師生在線互動，能夠進(jìn)一步拓寬學(xué)生的知識視野，更加有效地激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和求知興趣，有助于提高學(xué)生的專業(yè)理論知識運用能力與創(chuàng)新實踐能力。
作者：張帆 孫曉輝 單位：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機電與信息工程學(xué)院
