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摘要：在高等教育电工电子学教学中，学生们的知识结构和特点、专业等各不相同，在教学中应根据学生的不同特点、不同专业、不同培养要求，结合我校具体情况，将学生按专业及按培养目标分类，进行高区分度立体化教学。并采用案例教学，同时利用口袋实验套件配合课堂教学，构建“课本—课堂理论教学—视频动画—口袋实验—网络平台—综合设计—创新”的全方位立体化趣味性教学体系，做到教—学—做—用一体化，必将对学生综合分析能力、开发和创新能力的培养大有裨益。
关键词：电工电子学；高区分度；立体化教学
本文引用格式：刘磊明，等.电工电子技术高区分度立体化教学模式探索与实践[J].教育现代化,2019,6(45):137-141,157.
Exploration and Practice of Three-dimensional Teaching Model with High Distinction in Electrical and Electronic Technology
LIU Lei-ming,XUE Yan,SHI Xue-fei
(School of Automation&Electrical Engineering,University of Science and Technology,Beijing,China)
Abstract:In the teaching process of Electrotechnic and Electronic technique course,the students’specialty,knowledge structure and characteristics are different,We should change the traditional teaching mode,teach students in accordance with their aptitude,their specialty,and their education target,combine general education and fine classification education,to cultivate more specifications,multi-level talents.
Key words:Electrotechnics and electronics;Three-dimensional teaching；High discrimination
一引言
在现今社会中，电工电子技术的应用已渗透到采矿、环境、安全、车辆、能源、钢铁冶金、材料成型与控制、冶金机械等专业的各个学科领域，是门实践性很强的专业基础必修课，既有基础理论又有专业知识，理论和实践并重，是培养学生动手能力、独立分析和解决问题能力、激发学生学习兴趣、树立创新思想的重要环节，同时也是由纯理论课学习向工程实践应用过渡的桥梁，有利于学生树立工程意识，对学生的科技创新意识和创新能力的培养起着至关重要的作用。
电工电子技术系列课程是所有理工类专业学生学习的基础课程。传统的电工电子技术课程主要分为两大类，即面向电类专业和非电类专业的理工科学生。对于电类专业（包括自动化、测控、智能、计算机、通信、信安、物联网等专业）的学生，把电工电子技术分为电路I，电路II（电网络理论），模拟电子技术，数字电子技术；对于非电类专业（包括材料、机械、冶金、土木等专业）的学生，把电工电子学分为电工技术与电子技术两门课程，其中电工技术中包含电路分析和电机与控制等内容，电子技术包含模拟电子技术和数字电子技术。
因材施教是我国古代的一条重要的教育教学原则[1]。它是在春秋时期孔子兴办私学、教授诸生的实践中创立的，距今已有两千五百多年的历史，因：根据；材：资质；施：施加；教：教育，即在教学中根据不同学生的认知水平，学习能力以及自身素质，教师选择适合每个学生特点的学习方法来有针对性的教学，发挥学生的长处，弥补学生的不足，激发学生学习的兴趣，树立学生学习的信心，从而促进学生全面发展。
因材施教的典故原文是这样的[2]：子路问：“闻斯行诸？”子曰：“有父兄在，如之何其闻斯行之？”冉有问：“闻斯行诸?”子曰：“闻斯行之。”公西华曰：“由也问，闻斯行诸？子曰，‘有父兄在’；求也问闻斯行诸，子曰‘闻斯行之’，赤也惑，敢问。”子曰：“求也退，故进之；由也兼人，故退之。”大意是[2]：子路问孔子：“先生，如果我听到一种正确的主张，可以立刻去做么？”孔子看了子路一眼，慢条斯理地说：
“总要问一下父亲和兄长吧，怎么能听到就去做呢？”子路刚出去，另一个学生冉有走到孔子面前，问：“先生，我要是听到正确的主张应该立刻去做么？”孔子马上回答：“对，应该立刻实行。”冉有走后，一直在孔子身边的学生公西华奇怪地问：“先生，一样的问题你的回答怎么相反呢？”孔子笑了笑说：“冉有性格谦逊，办事犹豫不决，所以我鼓励他临事果断。但子路逞强好胜，办事不周全，所以我就劝他遇事多听取别人意见，三思而行。”因此，北宋理学家程颐[3]说：“孔子教人，各因其材。”朱熹对此的注释是[4]：“圣贤施教，各因其材。小以小成，大以大成，无弃人也。”于是有了“因材施教”的说法。可见，因材施教就是因人而异进行教育教学，所谓“材”，主要指学生的个性差异。教育教学必须针对学生的个性特点，从实际出发，有的放矢，采取不同的途径、措施和方法。可见，对不同的学生应该采取不同的教育方法，即对教育对象进行分类教学[5]。
在高等教育电工电子技术类课程的教学中，学生们的知识结构和特点、专业等各不相同，当前的分类较为粗糙，只是根据电类和非电类做了区分，但是在非电类中，目前面向非电类学生的电工电子技术所讲的内容是面向所有的非电专业的学生，不论是机械，冶金，材料，土木，环境，安全等专业，他们学习的都是相同的内容，不同专业讲解内容并没有区别。学生的专业各有不同，如果都是教授统一的内容，势必会造成区分度不大，没有结合专业特点，使得学生会有“这门课程与本专业无关，为什么要学习？”这样的困惑。如果能在教学中根据学生的不同特点、不同专业、不同培养要求，结合我校具体情况，进行精细化分类教学，高区分度教学。以通识教育为主，通识教育和精细化分类教育相结合，改变传统的教学模式，因材施教，结合与专业相关实例讲解，才会引发学生学习兴趣，激发学生的创新意识、创新思维，为培养多规格，多层次的人才打基础。
二 电工电子学“因材施教，高区分度”教学体系的建立
构建“因材施教，高区分度”教学体系，将授课对象按专业分类及按培养目标分类，培养有特色创新型人才。当前的电工电子技术类课程分类较为粗糙，只是根据电类和非电类做了区分，我们考虑在教学中根据学生的不同特点、不同专业、不同培养要求，结合我校具体情况，进行精细化分类教学，高区分度教学。以通识教育为主，通识教育和精细化分类教育相结合，为培养多规格，多层次的人才打基础。首先建立电工电子技术教学的精细化分类课程知识体系和教学策略，坚持“因材施教”的教学方针，对教学对象进行分类别，再根据教学对象搭配合适的教学内容模块学习“套餐”，最后针对不同的教学内容模块特点选择合适的教学手段和方法，构建科学合理的教学内容模块及资源建设，搭建“菜单式”教学内容配餐平台。开展分类教学改革，教学内容模块和资源建设是根本，它借助合适的教学方法和手段传播给合适的教学对象，是分类教学改革的核心，激发学生的学习兴趣，学习潜能，提升自我学习和创新能力。
在当前的教育环境下，人才培养模式的改革符合当前社会发展的需求，无论对于人才教育本身、高校人才培养还是学生本身而言，都具有重要的意义。在人才培养过程中，教育模式的改革并不是目的，它仅仅是推动当前高校人才教育发展的一种方式，最终使得高校人才教育更加符合当前社会发展的需要。通过分类教育模式，增强了人才培养过程中的目的性和针对性，从而更加有效地开展和实施教育活动。高校传统人才教育过程中，对于人才培养的要求更加笼统，教育方式满足的是大多数人的需求。这种方式导致不同层次的学生接受的教育内容和形式相同，无法真正让每一个学生都获得较好的发展。因此，教育的目的性和针对性较为模糊。利用分类教学方法，能够让教师更加明确学生个人的特点，从而更好地制定教学任务，增强教学效果。这种目标的明确化能够有效地让学生明确自身的不足，从而更加有针对性地学习。
在2017版培养计划的制定过程中，我们与相关学院（包括机械学院，材料学院，冶金学院，土资学院，能环学院，高工学院，计通学院等）进行了充分的沟通，专门召开了教学大纲沟通研讨会，了解相关需求，并深度走访兄弟院校，如北京邮电大学，北京交通大学等，学习了解相关经验。最终确定了2017版培养计划及教学大纲。2017版培养计划中，课程变动比较大，由原来学时和内容较为统一的情况更新为：电工技术A(48学时)，电工技术B(40学时)，电工技术C(32学时)，电子技术A(48学时)，电子技术B(40学时)，电工电子学(64学时)，模拟与数字电子技术(48学时)，电路AI(48学时)，电路AII(24学时)，电路B(40学时)，模拟电子技术A(64学时)，模拟电子技术B(48学时)，数字电子技术(48学时)等课程，以适应不同学科专业需求，进行分层次教学，有区分度的教学。2017版培养计划课程的制订情况如图1所示，课程的设置为我们的分层次教学，有区分度的教学建立了大体的结构框架。
三结合专业特点的案例式教学
在此框架基础上，结合各专业特点，增加与专业相关实例，实行案例式教学。设计融合工程思维，结合专业特点的工业应用案例。当然，由于我们对各专业的熟悉程度有限，结合专业的实际应用案例需要通过调研，征集相关案例，建立案例库，并不断完善案例库。
在实施案例教学过程中，考虑改变之前按部就班的讲解思路，例如，之前电子技术的讲解思路是先讲模拟电子技术，再讲数字电子技术，模拟部分按照元件-基本放大电路-多级放大电路-集成运算放大器-集成运放的应用，数字部分按照门电路-组合逻辑电路-时序逻辑电路这样的顺序。我们考虑采用案例式教学，结合专业特点选择几个案例，根据案例展开，打破原来的讲解顺序，比如电子技术中有一个实例：火灾报警电路，ui1=ui2分别来自两个温度传感器，它们安装在室内同一处:一个安装在塑料壳内，另一个安装在金属板上，无火情时,ui1=ui2，声光报警电路不响不亮，一旦发生火情，安装在金属板上的传感器因金属板导热快而温度升高快,另一个升高慢,于是产生差值电压,当差值达到一定数值时,电路报警。电路框图及电路图如下。新的讲解思路可以考虑按照报警电路的结构从前向后逐一讲解电路，即先讲差动运算电路，再讲电压比较器，最后讲声光报警电路，涉及到相关元器件如运算放大器，发光二极管，三极管时，再讲解元器件的特性、功能。这样会使学生有感性认识，了解到元器件及电路的实用性，避免讲了半天元器件，讲了半天基本放大电路，不知道有什么用。
对不同专业，不同培养目标的授课对象有针对性地确定教学内容，采用不同的教学方法及考查方式，留不完全相同的作业，特别是针对不同的专业有不同的大作业，包括调查报告，课程设计，主题讨论等。组织小型的研讨会，拟定讨论题目或让学生自由选题做口头报告，并作为考核的一部分。
制定配套的教学大纲，制作教学课件，编写讲义。授课过程中注重理论与实践相结合，但也不能轻理论重实践。项目组教师明确分工，定期汇总进度，并组织项目组教师召开教学研讨会或参加教育教学会议，多做调研，学习其他高校先进经验，加强交流与合作。
注重课程的连续性和各课程的衔接。在对课程进行介绍时，着重介绍与前续课程的关系，联系和区别。比如在讲电子技术的模拟电子技术部分时，介绍一下模拟电子技术与前续课程，即电工技术中的电路分析的关系，主要讲联系和区别。再结合课程内容增加与后续课程的联系，比如受控源电路以《电子技术》中晶体三极管的微变等效模型为例讲解。通过和后续课程的联系，发挥了对后续课程的启蒙作用，增加了学生对后续课程学习的兴趣，做到“承前启后”。授课时注重激发学生的学习兴趣，上好第一堂课和最后一堂课，并且前后呼应。
针对材料专业的学生，可以让学生调查不同材料制成的电阻、电容，各有什么功能；或者调查发光二极管添加什么材料能发出什么颜色的光，为什么，等等，并且让学生讲解，讨论，既激发学生的学习兴趣，也有助于加强他们对本专业的了解。也可以在电工教学中向学生引进前沿的研究成果，如关于第四种基本电路元件即忆阻器的认识、理解和掌握。忆阻器作为教科书上还没有提及的基本元件，适当补充进电工学的教学中，使学生借助文献阅读，深刻理解和掌握材料、元件与电路之间的联系。因为在新世纪，随着纳米技术的逐渐成熟，特殊功能材料的制备、结构与特性息息相关。通过在教学中介绍忆阻器的概念，可以使学生进一步加深理解与明确材料科学与电工学的密切关系，以及作为“材料人”在今后的努力和发展方向。
对于机械类专业中的机械工程及自动化专业、车辆工程等专业的学生，对电工学知识的要求比较高，接近电类专业的要求，要让学生了解机和电就像孪生兄弟，互不分家，离开了电来谈机械等于是鱼离开了水一样无法立足，工业上的各种生产机械--机床、起重机、轧钢机、锻压和铸造设备、鼓风机、水泵等都是用电来驱动的。机械里面要用到很多电工学的知识，包括基本的电路知识，还有一部分电机学知识，电子技术的相关知识等。比如，在对各种金属材料进行切削、锻压等各种加工时，要用到多种金属切削机床、起重机、锻压机等，这些机器的主要动力都是由三相异步电动机提供的。其中，控制车床主轴的正反转是由三相异步电动机的正反转来实现的。磨床上控制工件的来回往复运动是利用控制开关实现的。其中所涉及到的正是电工技术中有关电动机控制方面的内容。对于车辆工程专业的学生可以举例汽车的电子点火装置正是利用了电感的暂态特性。
对于冶金工程专业的学生，我们会向学生简单介绍一下炼钢轧钢过程中用到的电工电子及自动控制技术等，如PLC（可编程控制器）在炼钢轧钢过程中的应用，给学生看一些轧钢炼钢流程的视频录像，对其中用到的电工电子技术及自动控制技术等作简要的介绍，提高学生的兴趣。比如无论炼铁还是炼钢，都会使用大量的电气设备，这些设备有必要的照明设施、变压器和电机等。
对于采矿工程等专业的学生，我们会增加一些矿井供电系统和电气安全等相关知识及实例，例如基于PLC在矿山空气压缩机控制系统中的应用等，使学生认识到电工电子技术对所学专业的重要意义，并且激发学生的学习兴趣。
对于环境工程专业的学生，我们介绍一些环境在线监测、自动控制、环境遥感和遥测以及环保设备和环保仪器的原理、结构和电路设计等的相关内容，让学生懂得对于大气，水质等环境要素的实时、多源、高效、高精度的在线监测并对相关环境监测信息进行处理、存储、分析管理、表达、评估和决策等这些工作需要环境工程专业知识，同时也需要电工电子技术专业知识，复合的专业人才培养是未来的大方向。
对“材料科学与工程专业国际班”的学生，则不仅要考虑到材料专业的特点，更要着眼于培养国际型拔尖人才，培养有国际化视野和交流能力的材料科学与工程专业人才，考虑采用英文教材，英文授课，英文试题，着重培养国际型拔尖人才、创新人才。
对于高等工程师班的学生，教学目标应是着眼于培养工程型人才，培养学生工程实践能力、工程设计能力和创新能力，可以适当减少理论教学的学时，增加实践、仿真、实验环节，组织小型电子设计比赛等，着重培养学生工程实践、设计和创新能力。
四利用口袋实验室配合课堂教学，构建立体化趣味性电工电子教学体系
根据工程技术人才的素质、知识和能力要求，我们考虑将口袋实验室作为学习工具融合于电工电子的教学中，在案例教学同时利用口袋实验套件配合课堂教学。由于口袋实验室便于学生不受时间、地点的限制自己动手，能大大地拓展学生的学习和实验空间，再辅以相应的课程考核方式，构建“课本—课堂理论教学—视频动画—口袋实验—网络平台—综合设计—创新”的全方位立体化趣味性教学体系，做到教—学—做—用一体化，必将对学生综合分析能力、开发和创新能力的培养大有裨益。
传统的实验教学，学生均在实验室中进行，实验电路大多已连好，学生只需简单连接就可测量。这种教学方式虽可较顺利地完成实验，但就学生而言，他们进行实验的时间、空间都受限，不利于学生的动手能力、分析问题和解决问题能力的培养。传统的电工实验共有6个内容，分4次完成。分别是：①基尔霍夫定律、叠加原理、戴维宁定理；②日光灯电路功率因数的提高；④三相交流电路及其功率测量；④三相异步电动机可编程控制器控制。其中
①为验证性实验，②和③为综合性实验，④为设计、创新性实验。电子实验共有7个内容，分5次完成。分别是：①常用电子仪器使用练习实验、晶体管交流放大电路的研究；②基本运算放大电路的研究；③直流稳压电源实验；④门电路与组合逻辑电路的分析与设计、采用中规模集成器件组成组合逻辑电路；⑤数字电路的设计与实践。其中①、②为验证性实验，③和④为综合性实验，⑤为设计、创新性实验。但是由于实验单独设课，并且实验室条件限制，不能保证理论课上完直接做实验，理论课和实验课分属不同二级单位负责，在一定程度上存在理论课和实验课脱节的问题；学生时间固定在有限的时间和固定的场所内，不利于学生拓展思维，培养创新意识。口袋实验室，顾名思义，揣在口袋里的实验室，便携就是它的最大优点，对于学生而言，就可以不限时间，不限地点的做实验，教师可以布置精选的课外小型设计题目，把尝试成功、质疑问题、发现探究、实现创新的权利还给学生，构建新的教学模式，可实现以课堂教学为主向课内外相结合转变，使学生培养自主的学习意识，发展自主学习的能力。同时也使以结果评价学生学业为主向结果、过程评价相结合成为可能。让课堂教学由纸上谈兵讲解向直观可见、动态演示讲解转化，寓理论于实例之中展示，激发学生的学习兴趣，实现以教为主向以学为主转变。以激发学生兴趣为导向，努力打造有趣的电工学，让学生在学课程的同时，也能把电子技术“玩”起来。引入口袋实验室，为“玩”电路奠定硬件基础，克服传统实验课程教学模式（单纯的验证性实验和低水平的重复实验）的弊端，使实验真正体现“基础性、综合性、实践性、创新性”的特点，充分调动学生的学习热情，培养和造就创新性人才，构建全方位立体化趣味性电工电子技术教学模式。
目前上学期的电工电子学课程和本学期的电工技术采用的是自主式实验，允许学生自主选择实验，充分调动学生学习的积极性和参与性，学生可以自由2-4人一组，集体完成一个小实验，每个小组各人有分工，将完成的口袋实验拍成小视频提交，并提交总结报告，并利用课堂1-2个学时给学生展示的机会，各组做简要的展示答辩报告，并现场评分，作为平时成绩的一部分。
目前考虑的基于口袋实验室的与理论教学相配套的课外小型设计实验有：（1）光控报警器；（2）光控小路灯；（3）继电器与接触报警器；（4）接近感应开关；（5）三极管开关与延时风扇；（6）电容的储能与延时开关；（7）三极管与话筒扩音器；（8）耳机与简易窃听器；（9）比较器与天黑照明灯；（10）Class AB多媒体音箱放大器；（11）或门和报警器；（12）与非门和水箱水位报警器；（13）七段数码管与逻辑控制；（14）加法计算器；（15）3-8译码器与扫描七段数码管；（16）洪水-下雨-水位报警器；（17）计数器。后续还会根据学生做的情况补充相关实验。学生可在其中自选实验，也可以在这些之外自由选实验。在学生自己实际完成实验时，才能真正做到理论联系实际。正所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。例如在书本学习电容时，学生只知道电容值是多少法拉，但是实际中使用电容时不单单要考虑电容的电容值，还要考虑有极性还是无极性，哪种材质构成，耐压值等实际的参数。不但引起学生的好奇心，还会从实践中体会到器件各个参数真正的含义。
对于讲解的理论知识，之前的做法可能只是讲，做题，做作业，考试，基础课程大体的思路都是这样，我们目前的做法是讲理论知识，然后讲例题，以二极管为例，先讲二极管的单向导电性，然后讲应用的例题，结合例题看相关实例，看相关视频实例，强化理解和直观认识，搭建实际电路给学生展示，再让学生自己回去做。从听到做的过程就一个体系下来了，十分流畅。
我校的电工电子技术高区分度立体化教学模式有以下特色与创新点:1）电工电子学高区分度立体化教学体系的建立，坚持“因材施教”的教学方针，对教学对象进行分类，再根据教学对象选择合适的教学手段和方法，取得较好的教学效果；2）结合各个专业的案例式教学，科学合理的教学内容模块及资源建设，教师利用超星学习通平台点名，测验，上传PPT课件，推送作业，上传动画视频资料，学生可以随时随地自动查询课件及作业，观看视频资料；3）利用口袋实验室配合课堂教学，构建立体化趣味性电工电子教学体系，口袋实验与课堂教学相结合，理论联系实际，以激发学生学习潜能，提高学习兴趣， [5]提升自我学习和创新能力。做到老师真教、课堂真学、学生真会。让教学回归初心、回归本分。
参考文献
[1]梁秋英,孙刚成.孔子因材施教的理论基础及启示[J].教育研究,2009,11:87-91.
[2]《论语·先进篇》.
[3]程颐.河南程氏遗书(卷十九)[M].朱熹编.北京:商务印书馆,1935:276.
[4]朱熹.四书章句集注·论语集注(卷十三)[M].北京:中华书局,1983:362.
[5]闫广芬 , 李忠 . 试析孔子“因材施教”的理论依据 [J]. 教育研究 ,2003(08):73-77.
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