高等院校教学设计创新大赛特等奖展示：电路原理

高等院校教学设计创新大赛特等奖展示：电路原理一、课程教学设计方案（整门课程的教学设计）1.学情分析与课程目标“电路原理”是我校电类专业学生必修的第一门专业基础课，课程通常在大一下学期进行授课。上课学生量大面广，每年全校上课人数在500人左右，分别来自电气工程、自动化、软件工程、计算机科学与技术等专业，课程内容掌握情况对后续课程（如模拟电子技术、电力系统分析等）有重要影响。学生数理基础普遍较好，但差异性也很大，千人一面的传统授课模式很难满足所有学生的学习需求，因此基于“以学生为中心”的教学理念，有必要针对不同基础、不同需求的学生采用不同的教学模式，提高学生的学习成效。本课程面向电气工程专业部分动手能力强、自我期望高的学生，采用基于小班完全翻转课堂的混合式教学模式。秉承我校“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的育人理念，本课程的教学目标包括：（1）掌握与电路元件、电路拓扑、电路分析（含线性/非线性直流、动态、正弦稳态）相关的概念，并能快速找到合适方法，准确求解线性电阻电路、非线性电阻电路、动态电路的过渡过程和正弦激励下动态电路的稳态解。（2）勇于接受挑战，面对新元件新系统，能够应用现有方法，对其进行建模和有效分析，具有较好的研究性学习能力。（3）能够根据给出的工程约束，设计出符合要求的电路，通过仿真验证其正确性，并能进一步搭建出实际的实验电路进行测试和分析，具有一定的创新能力。（4）乐于并善于与他人合作，共同学习，共享成果。（5）了解学科和产业前沿，初步建立专业认同，树立终身学习意识。2.课程教学设计思路2.1教学改革重点解决的问题本课程在教学中遇到的两个突出问题是：（1）百年“老”课如何上出“新”意？电路原理课程中的理论体系绝大部分大约100年前就已经发展成熟了，这样一门“老”课如何能够在教学方法、教学资源尤其是在教学内容上做到与时俱进，从而激发学生的学习兴趣？另外，由于在这个理论体系形成过程中，基本没有中国人的参与，课程思政如何做？价值塑造如何落实？（2）如何满足一部分想挑战自己的学生的学习需求？在传统的千人一面的授课模式下，总有一部分学生处于“吃不饱”的状态，他们有的可能想在理论上做进一步探索，有的可能想运用基本原理解决最新的工程应用中的实际问题，有的可能想创新性地设计一些具体特定功能的电路或系统，如何满足这些学生的学习需求，点燃他们的求知欲望，保护他们的探索热情，是教师必须要解决的问题。2.2混合式教学设计传统教学模式无法有效解决上述两个问题，为此本课程提出并实施了基于小班完全翻转课堂的混合式教学模式，主要设计如下。（1）充分利用线上资源，与线下教学形成一种替代与协作并存的新型关系本课程课前要求学生基于我们的国家级一流线上课程——“电路原理”，自学完成全部知识点，这也是“完全翻转课堂”中“完全”二字的由来。课前的充分学习替代了一部分线下课堂教学，为课堂教学中把教学内容向深度和广度拓展、提高课程挑战度提供了时间保障和知识基础。线上线下教学形成了一种替代与协作并存的新型关系。对于一些简单的知识点，学生自学线上资源就完全可以替代课堂讲授；对于大多数知识点，二者是协作关系，课前自学线上资源有明确的时间和评价要求，这是高效的、个性化的课堂讨论的前提；课后提供的线上资源则是对课堂教学的延伸。（2）从教学内容、组织形式、教学环节和评价机制等多个角度着手，实现高效课堂讨论从教学内容上，除了讨论传统知识点、解决学生在课前学习中遇到的疑难问题以外，还会从最新的工程应用中提炼出一些综合习题让学生讨论，体现基本概念和原理的前沿应用；适当穿插一些科学史、及我国电力工业发展史及现状，如盐入味地进行价值塑造；从组织形式上，合理分组，强调合作，提高课堂讨论效率的同时增强学生进行创新探索的勇气和信心；从教学环境上，采用每个小组围坐一张圆桌、布置多块黑板等形式，创造轻松便捷的讨论氛围；从评价机制上，将课堂的主观讨论和基于雨课堂的客观答题都纳入考核环节，并在调查问卷中让学生对每个人的课堂表现进行自评和互评，促进大家积极参与课堂讨论。（3）利用雨课堂、雷实验等先进的教学工具和平台，实现基础性、趣味性和挑战度并存的课外学习理论讲授与实验内容有机结合，重点针对培养学生的研究性能力和创新学习能力。课程一共设计了13个实验，既包括要求课前完成的一些验证性实验，也包括要求课后完成的一些研究性实验，其中竞赛实验主题自选，给学生提供了充分的创新空间。教师参与设计并开发了基于雨课堂的智慧实验平台——雷实验，打破了传统实验模式在时间、地点和内容上的局限，实现了线上线下相结合的混合式智慧实验。2.3课程内容与资源的建设与应用情况本课程采用复合式立体教学资源，包括慕课、新型教材、智慧实验设备等，各种资源与教学环节的关系如下图所示。各种资源具体介绍如下：（1）慕课资源2013年10月本团队建成了全国第一门“电路原理”慕课，并在学堂在线和edX两个平台同时上线，迄今已有来自160多个国家和地区的近40万社会学习者学习了本课程，2017年被评为首批“国家精品在线开放课程”，2019年被评为“线上一流课程”。（2）新型教材2016年本团队编著出版了全国第一本专门面向混合式教学需求的《电路原理》教材（高等教育出版社，2016），迄今印数已达11000册。（3）课前学习指导教师在每一讲课前提供一份“课前安排”文档，内容一般包括指定自学的SPOC内容、指定教材阅读章节、知识点列表（教师为全部29讲内容提炼出了336个知识点）、课前练习题等，根据所讲内容，有时还会有一些补充阅读材料、文献检索要求等，为课前学习提供了有效指导。（4）PPT课件为了满足以讨论为主的课堂教学需求，所有PPT课件由传统教学模式下的顺序式呈现改为以知识点为主干的超链接式呈现。（5）智慧实验设备本课程为学生配备了便携式实验设备，从单机版（NI的myDAQ、AD2）发展到现在基于雨课堂的混合式智慧实验工具——雷实验，2人一组，每组一套，所有实验由小组成员协作完成。实验设备外形和实验流程分别如下图所示。利用该实验设备，教师登录雨课堂，可以随时了解每组实验的进展情况，并获得真实详细的实验数据；学生登录雨课堂后，依次完成设计仿真电路、仿真结果截图、搭建实验电路、实验电路拍照上传、实验结果拍照上传、实验数据后台上传，就可以完成一次完整的线上线下相结合的实验，无需另外再写实验报告。利用该设备，学生不仅可以完成教师布置的实验任务，还可以随时将自己在学习过程中灵光一现的一些想法付诸实验，甚至作为课外科技活动的实验平台。本课程共设计了12个基础实验（包括课前验证性实验和课后研究型实验两大类）和1个竞赛实验（持续6周）。从2013年春季学期开始，本课程共积累了超50个竞赛实验项目，基于竞赛实验成果获得了5项实用新型专利授权。（6）习题集本团队编著了《电路原理学习指导与习题集》，汇集了教学组几十年的积累。书中既有对每一张重点内容的简明阐述，又有典型例题解析，还包含了300多道练习题，基础题和综合题都有，主要用于学生课后作业，帮助其进一步理解并运用课上所学的基本概念解决实际问题。2.4教学活动的组织及实施情况电路原理小班混合式教学与大班平行班的教学大纲是完全一样的，都包括电阻电路、动态电路的暂态过程和动态电路的正弦稳态分析三大部分。具体到每一节课的教学内容上，小班拓展得更多更深入一些，但所有学生最后都要同时同卷参加考试。由于小班混合式教学的课外投入较大，在选课前教学团队会提前对学生进行宣讲，介绍小班混合式教学的模式和特点（包括更多的课外投入、更高的实验要求、更强的自我期望等），以及同学们通过这种教学模式可能的收获（包括团队协作能力、文献检索能力、口头表达能力、实验动手能力等多种能力的提升），然后通过自愿报名和小组面试形式选出24位同学参与小班混合式教学。在每学期的期中考试前，允许认为自己实在跟不上的学生退出小班课堂，转入大班平行班课堂。由于合理设计教学过程，教师及时提供帮助，同学之间互相支持，8年来只有2位同学中途退出，其余同学都坚持完成了小班混合式教学的全部教学任务。2.5课程成绩评定方式混合式教学的课程成绩评定方式对于引导学生在混合式教学各个环节的投入非常重要。电路原理混合式教学的考核方式和考核内容多样化，成绩评定兼顾性评价和终结性评价。具体来说，小班混合式教学的成绩评定规则是：全学期线上学习（讲间练习+每周作业）10%，每周笔头作业10%，全学期课堂表现5%，实验15%，期中20%，期末40%。2.6课程创新点本课程自2013年春季学期实施混合式教学改革以来，在教学过程中始终坚持以学生为中心，线上线下相结合，理论实践相结合，传统与创新相结合，教学模式得到了学生的高度认可。概括来说，本课程在以下三方面进行了创新，取得了较好的效果：（1）从理念到措施系统地解决了线上学习资源和线下课堂教学的关系问题，让二者既不是竞争关系，也不是主辅关系，而是在教师精心设计下相辅相成、水乳交融的关系。线上学习既实现了学习的个性化，又能为课堂学习做好必要准备；课堂讨论和练习是对线上学习的升华和提高，突出重点的同时改善学生的学习体验，提高课堂授课效率和教学质量。理念创新和方法创新是学生能够喜欢混合式教学并真正受益的关键。（2）对全部教学内容实现了课前/课上/课后的合理拆分，对教学全过程进行了精心设计。在本课程的混合式教学中，实现了理论学习与实验操作的有机融合，课前自学、课堂讨论使学生初步掌握了研究性学习方法，锻炼了其研究性学习能力，基于智慧实验平台的自主实验则给了学生非常大的创新空间。内容创新是成功实施混合式教学的核心。在课堂教学中，率先利用雨课堂实现了课堂高效互动，以及对教学全过程的学生学习数据采集和记录。对这些数据进行分析，就可以对学生的学习行为进行画像，从中发现教学规律，从而进一步提高教学成效。率先实现了基于雨课堂的混合式智慧实验平台，兼顾了便携式实验的灵活性和实验室实验的过程可控性。工具创新是实现混合式教学的重要基础。3.课程教改效果达成情况自2013年实施混合式教学改革以来，课程活力显著提升，改革成效显著，教师和学生都从课程改革中获益良多。从学生角度看，通过混合式教学，学生对理论知识的理解明显更加深刻，实验环节则显著加强了学生利用所学知识解决实际问题的能力，尤其是竞赛实验有效激发了学生的创新热情，锻炼并提高了学生的创新能力。从卷面成绩看，采用小班混合式教学模式的班级平均分一般比大班平行班高出8-10分；从科研创新看，到目前为止，学生基于课堂内的竞赛实验成果申请了5项实用新型专利，参与小班混合式教学的同学（204人）后续获得各类科研奖励60多人次，包括全国挑战杯一等奖、校内挑战杯一、二、三等奖等。很多同学在教学反馈中对小班混合式教学模式给予了高度肯定，每年报名参加本课程的人数远大于能接纳的人数也间接肯定了这一点。从教师角度看，本人共承担了5项校级教改项目，在核心期刊上发表了5篇相关教学论文，作为第一作者出版了全国第一本专门适用于翻转课堂的“电路原理”教材，先后获得校教学成果特等奖一项、一等奖一项，北京市教学成果一等奖一项。电路原理课程团队2019年入选“北京高校优秀本科育人团队”，2021年获首批“课程思政示范团队和示范教师”。本课程的小班混合式教学模式通过教师交流（南京大学、青海大学、河北工业大学、贵州理工大学、扬州大学、厦门理工学院等）、大会报告等形式，向全国高校同行做了介绍，目前已在全国30多所高校推广采用。在兄弟高校实施过程中，本教学团队还基于线上会议系统、微信群等与兄弟高校的老师进行不定期交流，保持长期联系（相当于教育部现在提倡的“虚拟教研室”），实现了共建共赢。二、一次混合式教学设计方案1.学习目标以电路原理课程中“正弦稳态分析”这一部分内容为例，介绍本课程的混合式教学设计方案。这一部分内容在实际教学过程中分为3讲，共6学时，讲授内容包括相量概念引入、用相量法分析正弦稳态电路和正弦稳态电路的功率。通过这一部分内容的学习，希望达成的教学目标包括以下三个层面：（1）知识层面⚫掌握正弦量三要素，正弦量的相量表示，正弦量与相量的关系；⚫掌握主要元件的相量模型，元件约束与KVL/KCL的相量形式；⚫掌握相量图的两种画法；⚫熟练掌握用相量法求解正弦稳态电路；⚫掌握正弦稳态电路中瞬时功率、有功功率、无功功率、视在功率、复功率的定义式，并深刻理解其物理含义；⚫了解无功功率在电力系统中产生的不良影响，结合工程实例，掌握无功补偿的典型方法；⚫理解RLC串联（并联）电路中电压（电流）三角形、阻抗（导纳）三角形与功率三角形的相似关系，并学会利用这种相似性解决实际问题；⚫了解正弦稳态电路中几种不同情形下最大功率传输条件，重点掌握最佳匹配和虚部匹配两种情形下的传输条件及相应的最大功率表达式。（2）能力层面⚫通过文献检索、小组汇报等环节，帮助学生了解电力领域国内外权威网站和期刊，锻炼学生从海量文献中进行知识提取和整理的能力，在这一过程中也锻炼其小组协作能力，和在规定时间内准确陈述团队成果的口头表达能力；⚫将相量法求解正弦稳态电路与直流电路的求解方法做对比，由浅入深，培养学生的知识迁移能力，能够创新性地用已学过的方法或定理解决新的问题；⚫要求学生在智慧实验平台上自行设计电路，实现频率和幅值均可调的正弦波发生器，将理论知识付诸实践，培养其动手能力和研究性学习能力。（3）价值层面⚫通过分组调研我国在电力系统发——输——变——配——用——储等各个环节的发展史和产业现状，建立学生的专业认同，激发其专业自豪感；⚫通过介绍电的科学史上著名的交直流之争，教育学生要一方面要尊重科学，虚怀若谷，另一方面要不惧权威，勇于创新；结合工程实际，通过课堂讨论分析各种无功补偿方法的优缺点，培养学生的工程意识；通过介绍目前最先进的无功补偿技术SVC中电力电子器件主要依赖进口的现状，激发学生攻克科技难关的责任感和担当意识。2.内容与资源（1）慕课资源清华大学“电路原理”第59-68讲，共30个视频，在校内慕课平台开放给学生。（2）教材这3讲内容对应教材的13.1-13.4节，要求学生课前预习时要阅读完成，课上会针对教材中列出的一些思考题进行讨论。（3）相关文献资料向学生推荐电力领域的一些权威网站和权威期刊，如国家能源局、中国电力企业联合会、IEEE、中国电机工程学报、中国电工技术学报等，要求学生自学掌握常用的文献检索方法。在第1讲课前，将全班同学分为8组，分别指定检索内容，包括火电、风电、光伏、特高压输电、需求侧响应、抽水蓄能、锂电池储能、其他形式储能等，要求学生检索文献，并总结整理出ppt在课堂时间每组汇报5分钟。在第2讲课前，教师提供文氏电桥的补充阅读资料，为研究性实验做理论准备。在第3讲课前，要求学生检索无功功率补偿技术的相关资料，课堂时间讨论交流。（4）课前学习指导这3讲内容的课前安排文件见附件1-3。（5）PPT课件所有PPT课件都以知识点为索引的超链接形式呈现。以第2讲为例，其内容组织如下图所示。（6）混合式实验要求学生基于雷实验设备，实现频率与幅值均可调的正弦波发生器电路。3.过程与方法这一部分内容的混合式教学实施过程总体来说包括背景认识、理论学习、实验设计三部分：（1）背景认识：了解科学史上著名的交直流之争、相量法的产生背景，以及本专业主要研究对象也是最典型的正弦稳态系统——电力系统的发展史和产业现状，为后续课程打好理论基础的同时，树立专业认同，激发专业自豪感。（2）理论学习：熟练掌握正弦稳态电路的基本概念和主要分析方法——相量法，以及正弦稳态电路中的各种功率和无功功率补偿方法。注重理论讲授与工程实例相结合，帮助学生掌握利用所学基础知识解决工程实际问题的方法。（3）实验设计：基于混合式智慧实验工具自主实现正弦波发生器电路，并设计电路改变正弦波的频率和幅值，培养学生的创新性思维，培养其研究性学习能力。每一讲的讲授过程又包括课前、课上、课后三阶段。课前以观看SPOC视频和阅读教材为主，根据内容需要，有时还有文献检索、仿真或验证性实验等任务；课上以讨论和互动练习为主，讨论内容包括知识点、综合例题、实验相关的问题等；课后完成一定量的笔头作业，以及研究性实验任务。具体过程如下：（1）第1讲⚫课前：观看SPOC第59-61讲以及教材13.1节，完成两道简单练习，分组查阅电力系统各个环节的相关资料，准备5分钟的汇报ppt。⚫课上：分组汇报（45分钟），知识点讨论，重点掌握正弦量的相量表示，以及二者关系；借助flash动画用类比法讲解相量与向量的区别，相量图的两种画法。⚫课后：完成2-3题笔头作业，加深理解正弦量与相量的关系，以及复杂电路的相量图画法。（2）第2讲⚫课前：观看SPOC第62-64讲以及教材13.2-13.3节；阅读关于文氏电桥的补充阅读材料，完成文氏电桥电路的理论分析，并利用Multisim仿真研究其幅频特性和相频特性，并改变其中同相比例放大器的放大倍数，观察其对输出波形的影响，为研究性实验做准备。⚫课上：知识点讨论，重点掌握阻抗的概念及其物理意义，RLC串联电路的阻抗三角形画法；利用对偶的方法，让学生自行推导导纳的概念及其物理意义、RLC并联电路的导纳三角形画法等；用雨课堂推送测试题，及时了解所有人对重点内容的掌握情况；提供4-5道综合例题，要求学生到黑板上进行板书解答，及时点评学生在解题过程中暴露出的问题，从而帮助学生更好地理解重点内容，熟练掌握用相量法和相量图求解正弦稳态电路的方法；正弦波发生器的实验方案讨论。⚫课后：完成4-5题笔头作业，进一步练习用相量法和相量图求解正弦稳态电路的方法；