电工电子技术实验课程MOOC教学实践
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［摘要］文章针对非电专业本科生在电路实验课程学习中动手实践能力弱、实验效果不理想等问题，基于中国矿业大学（北京）采矿工程等非电专业开设的电工电子技术课程实验教学改革，探索了基于“互联网+”开放式在线网络教学模式，给出了MOOC课程学习的体系结构，设计了电子电路实验课程的mooc教学功能模块，并通过现代教育技术手段和远程实验实例开发与展示，利用MOOC网络在线技术建立远程虚拟实验室，实现在线实验课程教学。实践表明，与传统的专业实验教学相比，利用MOOC平台开展实验课程在线教学，实验操作简便，师生互动与教学反馈及时，有助于培养和提高学生的自主学习能力和创新实践能力。
［关键词］MOOC；电工电子技术；教育现代化；远程实验室；课程改革
一、引言
根据国家《加快推进教育现代化实施方案（2018－2022年）》以及教育部所确定的专业实验教学目标和教学要求，各高校围绕加快推进教育现代化这一主线，以增加信息量、加强应用、便于教学和培养能力为原则，通过专业实验课程教学改革，旨在培养学生的工程实践能力和创新能力。纵观我国高校专业实验课程教学改革情况，各高校普遍重视大学生的创新能力培养，但存在发展滞后、落实不力、总体水平较低等问题。目前，国内部分高校也已开展了专业实验教学改革，将现代教育技术与实践教学相结合，相继推出了一批设计理念新颖、具有一定创新性的综合实验教学项目。然而，目前很多高校非电专业本科生实验课程采用传统的课堂实验教学方式，这种教学模式较为陈旧、学生实验方式单一、缺乏对学生的创新能力培养。教师讲解实验要求，学生按部就班地做实验；教师过多讲解，学生动手参与少。这些使得学生处于被动的地位，弱化了学生的动手实践能力，从而导致其学习效果不佳等问题的发生。受实验课程教学计划学时限制，学生实验任务单一，从而影响实验效果，加之学生人数众多，实验室接纳能力有限，很难接纳几十上百人同时开展实验。但如果分批做实验，又由于课时有限而导致学生实际实验内容并不饱满，不利于培养学生的动手能力和创新实践能力[1-2]。MOOC作为远程教育领域的一种创新模式，对传统教学模式产生巨大的冲击，同时也引起广泛关注[3]。由于MOOC学习具有开放性、远程在线等优点，学生可以通过互联网教学平台，采用E-learning学习形式，访问、学习教学课件资源，随时随地与他人进行充分的在线交流和讨论，从而使学生知识探究的边界在理论上得到无限的扩充[4-6]。基于此，笔者在分析MOOC教学模式以及研究互联网+教学实践的基础上，设计了一种基于MOOC教学模式的实验课程学习体系结构模型，并通过建立MOOC实验课程设计，以我校非电专业本科的“电工电子技术”课程进行实践教学探索，通过嵌入式的虚拟现实实验系统，建立远程MOOC教学实验平台，并在我校采矿工程、测控技术等专业进行实验课程教学改革。结果表明，基于MOOC学习的实验课程有利于促进学生的在线学习和教师的实践教学，尤其在提高学生的创新能力和实践技能方面都取得了较好效果。
二、MOOC的体系结构
CELTS标准、IMS规范和IEEE1484标准都提出了不同的学习系统框架，CELTS提出的框架参考了IEEE1484标准，但是IMS框架过于具体化，理论抽象与泛在化程度不高。因此，本文以IEEE1484标准为基础框架，构建面向本科教学的MOOC远程教育学习管理系统，提出一个关于在线远程学习系统的整体架构（LearningTechnologySystemsArchitecture，LTSA）作为MOOC教学系统的抽象模型[7-9]，如图1所示。基于LTSA架构的MOOC学习系统由4个主要组件和2个数据库构成，其中，4个组件分别是学生组件、评估组件、教学组件及投递组件，2个数据库包括学习资源库和学习记录库。教学组件是整个体系模型的核心，在系统的运行过程中起关键协调作用。上述体系框架中，学生通过学生组件向教学组件提交学习参数，同时将行为通过投递组件传递给评估组件；评估组件根据学生在记录库中保存的学习记录及历史信息，对当前学生提出的学习参数进行评价；教学组件根据评价信息和历史信息在学习资源库中查询适合学生需要的资源，然后通过投递组件将学习资源以多媒体的形式推送给学生，从而完成一次学习任务的请求、交互过程[10]。此外，评估组件可以根据学生的行为记录，对其学习效果进行评估，从而在一定程度上弥补了MOOC课程缺少合适评估机制的不足。
三、MOOC课程设计与实践
（一）MOOC课程设计为了更好地促使非电专业学生用创造性的思维来进行观察、学习和研究，培养学生的自主学习能力和创新实践能力，笔者依据教育部最新版本的“电工学教学基本要求”所确定的教学目标和教学要求，本着增加信息量、加强应用、便于教学和培养能力的原则，利用现代信息技术手段，采集相关课程设计、教学实施、教学效果以及学生应用实践能力等相关信息，多维度地综合分析，客观地判断相关课程教学和学生应用实践能力是否能达到预期目标。本文通过对MOOC实验教学活动的研究与探索，旨在为电工电子技术课程的实验教学改革提供理论支撑。结合我校采矿工程、测控技术等非电专业本科生开设的电工电子技术实践教学，根据实验课教学大纲及学习目标，本文给出了电工电子技术实验课程的MOOC教学设计，通过Web页面所展示的基于MOOC教学平台的实验设计，让学生通过自主注册完成电子电路的实验分析和考试评估，并通过MOOC远程实验使学生掌握电子电路课程的有关内容和技术。MOOC教学平台包括1个初始化模块和8个功能模块。其中，MOOC初始化模块主要是完成课前的基本数据获取、统计，如学生基本信息，包括学生所在班级、专业等以及学生的学术水平。而功能模块涵盖了教学大纲、课件、作业、讨论、远程实验、在线提问、教学反馈和考试测试等8个模块。各个功能模块既彼此独立又相互关联，如教学大纲为课程学习提供学习的目标、任务、重点和难点。例如，电工电子技术远程实验模块提供了学生所选MOOC课程的所有理论教学和实验内容的教学大纲文件，介绍了电子学仿真的基础知识，并使学生加深了对LabView或SPICE电路仿真工具使用知识的理解与掌握。MOOC远程实验教学的具体课件内容包括以下几点：（1）电子电路设计中的仿真工具使用。（2）电子元器件的使用与应用实践。（3）戴维南电压和电流定律等实验验证。（4）基本电气使用和电子电路的设计及实践。（5）电路及系统的设计方法及实验验证与分析。如图2所示，本文所设计的基于MOOC的教学课件、教学反馈、作业和讨论等模块，为学生在线提供了相关的学习资源和补充材料，便于学生在实验过程中随时开展在线查阅和学习。同时开展电子技术实验的创新性教学，丰富MOOC教学实践内容，通过开发相关MOOC学习教具，进一步完善MOOC实验教程和教程视频，从而帮助学生进一步研究电气设备电气特性以及运用常见元器件组件设计相关实验模型。例如，图2展示的教学实验模型，是通过借鉴昆虫运动原理和单片机控制理论设计开发的一种用于故障检测的六足智能机器人模型，通过这样在线、直观的模型展示，使学生将理论知识运用融入专业实践学习环节当中，更加有利于拓宽学生的知识视野，激发学生的学习兴趣，提高学生的创新思维能力和动手实践能力[11]。利用此模型，教师可以先引导学生思考和梳理与此模型有关的电路理论知识，激发学生对电子技术和机器人知识学习的兴趣，从而进一步指导学生利用MOOC在线学习相关课程内容，为电工电子技术实验课程学习提供一种行之有效的教学方式。
（二）基于MOOC学习的教学实践培养学生的问题分析能力和创新实践能力是电工电子技术课程的教学目标，而实验教学内容对学生专业知识结构的构建是否合理具有较大影响[12]。MOOC教学实验平台采取开放式的教学模式，以学生自主学习为主、教师启发为辅，面向参与实验教学的学生全天候开放，便于学生随时在线学习。图3呈现了MOOC教学平台的远程实验模块有关教学实践应用场景，展示了集成运算放大器实验教学中有关运放电路应用实例的视频截屏。电路板作为电子技术仿真实验的基本教学工具，将其展示出来的目的是让学生对有关电路板及电子元件等有感性认识和初步了解，在此基础上引导学生进一步通过MOOC远程实验室进行实验学习，从而增强学生对电子电路有关知识的理解和掌握能力。学生通过MOOC课程的远程实验，能够根据自己设计的电路模型，通过仿真工具分析电路，在远程实验室获得实验结果以及分析、比较所获得的实验结果与理论之间的差异。此外，学生利用MOOC实验平台学习，能够随时与实验教师进行交互式讨论和沟通，实现真正意义上的一对一教学。
四、MOOC课程教学实验效果
基于MOOC学习的教学实验中，学生是实验的主体，我们近年来利用现代教育技术手段对电工学课程教学改革的探索和研究实践证明，上述实验在我校采矿工程、测控技术等非电专业的教学实施和不断完善中取得了较好的效果。
（一）培养了学生的创新实践能力我们在MOOC教学实践中，以采矿工程、测控技术等专业班级为例，每6～8人组成一个实验项目组，在开展实验之前，指导教师给学生下发实验任务书，学生根据任务书的要求，先查阅相关资料、设计方案，对涉及的操作实验、过程管理和数据分析以及对实验结果进行总结与评定，最后撰写实验报告。学生通过在线方式开展灵活多样的小组讨论学习活动，小组成员推选能力突出的学生作为本组的主导者，带领项目组团队开展互助式学习，这有助于学生组织能力、沟通能力和团队合作意识的培养，为创新型人才的培养打好基础。与此同时，学生通过MOOC学习开阔了专业视野，通过个人在线课堂展示培养和锻炼了创新思维能力和应用实践能力。
（二）培养了学生的自主学习能力与综合素质MOOC教学模式使教师由传统的课堂知识传授者转变成学习指导者和督促者。教师不仅需要不断提高自身的创新能力，利用互联网等信息化手段服务于教学全过程，而且需要有意识地引导学生熟悉使用互联网等技术手段，潜移默化地启发学生的创新思维，挖掘学生的创新潜质。教师通过MOOC教学平台将优质的教学资源推送给学生，以供学生课前自主学习。与此同时，学生由原来的被动做实验变为主动学习，自主、灵活选择实验时间，自主完成实验操作，开展个性化学习与探索。教师可以针对学生提出的疑难问题集中答疑，也可以针对性地与学生个别讨论。因此，此教学模式不仅能够提高学生的动手实践能力，而且有助于培养学生的创新意识，从而为学生创新能力和综合素质的培养提供帮助。
（三）有利于全面考核和评价学生学习效果采用传统的依据实验内容和实验报告来考核的方法，在很大程度上不能真实地反映学生的创新思维和学习水平。因此，我们对传统的成绩评定方法进行了改革，在开放式实验平台采用综合评价方式对学生实验成绩进行考核，评价指标主要包含在线实验操作考核、在线撰写实验方案评价以及在线撰写实验报告评价等，这样能够有效督促学生动脑动手实践，也能够更好地鼓励学生在实验中大胆探索和创新。例如，在基于电子电路集成运放应用实验中，根据每个小组学生设计的实验方案，综合学生在实验过程中完成的电路模型、电路板质量和实验报告评价，最后给出考核成绩，这样能够更加全面地考核和评价学生在教学实验活动中的实际表现和学业水平。
五、结束语
本文研究和探索了一种开放式在线学习的MOOC实验教学模式，以我校采矿工程、测控技术等非电专业教学为例，结合实验课程教学改革目标建设了MOOC实验教学平台，将互联网现代教育技术手段服务于教学全过程，旨在为本科生完成电工电子技术实验课程的学习提供指导和帮助。与传统实验教学以及以微课和博客为主要载体的网络课程相比，MOOC实验教学可以为学生提供一体化的教学实验和学习空间，使学生可以进行更加充分的在线互动交流，并较为详细地记录和跟踪学生的学习情况，及时地对学生的学习效果加以反馈和引导。研究表明，在研究性大学开展创新性实验教学改革，将互联网技术与现代教育信息技术相融合，通过师生在线互动，能够进一步拓宽学生的知识视野，更加有效地激发学生的自主学习能力和求知兴趣，有助于提高学生的专业理论知识运用能力与创新实践能力。
作者：张帆 孙晓辉 单位：中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院
