1.案例学校情况

学校坚持以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，坚持社会主义办学方向，全面贯彻党的教育方针，践行“四个服务”时代使命，落实立德树人根本任务，坚持深化教育改革创新，弘扬“勤慎公忠”校训精神，传承兴工报国办学传统，彰显“工学并举”办学特色，扎根中国大地，走高质量发展之路，努力建设成为国内外有重要影响、特色鲜明的高水平社会主义大学。

学校以人才培养、科学研究、社会服务、文化传承创新与国际交流合作为基本职能。学校坚持立德树人，培养德智体美劳全面发展、严谨务实、开拓创新、具有高度社会责任感的专业精英和社会栋梁。

学校立足京津冀、輻射全国、面向世界，依托省市部共建平台，集聚区域办学资源，发桥梁展和雄安新区规划建设，为国家和区域经济社会发展提供人才支持与智力支撑，为人类文明进步做出贡献。

2.案例简介及主要解决的教学问题

新工科背景下，各国之间的科技与工业领域的竞争给当前人才培养目标提出更高的要求。未来的高科技人才必须具有面对更高挑战的实践能力，具备解决复杂工程问题能力，同时具有自主学习能力和批判性创新思维。而当前传统的教学模式局限于课堂理论讲授的授课模式单一，不利于学生实践能力的提升，不能满足当前学生高阶能力的培养需求。

当前信息化、网络化技术快速发展，学生获取知识的渠道已经不仅局限于课堂讲授。智能手机、平板电脑的普及使得学生更轻易的从网络上获取更多元的数字化的知识与信息。而碎片化的信息很难形成有逻辑的知识体系，导致学生获得知识片面而零碎。

测控电路课程作为仪器类专业的一门专业核心课程，将传感器采集的信号经过放大、滤波等调理后输送到后面的控制系统，作为信息的传输桥梁在测控系统中起着信息传输的重要纽带作用。而测控专业的学生反映测控电路学习很难，最直接的表现是学生学完测控电路课程后卷面的答题分数较高，而实际的电路设计能力较差，学生不能自主的完成具有实际工程需要的电路设计，达不到新工科对于学生未来解决复杂工程问题的能力要求。

分析学生认为测控电路课程学习难的原因主要有以下几点：

（1）电路理论知识点繁多，知识体系不清晰。

传统的课堂讲授电路理论知识使学生觉得枯燥无味，进而失去学习兴趣。信息化收到虽然给学生提供了知识获取渠道，但是信息的凌乱使得电路知识点缺乏逻辑， 导致学生对电路系统的理解具有片面性。

（2）电路的特性抽象，学生难以透彻理解。

电路的特性主要表现在输入信号和输出信号之间的变换关系，而只从电路的结构和理论很难想象出电压或电路信号经过电路前后的变化，信号变换的不可视导致学生对电路特性理解不深入。

（3）电路应用缺乏情景化，学生难以解决工程问题。

电路的应用只是停留在案例的介绍，没有实现学生的有效参与。实验环节的电路调试也都是验证性的实验，学生只要按照原理图连接电路均能得到正确的信号，对于电路解决的工程需求以及为什是这样的信号，却因为学生没有参与实际的工程问题解决而无法理解。

3.案例解决教学问题的方法

3.1教学问题的解决方法

在工程教育认证通过和省级一流专业建设的背景下，课程秉承学校“工学并举”的办学特色，依据专业培养工程复合型人才目标，贯彻OBE的教学理念设计了基于任务驱动的参与式教学方法。学生需要达成的教学目标概述为电路理论的阐述、电路特性的分析以及工程电路设计。

紧密围绕教学目标，依据学生学习过程中的痛点问题，结合测控电路课程的特点，课程组提出一种“三维一脉”式教学方法来化解问题、提高学生能力、达成教学目标。“三维”是指知识层面、模拟仿真层面和实践应用层面三个维度，“一脉”是指学生学习目标，阐述、分析和设计三个能力的层级逐级升高，一脉相承。

图1 教学方法示意图

理论层面，利用现代化技术手段围绕教学目标按照不同的难度层级将课程知识点进行分解，形成知识图谱，指导学生学习。同时将分解后的知识点录制成短视频在网络平台供学生随时随地线上学习。

仿真侧面，将各个电路特性进行可视化处理，利用电路仿真软件对电路特性进行仿真，将输入信号和输出信号利用仿真软件直观的呈现在学生面前，这样学生能够清晰的看到电路对输入信号的调理结果，从而对电路特性有更加直观和更加深入的理解。

实践层面，针对不同的电路模块引入相应的工程案例，让学生根据实际的工程需求设计相应的电路，同时对电路板进行制作、焊接和调试，从而达到工程电路的实际需求。这种情景化的实践教学，能够让学生真实的感受到设计调试电路的全过程，从而提高学生发现问题和解决问题的能力。

理论、仿真和实践三个维度均以理解、分析和应用三个层级的能力目标进行设计，最终实现课程教学目标的实现。

3.2 教学方法的实施过程

（1）构建知识图谱，录制慕课视频，线上线下梳理理论逻辑。

针对教学中的痛点问题，课程组成员于2018年开始组织“三维一脉”的教学模式改革。2019年测控电路课程获批为学校的优质在线课程，对教学方法进行改革。根据课程目标将各个电路模块的知识点进行分解，形成知识图谱如图2-3所示，同时对各个知识点进行了视频录制如图4所示。

图2 第一层级的知识图谱

图3第2至3层级的知识图谱

2020年进行了慕课建设，2021年慕课视频上线学堂在线平台如图5所示。

图4 电路知识点视频录制

图5 慕课视频上线学堂在线

2019年-2020年进行了线上线下混合式教学模式如图6所示。

（2）电路软件仿真，全知识点模拟，可视化电路信号诠释电路特性。

学生认为电路难理解的另外一个原因是其原理枯燥，理论抽象。电路的特性及其作用看不见，摸不着，学生无法将工程需求和电路特性建立相应的联系。经过调研座谈发现，其根本原因是电路特性抽象难懂，其信号的变换无法在脑海里具象化。针对这一问题，课程团队利用电路仿真软件模拟出输入输出信号，将电路特性用可视化的电压或电流波形来展现在学生面前。

2019至2020年间，课程组针对各个电路模块的知识点进行电路仿真编程，共建立124个仿真文件如图7所示，对于电路中难以理解的知识点进行可视化呈现如图8所示。

图6 2019年-2020年混合教学日志

图7 电路仿真源文件截图

图8 电路仿真可视化教学

学生在课堂可以自己用电脑对电路进行仿真，通过观察电路波形的变换加深对电路特性的理解，如图9所示。

图9 学生利用仿真软件分析电路特性

电路特性的可视化加深了学生对电路特性的理解，提高学生的分析能力，为实践环节电路的应用过程中发现问题解决问题奠定了能力基础。

（1）引入工程案例，学生独立设计调试，情景化教学提高学生实践能力。

每个电路模块引入一个实际的工程案例，学生在利用知识图谱对知识点深入理解以及利用仿真软件对电路特性透彻分析的基础上，设计调试电路，实现工程需求，知识模块对应工程案例如表1所示。

表1 各个电路模块引入的工程案例

学生利用口袋仪器设计搭建电路或者自制电路板焊接调试实现工程案例的实际需求。图10为学生利用口袋仪器设计调试电子秤案例电路。图11为学生设计调试好电子秤电路后，用水杯和砝码验证电子秤的精度。

图10 学生设计的电子秤电路

图11 验证电子秤精度

学生通过工程案例对五个功能电路模块进行设计实现后，再利用一个光电检测的综合案例进行电路设计与实践。此案例为实际科研中化学耗氧量（COD）在线检测课堂的测量电路，整个电路系统包含了上述五个功能模块，具有很强的实用性和综合性。在此综合工程案例中除了涉及到了电路本身的参数设计，还要考虑环境的干扰、电路的漂移、零点的校正、输出的标定、电路精度和成本控制等多个实际工程因素，这些均会对电路的设计和调试带来挑战。学生在设计和调试过程中会需要各种实际问题，学生只有不断地发现问题和解决问题才能最终实现电路功能，达到工程需求。图12为学生自己设计制作并调试综合电路板。图13为学生设计的综合电路板。

图12 综合电路板设计

图13 综合电路板

对于电路类课程，“理论+仿真+实践”本就是一种经典的教学方法，能够很好的让学生从理论到应用。在此教学成果中，对于理论部分，利用现代信息手段将知识点进行分解，形成知识图谱，方便学生捋清知识点间的逻辑，构建完整的知识体系；电路仿真部分，利用Multisim仿真软件，用波形来解释电路原理，可视化图形变换展现电路特性，使得抽象的电路原理具象化；实践部分，利用真实的案例锻炼学生的电路设计能力，情境化的教学方法锻炼学生的高阶能力。图14为“三维一脉”教学方法的具体体现。

图14 “三维一脉”教学方法的实现途径

4.案例的创新点

（1）“三维一脉”教学方法保障电路类课程目标达成。

知识图谱助力电路理论逻辑化，达成电路理解目标；电路仿真使得电路分析可视化，达成电路分析能力目标；工程案例使得电路设计情景化，达成电路设计应用目标。

（2）“理论+仿真+实践+科技”助力高阶能力提升。

对于电路类课程，“理论+仿真+实践”本就是一种经典的教学方法，能够很好的让学生从理论到应用。每个层次加上科技的加持，使得学生能够沉浸式的理解、分析和设计电路，在综合工程案例的实现中提升发现问题和解决问题的能力。

5.改革成效及案例的推广应用效果

（1）基于混合模式的“三维一脉”教学方法的实施。

线上线下混合模式的“三维一脉”教学方法的实施路线如图15所示，线上，我们利用雨课堂平台完成电路基本原理的学习。线下包括课堂教学、实践环节、课后学习三部分。课堂教学采用BOPPPS和雨课堂结合的模式实现典型案例分析，实践环节利用开放的实验系统完成综合案例设计。课后再利用拓展模块进行知识扩充。同时利用理论仿真和实践结合的方式实现知识目标能力目标和素养目标的达成。

2021年9月至2024年3月，在测控专业实施基于混合模式的“三维一脉”教学方法三轮，每轮4个班共计560位同学参与学习。图16为三年的混合式教学日志。图17为学生利用仿真软件进行电路特性分析，图18为学生设计综合电路过程。

图15基于混合模式的“三维一脉”教学方法的实施路线

图16混合式教学模式实施日志

图17学生进行电路仿真

图18学生设计综合电路

（2）基于“三维一脉”教学方法的学生学习效果。

在此教学成果的应用下，学生具体了设计综合电路的能力，学生解决复杂工程问题的能力较大提升。课程目标的达成度有增长趋势如图19 所示，学生对自己的实践能力较为满意如图20所示，学生的实践能力大幅度提升，图21为学生综合电路设计作品。学生在电子设计大赛中获得优异成绩如图22所示。

图19 2021-2023课程目标达成度

图20 2021-2023学生对自己能力的满意度

图21学生综合电路设计作品

图22学生在电子设计大赛中获得优异成绩

（3）线上慕课推广应用情况。

截止到2024年3月26日线上慕课学习人数达到1155人。图23为学堂在线网页课程界面。

图23学堂在线课程界面

（4）“三维一脉”教学方法的推广与应用。

作为教学基本技能培训师代表我校先后到燕山大学、石家庄铁道学院、燕郊理工学院进行教师技能培训，获得校方和学员的好评如图24所示。同时本人收到邀请在河北省思政分享平台、河北省联盟分享计划、东华理工大学、中国民航大学、天津理工大学等平台和高校做关于教学方面的分享，得到同行的认可如图25所示。该教学成果在仪器教指委会议上受邀做了大会报告如图26所示，得到相关课程负责人的好评。

图24教学成果在多个平台的分享

图25教学成果在多所大学进行分享

图26教学成果在仪器类教学会议上分享报告

（5）国家级一流课程的获批

该教学成果在国家线上线下一流课程中应用，如图27所示。

图27教学成果在国家级一流课程中应用

单位审核人：王刚