基于情境认知理论的工程实践教学研究_周锦荣.pdf

第 卷第 期 年 月电气电子教学学报 收稿日期：；修回日期：基金项目：教育部 年产学合作协同育人项目（）；年福建省大学生创新创业训练计划项目（）；闽南师范大学教学改革研究项目（）作者简介：周锦荣（），男，硕士，副教授，主要从事光电控制与智能信息处理的教学与研究工作，：基于情境认知理论的工程实践教学研究周锦荣（闽南师范大学 物理与信息工程学院，漳州）摘要：实践育人是新工科建设中学科教学和人才培养的重要组成部分。开关电源设计教学内容是电类学科实践教学设计和学生工程应用能力训练教学环节中的重要内容之一，具有理论和实践融合的教学特点。以学生课外第二课堂实践教学常用的“开关稳压电源”教学内容为例，介绍基于情境认知理论下的“降压型开关稳压电源设计”工程实践案例教学的设计方法。通过对情境认知理论、实践育人和工程案例教学融合应用进行探讨，以期为今后其他课程的实践教学设计提供参考。关键词：实践育人；情境认知理论；案例教学中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：“”，“”，：；在国务院关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见以及教育部教育部关于开展新工科研究与实践的通知印发以来，“三全育人”成为高校人才培养的长效机制。加强实践育人、持续深化工程教育改革是落实新工科建设中的创新人才培养机制的重要举措和保障。在新工科建设中实践育人工作的重要性，推动了以培养学生专业实践能力、工程应用能力、创新能力和职业胜任能力成为新一轮高等工程教育改革的主要内容之一。目前，国内外在工程教育方面的主要教育教学理念和培养模式有、等。电子电气类专业作为新工科建设中工程应用典型的专业之一，在专业课程教学活动中，普遍采用理论教学和实验教学相结合的教学方式。但由于课程教学缺乏具体的知识应用背景且多数实验项目的内在联系不多，难以培养学生知识应用的整体性思维。结合电子电气类专业实践教学需要，提出以情景认知理论为基础的工程实践案例课程思路。通过介绍情境认知理论、工程实践案例教学的特点，并结合具体工程实践案例教学的教学设计，分析了两者之间的关系，对新工科建设背景下工程实践教学在实践育人教育中的教学方法改革进行了探讨。工程实践案例教学的特点分析哈佛商学院推出的案例教学法在教育教学和人才培养过程中得到广泛应用，成为多种学科教学的研究热点。电子电气类专业课程教学具有很强的工程应用背景和实践教学特点，与案例教学的实践性特征具有共同点。从新工科建设应用型、创新型人才培养的角度看，培养学生的工程应用、实践应用和创新能力是新工科建设的人才培养目标需求。工程案例教学以实践性教学为主导，强调学科知识来源于工程实践、而应用于工程实践，具有以下几个特征：工程案例必须具备真实性和可靠性，教学素材来源于实际工程生产和应用实践总结出来的案例题材。工程案例需要具有典型性和启发性。教学中，工程案例要能最大程度结合理论教学的知识点，既能对学生消化旧知识以及学习新知识起到借鉴、启发和促进作用，又能对教师后续的教学内容进行铺垫，激起学生应用知识的欲望，提升学习热情。工程案例必须具有真实的情境性和实践性。工程案例来源于实际应用，本身具有丰富的真实情景认知需求，可让学生置身于实际生产和应用的情境中，能更好结合实际对案例教学内容进行分析、研究、探讨、反思。通过真实而生动的教学情境取代了枯燥的理论学习，完成了在“学中做”与“做中学”的有效结合，形成“理论学习 实践训练 应用设计 创新提高 理论总结”的递进式教学模式。工程实践案例教学的情境认知特点布朗等提出的“情境性学习”观点认为：学生要有效地学习，就必须参与实践共同体的活动，在实际的情境行为现场提升教学的实效性。电子电气类专业，其理论教学是一种比较抽象概念的教学，在实际教学中应将抽象概念（原理）教学与具体事例结合起来，才能获得更好的教学效果。电类专业的工程实践案例教学要充分体现学生在教学过程中的主体实践性地位，把专业知识的教与学置于一个情境脉络之中，让学生在一种真实的情境中扮演学习者的角色。情境认知学习理论强调用真实问题进行教学，而工程实践案例教学是一种以解决实际问题为目的任务式的教学，要求学生在学习过程中能够更好地完成从简单任务到复杂任务的知识和能力的迁移，具有情境认知的主要特征。通过让学生去体验问题所处的实践情境，特别是在实际设计应用中遇到的问题与纯理论分析存在不一致现象时，通过分析和理解，形成“知行合一”，让学生能感知到学以致用，从而激发出更强的学习主动性和能动性。实践案例教学情境认知应用分析为提高学生学习的积极性，培养学生应用、探究和创新意识，在构建工程实践案例教学的情境认知中可分四个阶段进行实施：课题的意义：工程应用背景；问题的提出：实际应用所需的技术指标要求分析；典型的应用电路分析：原理分析、参数选择；实验和测试：分析总结。下面结合学生第二课堂科技活动以及电子设计竞赛赛前培训等实际教学中所采用的“降压型开关稳压电源设计”课题教学内容进行教学分解设计和主要内容分析。工程案例课题意义描述结合实际工程应用背景和学习需要，阐述课题的意义。好的开端介绍能为学习取得更好的成效奠定基础，结合实际工程应用的案例介绍能让学习者了解教学知识的基本架构和应用背景，理清学习方向和目的，激发学习兴趣。工程案例课题意义这部分内容可从以下几个方面进行教学讲解：课题应用背景和广阔前景，课题具有较好的实用性。几乎所有的电子设备都涉及电源设计，容量较大时多采用开关电源。通过课题研究设计可以较好掌握一种共性技术：脉冲宽度调制技术（）。在电源设计、恒温控制、电机调速等方面得到广泛应，如常见的空调、数控调光等。通过课题设计掌握集成电路应用方法。课题设计的主要集成芯片、是常用的、典型的固定频率的 控制电路，有一定代表性。易于建立工程设计概念。课题涉及多个典型的工程要素，如：功率器件的最大电流、耐压、开关速度；磁性材料的选择、功率电感的设计与绕制等。专业理论课程涉及面广、融合性强。该课题融合“电路原理”“模拟电子技术”“数字电子技术”“电力电子技术”等课程理论要素，是比较典型的理论设计及实验验证相融合的教学案例之一。课题设计实践性强，在设计调试过程中需要用到电路板制作以及万用表、数字示波器等仪器设备使用。通过工程案例实践设计，可进一步提升学生电路设计能力、仪器设备使用调试能力，提升学生分析问题和解决问题的能力，为培养学生独立应用创新能力奠定基础。提出并明确设计需求和技术指标为了加强学生对电路的理性和感性上的认知，在教学中给出如图 所示典型应用电路，并进行下面几个方面分析：型 变换器的第 期周锦荣：基于情境认知理论的工程实践教学研究工作原理；的内部结构与功能、时序和工作条件；典型应用电路的原理图、稳压原理以及输出电压负反馈原理；闭环输出电压调整系数、过载保护和软启动的实现方法。图 由 组成的降压型开关稳压电源明确设计指标需求是完成电路设计的前提，它决定设计方案及实施方法。结合设计工程案例，可从三个方面阐述：电源容量指标分析：输入 （或 ）、输出电源 电 压（不可调），纹波小于 ，最大输出电流 （限流型保护）；工作频率：开关电源的工作频率为 ；控制电路：采用脉冲宽度调制控制集成电路。教学过程中应引导学生根据设计指标要求，结合实际应用情况在以往积累的理论和实践知识基础上进行分析，提出完成项目任务要求的软硬件合理设计方案。重视典型电路原理分析和参数求解方法根据实际性能指标要求，选择具体电路和各元件参数。参数选择这部分是教学过程中学生学习存在问题最多的部分。学生在平时理论学习中主要以单元电路的理论分析为主，而工程应用设计是基于实际应用，要考虑到环境、温度、不同器件应用场合等许多实际问题。因此，在该部分教学中主要围绕整流管、滤波电容、开关管、电感量、输出电容、续流二极管、电感计算方法等内容进行讲解。密切跟踪设计步骤与设计验证在电子电气等电类学科专业工程实践中，理论设计和实际应用往往会有偏差，因此需要进行不断调试和实验，以达到设计要求，提高实践能力和工程设计应用能力。“降压型（型）开关稳压电源设计”项目教学案例可以从以下几个方面进行设计和验证：根据技术指标进行理论设计：教学内容包含绘制原理图、器件参数选择、设计、元件检查、焊装。设计验证：教学内容包含通电前外观检查、空载通电试验；观察 是否有异常温升以及通过示波器测量输出电压和产生的锯齿波；观测续流管阴极波形是否正常，并通过改变输入电压观察波形占空比变化跟随情况。加载实验：分别进行半载和满载的负载加载实验测试，观测温升和续流情况，判断电感量是否充足。观测开关管、极电压，判断其是否工作在饱和与截止两状态，开关速度是否满足要求以及输出电压纹波是否满足要求。过载实验：输入电压分别为最小、中等、最大三种情况。观测在超负载约为 时，过载保护是否工作。若发生过载保护，则观察保护时的工作波形。工作稳定性测试：对系统进行不少于 长时间工作的稳定性测验。重视做好工程实践分析与经验总结设计总结是一个很重要的学习环节，在完成项目测试试验后，应对设计中涉及到的设计指标、设计方案、方案论证、工作原理分析、参数选择（结合设计指标选择）、设计验证（样品测试波形、数据分析）以及设计评价等方面进行设计总结，理清总体设计思路和碰到的问题以及解决方法，不断积累工程实践经验，提升应用设计能力。教学成效课余时间指导本科生课外专业实践活动的情况表明：把平时学生培养中的实践应用以及创新设计作为新工科建设实践育人的主要手段之一，可促进学生对工程应用项目案例的情境认知能力和实际应用能力。如表 所示是 年以来所带学生申请的项目和参加专业竞赛的教学成果，从平时学生的专业理论和工程实践能力培训到学生团队申请并完成的大学生科研项目研究以及参加各类专业竞赛所取得的学习成效，表明了学生在构思（）、设计（）、实现（）和运作（）等方面的能力取得了一定的提升。如表 所示是 年以来所带学生在项目案例教学的基础上，通过参与专利申请和学术论文撰写发表，促进“理论 实践 应用创新 归纳总结”的理论修养和应用设计能力“持续改进”的良好融合所取得的成效。上述表明，通过情境认知的“成果电气电子教学学报 第 卷导向”案例教学促进了以“学生为中心”本科生的理论和实践课程教学质量提升。表 情境认知项目案例教学成效（年以来）成果类型成果信息备注指 导 学生 获 得科 研 项目立项国家大学生创新创业训练计划项目共 项，获得年份：年、年福建省大学生创新创业训练计划项目共 项，获得年份：年、年、年（项）、年、年指 导 学生 参 加专 业 竞赛获奖全国大学生电子设计竞赛全国二等奖 项，福建省赛区：一等奖 项、二等奖 项、三等奖 项。福建省大学生电子设计竞赛福建省：一等奖 项、二等奖 项、三等奖 项。福建省“合泰杯”单片机应用设计竞赛福建省：一等奖 项、二等奖 项、三等奖 项。“锐智杯”福建省大学生智能设计大赛福建省：二等奖 项、三等奖 项。“国泰安杯”第四届海峡两岸大学生职业技能大赛二等奖 项全国大学生嵌入式芯片与系统设计竞赛南部赛区二等奖 项、三等奖 项。表 情境认知项目案例教学成效（年以来）成果类型成果信息备注指 导 学生 参 与专 利 申请授权室内外空气流通智能控制器实用新型专利，专利号：一种宠物智能饲养笼实用新型专利，专利号：一种智能冲奶机实用新型专利，专利号：指 导 学生 参 与发 表 论文基于卷积神经网络人脸情绪识别的 混合调光方法研究发表 于 照 明 工 程 学报，中国科技核心期刊收录家居宠物饲养智能喂食管理控制系统设计与应用发表于家畜生态学报，北大中文核心收录基于 调节器的双闭环控制单相逆变器发表于现代电子技术，北大中文核心收录基于圆盘积分的体积光学测量系统设计发表于电子器件，北大中文核心收录 发表于 会议论文，收录功率型白光 无线音频传输系统设计发表于黑龙江八一农垦大学学报基于 和 技术的多点分布式火灾监测系统设计发表于黑龙江八一农垦大学学报，学生第一作者高功率因数 恒流可调驱动电源设计发表于电子技术应用，北大中文核心收录 结语工程案例教学具有较强的实践性和实用性的特点，其教学思想在情境认知学习理论中能得到较好的诠释。这种强调采用