基于强化学习脑机制的电工学教学设计与实践

摘  要：在金课建设中，针对电工学课程学科交叉性强、理论与实践结合要求高的特点，为了能够激发学生的学习兴趣与动机，培养学生自主学习和动手实践能力，该文基于生物强化学习脑机制，结合及时强化、随机强化、长远强化等多种强化学习原理，以学生角度切入，设计了遵循“感受认知→理论理解→仿真领会→实验验证→实训拓展”递进式强化原则的电工学混合式教学模式。教学实践应用效果表明，学生主动学习的意愿和动手实践能力明显增强，考试成绩显著提高。针对性强、强化形式多样的混合式教学模式能够极大提升电工学教学效果和教学质量。

关键词：电工学；混合式教学；强化学习；脑机制；金课

中图分类号：G642 文献标志码：A     文章编号：2096-000X（2022）33-0078-04

Abstract： The strong interdisciplinary and high requirements for the combination of theory and practice are the characteristics of Electrotechnics course. In the process of Gold Course construction， to stimulate students' learning interest and motivation， and cultivate students' autonomous learning and practical ability， a hybrid teaching mode of Electrotechnics course is designed. The hybrid teaching mode is based on the brain mechanism of biological reinforcement learning， combined with timely reinforcement， random reinforcement， long-term reinforcement， and other reinforcement learning principles， and follows the progressive reinforcement principle of "feeling cognition -> theoretical understanding -> simulation understanding -> experimental verification -> practical training expansion". The application effect of teaching practice shows that students' willingness to learn actively and practical ability are significantly enhanced， and the examination results are significantly improved. The mixed teaching mode with strong pertinence and various forms of reinforcement can greatly improve the teaching effect and quality of electrotechnics.

Keywords： Electrotechnics course; hybrid teaching mode; reinforcement learning; brain mechanism; Gold Course

电工学课程是高等院校中为非电类专业开设的唯一一门系统学习电学知识的技术基础课程，对于提高非电类学生科学素养和用电能力具有重要作用。课程内容涵盖了电路理论、电机及传动控制、电工测量、安全用电、模拟电子技术和数字电子技术等多门专业基础课程的内容，学科交叉性强、理论与实践性结合要求高，学生专业分布广，导致在电工学教学实践中，学生不易理解觉得枯燥、学习积极性不高、实验效果不佳、与工科其他专业课程结合性不强等问题。为了适应当前新工科“厚基础、宽口径、重实践、强能力、高素质”的培养需求，电工学课程教学应当以工程应用能力培养为导向，激发学生主动学习兴趣，掌握扎实的电工学知识，培养非电工科专业学生的创新思维和动手实践解决电磁路实际问题的能力，促进学生知识、能力和素质的协调发展[1-2]。如何使学生“乐意学”“主动学”是达成这一目标的关键。

脑科学时代的到来为现代教育提出了新的要求，而脑科学研究的进展为塑造学生的学习动机提供了新的思路[3]。脑科学研究证据表明大脑的学习过程是一个受多巴胺驱动的、由内部动机和外在反馈共同作用的强化学习过程，及时恰当的强化反馈对于行为塑造具有重要作用[4-5]。受大脑强化学习的脑机制启发，在电工学课程教学过程中，针对不同教学内容和学生程度，可以分层次设计教学模式和强化方式，结合多种不同形式的强化反馈，充分激发学生的主动学习动机，实现从“教师教”到“学生学”的根本转变。

近年来国内外高校将“互联网+”引入传统电工学课堂教学和考核，在线开放课程、MOOC、SPOC、翻转课堂等新的教学形式与传统的线下教学相结合，催生了线上线下混合式教学新模式，为从以老师、课堂为中心的被动学习模式转变为以学习者为中心的主动学习模式提供了操作平台[6-7]，非常便于设计灵活多样的强化反馈方式。因此，本文基于强化学习脑机制，利用混合式教学平台，设计了多种形式的教学方式和层次化强化反馈机制，以期充分发挥线上线下混合式教学模式优势、打造能够充分激发学生主动学习兴趣、培养学生综合能力和工程素养的电工学金课。

一、强化学习脑机制揭示了不同的强化模式对学习效果的影响，对于教学设计具有重要指导意义

人与动物等智体的学习过程主要是以“试错”的方式进行的，即通过与环境进行交互获得的回报（强化物）来指导行为。这种依赖于即时与未来回报来塑造行为动机的学习方式称为强化学习[8]。如图1所示，在强化学习过程中，智体在不同的状态下，根据对不同行为选项的预期回报，选择特定行为，获得环境给予的回报反馈并进入到下一个状态。如果所获回报的收益超过预期、或者该行为能够进入到获得更大回报的后续状态，则该行为选项被强化，未来选择该行为的几率增大，反之则减小。特定行为的塑造依赖于强化物的反馈，生物基于趋利避害的本能来增加或避免特定行为。强化物不仅仅是外部的物质回报，也包括情绪、喜好、好奇等内部心理因素。

强化学习脑机制研究阐明了生物大脑学习的基本原理。大量神经科学研究结果表明，多巴胺是让人产生行为动机的关键神经递质，其产生由内部动机与外部回报交互决定。在大脑的奖赏通路中，中脑多巴胺神经元在强化学习中起重要作用，当获得的回报好于预期时，多巴胺神经元会被激活；反之则会被抑制。多巴胺分泌时能够带来愉悦效应，起到了关联奖励与当前行为的强化作用，增强我们学习的兴趣。而当多巴胺缺失时，则会令人觉得索然无味。最新研究发现稀有奖励在学习过程中能够放大多巴胺神经元反应，一成不变的强化方式会导致多巴胺分泌减少，大脑喜欢新鲜感和需要多样化的强化方式。强化回报的呈现模式对于提高学习任务的习得速度及其稳定性起关键作用，强化时机、大小和频率等因素对学习效果具有显著影响[9-10]。从塑造学习动机的角度来看，强化学习的脑机制可以总结为三点：（1）在学习初期，正向强化的时机应该在正确行为后及时给予，从而维持其学习动机；（2）采用随机稀疏的正向强化方式更容易激发学习兴趣，保持学习的新鲜感；（3）在学习的后期，给予较大幅度和概率的正向强化，能够对整个学习过程进行强化，体现学习的常用价值。上述强化学习的脑机制启示我们，可以在教学过程中，通过科学设计适宜的强化模式，来塑造学生主动学习的动机，从而提升教学效果。

二、基于强化学习脑机制，以学生角度切入，设计了遵循“感受认知→理论理解→仿真领会→实验验证→实训拓展”递进式强化原则的电工学混合式教学模式

在生物强化学习的脑机制启发下，采用及时强化、随机强化和长远强化等多种强化学习原理，设计了电工学线上线下混合式教学模式，如图2所示。

电工学混合式教学模式以学生角度切入设计，对于各章节的教学内容，遵循“感受认知→理论理解→仿真领会→实验验证→实训拓展”的阶段流程进行，在不同学习阶段采用不同的强化模式。前四个阶段属于掌握基础知识，强化的目的主要在于激发兴趣、塑造良好的学习习惯，强化模式主要采用即时回报；最后的“实训拓展”阶段则属于知识应用阶段，通过实践应用来让学生体会“学以致用”的成就感，激发其主动深入学习动力、塑造其未来服务社会的价值观。

各阶段教学强化设计思路要点具体如下。

1. 感受认知（课前、线上）

按照强化学习原理，新颖直观的感受容易激发探索和学习的兴趣，所以第一阶段利用电工学教学网站所提供的视频和多媒体资源，让学生获得对所学知识的应用场景和现象规律直观的感受认识。网站内容不仅包括电路、电子、电机和电工等部分的基础原理和应用示例，还介绍了现代电工学的发展、重大科技成果、电工学在其他学科领域的渗透等拓展知识。为了增强学生的主动学习兴趣，在视频和多媒体材料中增加了随机问答、闯关得分、配对PK等环节，并随机化得分奖励，所有视频都采用不超过5分钟的短视频方式，视频呈现的连接与学生的交互选择结果有关。及时的即时奖励在学习的初期阶段，极大地激发了学生们的学习兴趣，愿意参与和主动尝试，达到了“玩中学”的目的。

2. 讲解答疑（课中、线下）

讲解答疑主要是为了解决学生在对所学理论和方法的理解中产生的问题。如果不能及时解决感受认知过程中的疑惑，学习也很难持续和深入。因此在课前获得所学知识的直观感受后，在课上教师重点通过提问、答疑、评讲思维导图的方式来对重点和难点进行讲解，并对回答问题或积极参与的学生给予及时的正向奖励强化，方式包括记小分、口头表扬和随堂小测试等，需要强调的是，课堂强化方式必须是正向的，以引导和鼓励学生为目的。负向强化只会使学生丧失学习兴趣。通过口头的表扬、引导、鼓励给予及时的反馈，使学生感受到获得的不仅仅是对知识的理解，更重要的是情感上的交流和支持，起到内部强化的效果。

3. 仿真领会（课后、线上）

在课堂学习理论知识和分析方法之后，有别于传统课后作业布置习题的方式，利用建设的线上电工学数字仿真平台，将所有的知识要点和重点方法以仿真操作分析的形式呈现给学生。学生在仿真平台上可以利用Electronics Workbench（EWB）、Pspice或MATLAB进行电路及电机系统的仿真，对所学的理论知识通过仿真模拟进行验证。仿真过程可以分步骤进行，配合动画进行打分。学生可以在课后即时或多次在线进行仿真练习，根据自己的领会程度来个性化安排掌握学习内容。这种结合仿真进行知识强化的方式，尤其在例如对电动机与变压器的原理、超导发电技术、铁磁材料应用等难点内容的理解中发挥了重要作用，仿真操作直观易理解、即时反馈的特点激发了学生学习的兴趣，深受学生的喜爱，学习的主动性大大提高。

4. 实验验证

实验操作是电工学教学的重要环节，反映学生对理论知识的理解和实践应用的能力。但传统教学方式中学生往往轻视实验，只是交个实验报告了事。在混合式教学模式里，在实验操作结束后，实验老师会根据实验效果即时给出每次实验的成绩（分为A、B、C三个等级），最后按比例计入课程结课后的总成绩。在电工学课程实验中，对于三相交流电路的研究、异步电动机的继电接触控制、单管放大电路的调试、触发器和时序逻辑电路和计数器及译码显示电路等重点或难点项目，可以分多次计操作成绩，避免因个别实验的操作失误，打击学生的学习兴趣。每项实验的成绩综合学生出勤、实验过程（参与程度、实验结果、设备安全和人身安全）情况和实验报告质量（内容和规范性），每个环节的教师评分是在学生自评的基础上进行，这种方式可以激励学生重视实验，在实验过程中注意规范和主动参与。