基于翻轉(zhuǎn)課堂的“隨機信號分析實驗”教學

付衛(wèi)紅，郭萬里，劉乃安，韋 娟

（西安電子科技大學通信工程學院，陜西西安710071）

0 引言

翻轉(zhuǎn)課堂教學強調(diào)“以學生為中心，以任務為驅(qū)動”的理念，采取自主學習和小組協(xié)作學習兩種方式，充分調(diào)動大學生自主性和探究性學習，讓學生自己掌控學習節(jié)奏，實現(xiàn)個性化學習［1～2］。翻轉(zhuǎn)課堂理念來源于美國科羅拉多州林地公園高中。該校的兩位化學教師首次將其應用于課堂教學，并取得了較好的效果［3］。后來這種教學模式被越來越多的學校采用，成為美國乃至全球很多學校和教育機構(gòu)關(guān)注討論的熱點。

本文借鑒翻轉(zhuǎn)課堂教學的理論，對“隨機信號分析實驗”課程進行大膽的改革和嘗試，設計出以翻轉(zhuǎn)課堂教學模式為基礎的“隨機信號分析實驗”教學實踐。

1 “隨機信號分析實驗”教學特點

“隨機信號分析實驗”是以通信工程和信息工程專業(yè)的“隨機信號分析”專業(yè)理論基礎課為基準而開設的實踐課程［4］?！半S機信號分析”理論課程具有嚴謹、系統(tǒng)性強的特點。其任務在于研究隨機信號的基本理論和基本分析方法，為學生進一步學習和掌握“通信原理”、“通信系統(tǒng)”和“信號檢測與估值”等后續(xù)課程奠定基礎。“隨機信號分析實驗”課程，希望通過實驗使學生能對所學課程內(nèi)容有更深刻的理解，掌握隨機信號的基本分析方法和基本測量方法。

“隨機信號分析實驗”根據(jù)“隨機信號分析”理論課程的內(nèi)容，有目的性地選擇了一些設計性開放性實驗題目，使初學者能夠把所學的基本理論用于解決工程實踐中的具體問題，同時提高初學者的學習興趣，鍛煉初學者的獨立分析問題與解決問題的能力。

“隨機信號分析實驗”總課時32學時，包括了4學時教師課堂講解實驗理論的時間以及28學時學生設計、操作實驗的時間。

“隨機信號分析實驗”不同于其他實驗課程，其主要內(nèi)容都需要利用現(xiàn)有的仿真軟件Matlab或者Quartus II，根據(jù)相關(guān)理論課程學習到的理論知識對隨機信號的各種特性進行分析實驗。學生先跟據(jù)實驗任務要求，結(jié)合相關(guān)理論知識，設計實驗方案然后對實驗結(jié)果進行分析。傳統(tǒng)的“隨機信號分析實驗”課程要求所有的教學活動都在課內(nèi)完成。這種教學模式一方面限制了學生主動學習的積極性，學生只能按部就班按照教師的時間安排來做，不能合理地跟據(jù)自身情況安排時間；另一方面，由于學生把大量的時間都花費在了教師安排的普適性的實驗任務上，不能得到有效的、有針對性的鍛煉。

2 翻轉(zhuǎn)課堂教學

所謂翻轉(zhuǎn)課堂教學，就是將學習過程中知識傳授和知識內(nèi)化兩個階段進行顛倒。翻轉(zhuǎn)課堂的關(guān)鍵在于“翻轉(zhuǎn)”，實質(zhì)在于教學“主體地位轉(zhuǎn)換”，具體涉及以下3個方面：①教師角色翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)課堂使教師從傳統(tǒng)課堂中解放出來，變成了學生學習活動的設計者、促進者和指導者。這意味著教師不再是知識交互和應用的中心，但他們?nèi)匀皇菍W生學習的主要推動者。當學生需要幫助時，教師便會向他們提供必要的啟發(fā)引導。②學生地位翻轉(zhuǎn)。學生由傳統(tǒng)課堂中的被動學習翻轉(zhuǎn)為主動式學習，這種主動表現(xiàn)在主動選擇學習的內(nèi)容、主動安排自己的學習進度等多方面。在這個過程中，教師的作用主要是提供相應的支撐材料或?qū)W習資源，在學生需要答疑解惑時提供必要的支持。③課堂作用的翻轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)的課程，課堂上的時間主要用來讓教師傳授課程相關(guān)知識，而答疑解惑一般在課下完成。翻轉(zhuǎn)課堂理論則剛好相反，學生在課下時間學習課程相關(guān)知識，而在課堂上跟教師進行討論，解決課程學習過程中面臨的問題。

目前國內(nèi)外有許多專家學者對翻轉(zhuǎn)課堂進行了實踐與理論研究，2012年美國哥倫比亞大學教師學院的湯姆·德里斯科爾進行了一項涉及26個教師和203個學生的調(diào)查，所得的研究結(jié)論是翻轉(zhuǎn)課堂教學促進了學習環(huán)境的民主化。將近80%的學生認為他們能夠自己控制學習進度，并且在翻轉(zhuǎn)課堂上與教師和同學交流更多，主動學習的時間增加，這讓他們感覺學習是一個愉快的成長過程。70%的學生表示現(xiàn)在可以與同學一起作出決定，更多地進行批判性思考和解決問題，同時，教師比過去更了解他們的興趣、優(yōu)勢和弱項。湯姆的這項研究對教師的調(diào)查也是完全正面的，100%的教師認為實施翻轉(zhuǎn)課堂后，學生學習變得更加積極，教學也更加個性化和差異化。

目前在高等教育中，翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式在理論課教學中應用較多，對于實驗教學應用較少。這里有兩個原因：第一是大部分的實驗課程需要利用實驗室的硬件實驗環(huán)境，必須在實驗室完成，沒有辦法借用翻轉(zhuǎn)課堂的模式；第二個原因是在高等教育中，很多教師對學生實驗課程的教學不夠重視，因此也就沒有多花費精力在實驗教學的改革上。

筆者從事實驗教學多年，目前承擔著“隨機信號分析實驗”課程的教學任務，考慮到本實驗課程跟一般實驗課程的不同，結(jié)合目前高等教育改革的大環(huán)境，提出將翻轉(zhuǎn)課堂教學模式應用到“隨機信號分析實驗”的教學過程中，希望通過新的教學模式，調(diào)動學生學習的積極性、主動性，同時提高實驗課程教學效率，爭取在有限的實驗時間中，讓學生得到最大的提升。

3 基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學設計

基于翻轉(zhuǎn)課堂的“隨機信號分析實驗”教學設計過程如圖1所示。

整個過程分成課外和課內(nèi)活動兩部分，就教師和學生分別表述如下。

3．1 教師課外活動

圖1 基于翻轉(zhuǎn)課堂的“隨機信號分析實驗”教學設計

在基于翻轉(zhuǎn)課堂的“隨機信號分析實驗”教學設計中，希望學生在課下完成大部分關(guān)于實驗原理、實驗要求、實驗內(nèi)容等的學習和理解，因此教師需要針對具體的實驗內(nèi)容，課外要先準備相關(guān)的PPT講義，錄制實驗教學視頻。與此同時，為了滿足不同層次學生的學習需求，教師還需要在課下搜集整理多種相關(guān)的網(wǎng)絡資料，比如與實驗原理相關(guān)的課程PPT、公開課網(wǎng)站等。舉個例子，“隨機信號分析實驗”課程中有一個實驗內(nèi)容是2ASK調(diào)制器的設計與實現(xiàn)，對于該實驗，教師需要在課下準備ASK調(diào)制原理的PPT，并錄制相關(guān)的講解視頻，由于設計過程中需要用到Quartus II仿真軟件，因此還需要準備Quartus II的介紹以及使用方法。此外，教師還要給出實驗內(nèi)容和實驗要求，為ASK調(diào)制器的設計給出一個大概的思路。由于本實驗課程是一個開放性、綜合性、設計性的實驗，因此教師不會直接給出ASK調(diào)制器的設計框圖，只會給出設計的思想和方法，引導學生自己設計總體的系統(tǒng)框圖。

3．2 學生課外活動

在教師準備好相關(guān)資源發(fā)放到網(wǎng)上之后，學生在課下需自行安排時間進行學習，了解清楚實驗的原理和要求。學生在觀看教師提供的PPT以及教學視頻的過程中，如果對實驗的內(nèi)容和原理還存在疑問，可以查閱教師提供的其他網(wǎng)絡資源進行深入的學習。學生如果還有疑問可以通過網(wǎng)絡平臺，如QQ、微信等跟教師交流。對于那些網(wǎng)絡上交流不方便的內(nèi)容，學生可以在課內(nèi)與教師當面討論。在對實驗相關(guān)的理論知識以及實驗要求充分了解之后，學生可以在課下根據(jù)自己的情況，合理安排時間進行實驗方案的設計以及實驗軟件仿真部分的工作。

3．3 教師課內(nèi)活動

對于翻轉(zhuǎn)課堂實驗教學，在課堂上，教師主要的作用是針對每個學生的具體問題，給學生答疑解惑，幫助學生完成知識的內(nèi)化過程。然后與學生針對關(guān)鍵問題進行多方面多角度的探討，讓學生對所做的實驗有一個更全面更深刻的認識。

下面以ASK調(diào)制器的設計實驗為例，說明教師在課內(nèi)的作用和活動內(nèi)容。教師在課堂上一方面需要為學生在實驗方案設計過程中存在的問題進行解答，另一方面，學生在利用Quartus II軟件搭建ASK調(diào)制系統(tǒng)的過程中，如果存在困難，也需要老師幫助解決。最后，教師要在課內(nèi)對ASK調(diào)制信號波形時域特征、頻譜結(jié)構(gòu)、不同參數(shù)之間的關(guān)系、ASK信號的統(tǒng)計特性等方面跟學生進行討論，同時引導學生思考當改變某些參數(shù)時，對ASK調(diào)制信號的影響是什么？ASK調(diào)制有什么優(yōu)點和缺點？

3．4 學生課內(nèi)活動

學生在課外已經(jīng)學習掌握了實驗的原理、實驗的內(nèi)容以及實驗的具體要求，并且設計了實驗的方案，在課內(nèi)就可以根據(jù)設計過程中面臨的問題或者疑問跟教師進行一對一的溝通，因為有了針對性，其效果是很好的。另外，學生在課內(nèi)的一個關(guān)鍵任務是利用實驗室設備完成課外無法進行的實驗。就ASK調(diào)制器的設計而言，學生在課外完成了方案設計以及基于Quartus II的ASK調(diào)制器的系統(tǒng)設計，學生需要在課內(nèi)實驗室里將生成的軟件程序下載到實驗版上，驗證設計的ASK調(diào)制器是否可用，同時利用示波器測試真實的ASK信號時域波形、頻譜結(jié)構(gòu)，讀取載頻、符號速率、帶寬、碼元速率等參數(shù)。

3．5 實驗評價

“隨機信號分析實驗”傳統(tǒng)實驗課堂的評價主要包括實驗報告和實驗結(jié)果兩部分，這種評價模式在翻轉(zhuǎn)課堂教學中并不實用，因為翻轉(zhuǎn)課堂模式下，學生很大一部分實驗工作是在課下完成的，所以如果按照傳統(tǒng)評價模式只對學生考核實驗結(jié)果和實驗報告兩部分，將不能全面、客觀的反映學生的實驗綜合成績?；诖耍覀冊O計了表1所示的翻轉(zhuǎn)課堂實驗評價體系。

評價體系共設有七項指標，它們分別是：

（1）“實驗方案”部分主要考察學生在學習相關(guān)實驗原理等資源后，制定的實驗方案是否合理，是否具有可操作性。由于“隨機信號分析實驗”課程屬于開放性、綜合性的實驗，所以實驗方案并不唯一，所以在考察這部分內(nèi)容時，不要局限于某一種方案，只要學生提出來的實驗方案能夠完成要求的實驗內(nèi)容，并且給出的實驗方案合理就可以了。

（2）“實驗結(jié)果”部分則是考察學生實驗結(jié)果是否正確或者合理。正如前文所述，由于實驗方案不唯一，因此實驗結(jié)果也會不一樣，因此在考察這部分內(nèi)容時，重點關(guān)注學生的實驗結(jié)果是否合理，即使結(jié)果跟預期不一致，學生如果能解釋出原因也是可以的。

（3）“實驗報告”這部分主要考察學生撰寫的實驗報告條例是否清晰、對實驗結(jié)果的分析是否正確、完善，書寫是否規(guī)范，尤其是圖、標的規(guī)范性。要知道現(xiàn)在很多學生大學四年畢業(yè)了，還不知道如何撰寫一篇合格的科技報告或科技論文，我們希望借此機會，能夠讓學生對如何撰寫一篇符合要求的科技報告有一個基本的認識。

（4）“解決實際問題的能力”這部分主要考察學生在實驗過程中遇到問題是否能積極地想辦法解決，該能力的培養(yǎng)是現(xiàn)在專業(yè)認證中的一項重要指標，要求學生通過“隨機信號分析實驗”在這方面有所提升。

（5）“創(chuàng)新能力”這部分主要考察學生是否能提出新的實驗方案或?qū)嶒灧椒?，考慮到對于本科生來說要提出一個全新的實驗方案難度太大，因此這里只要學生能提出一些跟常規(guī)的方法有所不同之處就可以認為具有較好創(chuàng)新能力。

（6）“課堂互動”這部分主要考察學生在課堂上是否能積極發(fā)言，是否可以跟教師、同學交流、討論實驗過程中遇到的問題。此舉一方面可以督促學生將自己對實驗原理、實驗方法、實驗結(jié)果等內(nèi)容進行消化、吸收，另一方面也鍛煉了學生溝通交流的能力。

（7）“課下交流”這部分主要考察學生在課下是否積極在實驗QQ群或微信群中發(fā)言，提出在學習實驗原理、制定實驗方案以及具體實驗過程中遇到的問題，是否積極幫其他同學解決問題。因為只有當他能提出問題的時候，說明他在課下是下了功夫的。如果還能幫其他同學解答問題，說明他對實驗內(nèi)容有較深入細致的了解。

表1 實驗評價體系

4 結(jié)語

本文提出的“隨機信號分析實驗”翻轉(zhuǎn)課堂教學設計是對實驗教學模式探索的一種嘗試，根據(jù)“隨機信號分析實驗”的特點，設計了具體的實施方案，包括學生、教師課上、課下各自的職責以及具體的考核評價指標、評價內(nèi)容以及所占比例。該教學模式具有很強的可操作性，不僅讓學生能根據(jù)自身情況自主安排課下學習計劃，在課上能根據(jù)自身問題跟教師進行一對一的溝通，而且讓教師也能更充分的利用課上時間有針對性的幫學生解答問題，提高了課堂效率。