新工科建設(shè)背景下混合式課堂教學(xué)模式探索

李迪，王祥龍，諶東東，王新懷

（1.西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安；2.西安電子科技大學(xué) 國家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，陜西 西安）

一 引言

新工科建設(shè)著眼于國家“兩個(gè)一百年”戰(zhàn)略目標(biāo)，圍繞產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)業(yè)鏈對(duì)學(xué)科和專業(yè)設(shè)置進(jìn)行前瞻布局和動(dòng)態(tài)調(diào)整，注重實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型課程體系建設(shè)，重塑人才培養(yǎng)質(zhì)量關(guān)，培養(yǎng)時(shí)代和未來的卓越工程人才，為“中國夢(mèng)”的實(shí)現(xiàn)提供智力支撐和人才保障[1-3]。

然而，新工科背景下的傳統(tǒng)教學(xué)模式存在以下問題：第一，課程知識(shí)體系銜接不連貫，理論知識(shí)龐雜，學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)應(yīng)用能力較弱；第二，課程理論與工程實(shí)踐內(nèi)容存在嚴(yán)重脫節(jié)；第三，學(xué)時(shí)有限等教育資源問題。新時(shí)代大學(xué)生有自己的見解和追求，渴望擁有明確的科研學(xué)習(xí)目標(biāo)、能夠高效迅速地掌握扎實(shí)的專業(yè)技能學(xué)識(shí)、培養(yǎng)創(chuàng)新精神，迅速提升實(shí)踐能力，而傳統(tǒng)教學(xué)模式已越來越難以滿足當(dāng)前高質(zhì)量教育目標(biāo)的需求。

隨著信息通訊技術(shù)的發(fā)展以及智慧教學(xué)工具的不斷普及，將網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)引入到高校課程教學(xué)之中對(duì)優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)模式、提升教學(xué)效果具有重要的促進(jìn)作用，已成為當(dāng)前教學(xué)改革探索和研究的熱點(diǎn)之一[4-6]。

本文針對(duì)新工科培養(yǎng)目標(biāo)，以“超寬帶測(cè)距系統(tǒng)”作為教學(xué)實(shí)踐案例，利用信息技術(shù)構(gòu)建“線上+線下實(shí)時(shí)同步”的混合式教學(xué)模式，運(yùn)用智慧教學(xué)工具，將課堂理論知識(shí)講解與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場調(diào)試、設(shè)計(jì)制作實(shí)施緊密結(jié)合，對(duì)“課堂—現(xiàn)場”實(shí)時(shí)連線進(jìn)行課堂教學(xué)的模式進(jìn)行了探索與創(chuàng)新。

二 教學(xué)模式創(chuàng)新

隨著通訊技術(shù)的不斷提升，信息化教學(xué)手段不斷滲入學(xué)生培養(yǎng)過程中，針對(duì)典型教學(xué)問題，比如師資不足、場地緊張、學(xué)時(shí)有限、學(xué)生數(shù)量龐大等，特別是優(yōu)質(zhì)教育資源缺乏帶來的教學(xué)供需矛盾以及一些專業(yè)軟件使用方法的教學(xué)無法帶入課堂之中。

（一） 利用信息技術(shù)，構(gòu)建混合式教學(xué)模式

教師利用智慧教學(xué)工具（雨課堂、騰訊課堂和微信等）[5-7]，建立線上線下實(shí)時(shí)同步的混合式教學(xué)模式，將網(wǎng)絡(luò)空間與實(shí)體空間、課內(nèi)與課外、教師講授與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)等進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮教師引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)的主導(dǎo)作用，同時(shí)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的主動(dòng)性、積極性與創(chuàng)造性。

教學(xué)模式采用線上線下結(jié)合的混合式教學(xué)，在先進(jìn)教學(xué)理念支撐下，教師設(shè)計(jì)使用實(shí)時(shí)在線通訊手段，展現(xiàn)傳統(tǒng)課堂難以實(shí)現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)效果較差的教學(xué)內(nèi)容，包括：實(shí)際操作技巧與過程、課程內(nèi)容相關(guān)的現(xiàn)場環(huán)境演示、抽象理論或原理的具象化動(dòng)畫方式展示、知識(shí)結(jié)構(gòu)立體化呈現(xiàn)等，有效增加教學(xué)信息量，提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

（二） 利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，優(yōu)化教學(xué)團(tuán)隊(duì)

傳統(tǒng)教學(xué)模式團(tuán)隊(duì)通常只包括1~2位教師，需要面對(duì)不同層次甚至是不同知識(shí)結(jié)構(gòu)的學(xué)生，教學(xué)任務(wù)過于繁重而效率不高?；旌鲜浇虒W(xué)模式的團(tuán)隊(duì)由線上教師（AI教師、輔導(dǎo)教師）和課堂教師聯(lián)合組成，既有關(guān)注“如何教”的教師，又有關(guān)注“如何學(xué)”的教師，還有關(guān)注“學(xué)生支援服務(wù)”的教師。教師團(tuán)隊(duì)盡可能為學(xué)生提供教學(xué)服務(wù)，包括但不限于：（1）線上線下結(jié)合的規(guī)模化教學(xué)和個(gè)性指導(dǎo)；（2）線上線下結(jié)合的答疑服務(wù)；（3）線上線下相結(jié)合的測(cè)試評(píng)價(jià)服務(wù)；（4）提供充足的教學(xué)資源。

科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展為教學(xué)模式革新提供了堅(jiān)強(qiáng)技術(shù)支撐，在高校課堂教學(xué)之中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)有效利用信息技術(shù)，協(xié)助教師的教學(xué)工作，不斷拓展課程的信息化教學(xué)空間，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)更多適應(yīng)高質(zhì)量發(fā)展、高水平自立自強(qiáng)的各類人才。

三 教學(xué)實(shí)踐案例

板級(jí)嵌入式系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是電子信息工程專業(yè)的重要實(shí)踐課程[8-9]。在混合式教學(xué)模式下，以“超寬帶測(cè)距系統(tǒng)”作為典型教學(xué)案例，從課堂理論知識(shí)的講解、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的調(diào)試技巧、課堂與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)同步連線等對(duì)學(xué)生開展教學(xué)工作。

（一） 課堂理論

“超寬帶測(cè)距系統(tǒng)”綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)根據(jù)學(xué)生能力不同對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行層次化設(shè)計(jì)，分為“基礎(chǔ)層-應(yīng)用層-提高層-項(xiàng)目層”四個(gè)層次[10-11]，對(duì)應(yīng)I、II、III、IV四個(gè)復(fù)雜度不同的部分，其復(fù)雜度系數(shù)分別為0.5、0.6、0.8、1.0。具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 超寬帶測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

課堂教學(xué)過程中，教師為學(xué)生講解如下實(shí)驗(yàn)原理和方案。超寬帶測(cè)距系統(tǒng)包含硬件和軟件算法設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)包含兩個(gè)信號(hào)收發(fā)基站和一個(gè)顯示模塊。基站模塊包括：電源、處理器、降壓模塊、超寬帶模塊和顯示模塊等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，電源通過降壓電路為不同的子模塊提供電源。處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并實(shí)現(xiàn)各模塊之間無線通信，同時(shí)根據(jù)軟件算法程序計(jì)算兩基站之間距離值。超寬帶模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)收發(fā)，為處理器提供所需數(shù)據(jù)。處理器和超寬帶模塊之間采用通信協(xié)議傳輸信號(hào)。

圖1 超寬帶測(cè)距系統(tǒng)框圖

測(cè)距算法原理如圖2所示。首先，基站A向基站B發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)，并記錄發(fā)送時(shí)刻T0；其次，當(dāng)基站B接收到基站A請(qǐng)求信號(hào)之后向基站A回復(fù)一條應(yīng)答信號(hào)，分別記錄其接收請(qǐng)求信號(hào)時(shí)刻T1和發(fā)送應(yīng)答信號(hào)時(shí)刻T2；當(dāng)基站A接收到應(yīng)答信號(hào)之后會(huì)向基站B發(fā)送一條終止信號(hào)，分別記錄接收時(shí)刻T3和發(fā)送終止信號(hào)時(shí)刻T4，最后基站B接收到終止信號(hào)并記錄接收時(shí)刻T5。處理器根據(jù)上述時(shí)間值和幾何關(guān)系計(jì)算信號(hào)的飛行時(shí)間Tof，將飛行時(shí)間和電磁波傳播速度相乘便可得出基站A和B之間的距離值。

圖2 超寬帶測(cè)距算法模型

（二） 同步課堂

教師在混合式教學(xué)模式下，借助智慧教學(xué)工具實(shí)現(xiàn)課堂與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)連接，將抽象理論進(jìn)行立體化展示，增加師生之間交流，促進(jìn)學(xué)生對(duì)課堂理論知識(shí)的理解，提升教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生不再是被動(dòng)的接受者，而是主動(dòng)的參與者。學(xué)生在混合式教學(xué)模式下，提高了主動(dòng)學(xué)習(xí)和獲取知識(shí)的能力[12]。

課堂教師與輔導(dǎo)教師通過智慧通訊軟件實(shí)現(xiàn)課堂與現(xiàn)場同步，在給學(xué)生講解相關(guān)理論知識(shí)和調(diào)試操作技巧的同時(shí)，實(shí)時(shí)展現(xiàn)測(cè)試和調(diào)試現(xiàn)場的操作流程與技巧，將抽象理論具象化展示，激發(fā)學(xué)生興趣，提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。以“超寬帶測(cè)距系統(tǒng)”綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)為例，課堂教師依次為學(xué)生講解Part I、II、III、IV四個(gè)不同復(fù)雜度的實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)計(jì)方案以及調(diào)試方法，并指示輔導(dǎo)教師進(jìn)行實(shí)時(shí)同步的實(shí)驗(yàn)操作。

如圖3所示，課堂主講教師與輔導(dǎo)教師實(shí)時(shí)連線講述超寬帶測(cè)距系統(tǒng)PCB板級(jí)調(diào)試流程；結(jié)合對(duì)圖1的課堂理論講解，指示輔助教師實(shí)時(shí)完成Part I(1)、II(2)的調(diào)試工作；接通5V電源，PCB板級(jí)系統(tǒng)下端位置的電源指示燈亮，同時(shí)上端的LED燈的亮度隨著傳輸信號(hào)強(qiáng)度的大小而變化，當(dāng)傳輸信號(hào)越強(qiáng)時(shí)，則指示燈越亮，反之越暗；分別在標(biāo)準(zhǔn)尺為10m、20m長度范圍內(nèi)，固定基站A，移動(dòng)基站B，每間隔1m測(cè)量兩基站之間的距離值，記錄數(shù)據(jù)，查看測(cè)距精度是否滿足50 cm的指標(biāo)要求。

圖3 實(shí)時(shí)連線場景與PCB制作演示及實(shí)驗(yàn)作品

圖4所示為課堂主講教師與輔導(dǎo)教師實(shí)時(shí)連線，講述超寬帶測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程與距離實(shí)測(cè)方法；結(jié)合對(duì)圖2的系統(tǒng)測(cè)距算法理論的講解，指示輔助教師實(shí)時(shí)完成Part III的系統(tǒng)調(diào)試，完成上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示基站位置與信號(hào)強(qiáng)度數(shù)字化轉(zhuǎn)換；完成Part IV中的二維定位與定位信息顯示。在圖4的上位機(jī)界面中，兩個(gè)原點(diǎn)則代表兩個(gè)基站的位置，基站A的位置設(shè)定為坐標(biāo)原點(diǎn)，界面的上端則為Part IV(1)所需的基站B的定位信息。

圖4 課堂實(shí)時(shí)連線場景與現(xiàn)場調(diào)試、上位機(jī)界面

本文所提出的混合式教學(xué)模式，大大增加了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方案合理性、實(shí)際電路焊接品質(zhì)、成本控制、誤差分析和自主創(chuàng)新等方面的思考，建立了理論講述與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的聯(lián)動(dòng)模式，促使了學(xué)生在吸收理論知識(shí)的同時(shí)能夠提升綜合實(shí)踐和思維創(chuàng)新能力。

四 實(shí)施效果

混合式教學(xué)模式打破了空間的限制，知識(shí)的來源包括書籍、教師和網(wǎng)絡(luò)等。學(xué)生可通過網(wǎng)絡(luò)獲取優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)資源，開闊知識(shí)眼界，提升實(shí)驗(yàn)任務(wù)的完成質(zhì)量。

混合式教學(xué)模式架起了理論課堂與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的橋梁，課堂教師借助信息技術(shù)實(shí)時(shí)連線輔助教師，同步講解EDA軟件、儀器設(shè)備的操作技巧，開拓了學(xué)生的知識(shí)面，在夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)的同時(shí)，增強(qiáng)了學(xué)生的體驗(yàn)、“現(xiàn)場”觀察與提出問題的能力，解決了工程設(shè)計(jì)軟件的使用方法難以在課堂精確講解的問題。

從實(shí)施效果來看，混合式教學(xué)模式不僅提高了學(xué)生的綜合素養(yǎng)，也激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，為后續(xù)參加電子學(xué)科的競賽打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在學(xué)生中廣受好評(píng)。

五 結(jié)語

本文將信息技術(shù)應(yīng)用到課堂教學(xué)之中，構(gòu)建“線上+線下實(shí)時(shí)同步”的混合式教學(xué)模式。教師在混合式教學(xué)模式下，以“超寬帶測(cè)距系統(tǒng)”綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為教學(xué)案例，引導(dǎo)學(xué)生“做中學(xué)，學(xué)中做，學(xué)中樂，樂中學(xué)”，在夯實(shí)理論知識(shí)的同時(shí)，學(xué)會(huì)使用工科學(xué)生常用設(shè)計(jì)軟件與儀器設(shè)備等，為培養(yǎng)“新工科”背景下的創(chuàng)新引領(lǐng)人才奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)。