跨知識(shí)點(diǎn)教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂協(xié)同研究生課程探索

陳建云，瞿智，胡梅，馮旭哲

[摘 要] 現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)是應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段研究動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集、變換、傳輸以及分析與處理的技術(shù)?，F(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試課程講授過程中，希望學(xué)生掌握的核心知識(shí)要素包括測(cè)試信號(hào)與系統(tǒng)、濾波器設(shè)計(jì)與運(yùn)用、測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)理論、測(cè)試系統(tǒng)估計(jì)理論等。針對(duì)現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試課程理論知識(shí)點(diǎn)多而授課學(xué)時(shí)數(shù)壓縮的情況，如何讓學(xué)生高效、扎實(shí)地掌握相關(guān)諸多理論知識(shí)，提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力，探索了通過大縱向跨知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)的體系聯(lián)動(dòng)講解和理論聯(lián)系實(shí)際關(guān)聯(lián)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，大幅高效提升學(xué)生系統(tǒng)性掌握知識(shí)點(diǎn)、線、面的效果，通過理論聯(lián)系實(shí)際的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)興趣和參與度。

[關(guān)鍵詞] 跨知識(shí)點(diǎn)教學(xué);翻轉(zhuǎn)課堂;知識(shí)體系聯(lián)動(dòng)

[作者簡(jiǎn)介] 陳建云（1975—），男，江蘇南京人，博士，國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院研究員，主要從事空間儀器工程、智能天基網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)教學(xué)與研究;瞿 智（1986—），男，湖北十堰人，博士，國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院講師，主要從事天基智能研究;胡 梅（1982—），女，湖北天門人，博士，國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院副教授，主要從事空間儀器工程研究。

[中圖分類號(hào)] G640? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）44-0094-04? ? [收稿日期] 2021-06-28

一、現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試課程概述與現(xiàn)狀

動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)是研究動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量的技術(shù)?，F(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)是應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段研究動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集、變換、傳輸以及分析與處理的技術(shù)。這里的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段是指現(xiàn)代的高新科學(xué)技術(shù)，如現(xiàn)代新型傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)分析與處理技術(shù)等，將它們應(yīng)用于測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試過程中，便可以解決動(dòng)態(tài)參數(shù)越來越多、動(dòng)態(tài)參數(shù)變化速度越來越快、動(dòng)態(tài)測(cè)試準(zhǔn)確度要求越來越高等動(dòng)態(tài)測(cè)試的難題。而隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)實(shí)驗(yàn)與自動(dòng)化生產(chǎn)過程又都依賴現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)與技術(shù)來完成。

現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)已大大不同于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，后者不過是簡(jiǎn)單的比較測(cè)量，而現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)則是包括信號(hào)采集、信號(hào)變換與傳輸、信號(hào)處理與分析、信號(hào)記錄與顯示的綜合技術(shù)。它為傳統(tǒng)的測(cè)量學(xué)科帶來了一系列的觀念、方法和技術(shù)等的革新。動(dòng)態(tài)測(cè)試的基本特點(diǎn)如下。

1.時(shí)變性：動(dòng)態(tài)測(cè)試所測(cè)量的是隨測(cè)試時(shí)間變化的量，表現(xiàn)為隨測(cè)試時(shí)間而變化的某種函數(shù)。

2.隨機(jī)性：動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)的另一基本特點(diǎn)是既含有確定性變化的部分，又含有隨機(jī)性變化的部分，表現(xiàn)為測(cè)試時(shí)間的隨機(jī)函數(shù)。

3.相關(guān)性：動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)相鄰瞬時(shí)數(shù)據(jù)之間并非孤立而無關(guān)的，相反，它們具有一定的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。

4.動(dòng)態(tài)性：動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試過程中需采用微分方程、離散化的差分方程、狀態(tài)方程或系統(tǒng)傳遞函數(shù)來描述動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，輸入與輸出之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系與測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。

現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試課程的教學(xué)目標(biāo)，一是要求學(xué)生掌握動(dòng)態(tài)測(cè)試的基本理論與方法、測(cè)試信號(hào)的表示與分析、測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)原理、無線測(cè)量/通信/導(dǎo)航測(cè)試原理、典型分析計(jì)算工具的運(yùn)用，二是培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力、設(shè)計(jì)測(cè)試技術(shù)方案與系統(tǒng)綜合的能力，從而提高典型問題分析與解決的水平?，F(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試課程的主要講授內(nèi)容包括現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)概論、動(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)表示與分析、動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)表示與分析、測(cè)試系統(tǒng)的濾波器設(shè)計(jì)、希爾伯特變換和解析過程、測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字化采樣原理、多采樣率信號(hào)處理理論、測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生與綜合、測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)理論、測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)估計(jì)理論、自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算分析與仿真實(shí)踐等。

在現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試課程講授過程中，教師希望學(xué)生掌握的核心知識(shí)要素包括測(cè)試信號(hào)與系統(tǒng)、濾波器設(shè)計(jì)與運(yùn)用、測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)理論、測(cè)試系統(tǒng)估計(jì)理論等。本文針對(duì)教學(xué)實(shí)踐中運(yùn)用跨知識(shí)點(diǎn)與翻轉(zhuǎn)課堂對(duì)濾波器設(shè)計(jì)與運(yùn)用的教學(xué)探索實(shí)踐進(jìn)行介紹。

對(duì)于濾波器設(shè)計(jì)與運(yùn)用的內(nèi)容，濾波器設(shè)計(jì)非常重要，在采樣、變換、處理等各個(gè)環(huán)節(jié)均需要其深度參與。以往學(xué)生在學(xué)習(xí)濾波器設(shè)計(jì)過程中僅從文本上了解最簡(jiǎn)單的窗函數(shù)設(shè)計(jì)法，實(shí)際上，窗函數(shù)設(shè)計(jì)法在實(shí)際工程中應(yīng)用得極少，這樣的教學(xué)內(nèi)容無典型工程實(shí)踐案例給予支撐，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)濾波器設(shè)計(jì)的理解既空洞乏味，又無法理解實(shí)際濾波器設(shè)計(jì)中還有非常多的理論和計(jì)算技術(shù)，公式多、推導(dǎo)多。但是傳統(tǒng)講授模式僅僅針對(duì)各種方法推公式、講理論，學(xué)生聽起來沒有共鳴點(diǎn)，所學(xué)知識(shí)缺少連貫性，特別是在學(xué)時(shí)較少的條件下如何講得生動(dòng)、有效，讓學(xué)生快速理解其中的精髓成為改進(jìn)授課內(nèi)容的關(guān)鍵。因此，希望通過跨知識(shí)點(diǎn)與翻轉(zhuǎn)課堂能夠改變學(xué)生普遍覺得傳統(tǒng)濾波器設(shè)計(jì)課程理論教學(xué)枯燥、簡(jiǎn)單而實(shí)際應(yīng)用時(shí)無從下手的現(xiàn)狀。

二、跨知識(shí)點(diǎn)與翻轉(zhuǎn)課堂在濾波器設(shè)計(jì)授課中的運(yùn)用

翻轉(zhuǎn)課堂又稱顛倒課堂，是指教育者賦予學(xué)生更多的自由，把傳授知識(shí)的過程放在課堂之外，讓學(xué)生選擇合適的方式接受新知識(shí)，把知識(shí)內(nèi)化的過程放在課堂，讓學(xué)生和教師有更多的討論與交流。翻轉(zhuǎn)課堂使教師從傳統(tǒng)課堂上的知識(shí)傳授者變成學(xué)生學(xué)習(xí)的推動(dòng)者和引導(dǎo)者。這意味著教師不再是知識(shí)交互和應(yīng)用的中心，但他們?nèi)匀皇菍W(xué)生學(xué)習(xí)的主要促進(jìn)者。當(dāng)學(xué)生需要指導(dǎo)時(shí)，教師將為他們提供必要的支持。隨著教師身份的轉(zhuǎn)變，教師面臨著學(xué)習(xí)新的教學(xué)技能的挑戰(zhàn)。

翻轉(zhuǎn)課堂分為兩個(gè)部分。第一部分稱為課前預(yù)習(xí)，主要是在課外進(jìn)行。課前預(yù)習(xí)的目的，是讓學(xué)生掌握一些最基本的基礎(chǔ)知識(shí)。我們不必要求學(xué)生對(duì)這個(gè)知識(shí)有很深入的理解，只要大概知道一兩個(gè)概念就可以了。第二部分是課堂活動(dòng)，就是讓學(xué)生在課堂上跟同學(xué)和教師互動(dòng)，共同完成教學(xué)任務(wù)。在這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生要利用課前預(yù)習(xí)時(shí)學(xué)到的基本概念解決一些實(shí)質(zhì)性問題，學(xué)以致用。為什么說翻轉(zhuǎn)課堂更強(qiáng)調(diào)實(shí)踐呢？這并不是因?yàn)樗鉀Q的問題有什么功利上的價(jià)值，而是學(xué)生在解決這些問題的過程中，必然會(huì)對(duì)課前預(yù)習(xí)學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行深度思考。正是這個(gè)深度思考，讓學(xué)生加強(qiáng)了對(duì)知識(shí)的記憶和理解，學(xué)到了應(yīng)用技巧。所以，實(shí)踐翻轉(zhuǎn)課堂，首先要分辨哪些內(nèi)容應(yīng)該放在課前預(yù)習(xí)，哪些內(nèi)容應(yīng)該放在課堂上學(xué)習(xí)[1]。

講授現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試課程中的濾波器設(shè)計(jì)內(nèi)容時(shí)，首先要介紹濾波器設(shè)計(jì)的常用指標(biāo)：通帶截止頻率、阻帶截止頻率、通帶峰值波紋、阻帶峰值波紋、峰值通帶波紋、最小阻帶衰減等參數(shù)的物理意義，之后介紹使用Matlab的FDATool工具展示濾波器設(shè)計(jì)的效果，展示濾波器性能與濾波器設(shè)計(jì)常用指標(biāo)之間的約束關(guān)系，使學(xué)生初步建立起濾波器性能約束條件的基本概念。

翻轉(zhuǎn)課堂的另一核心特征是減少教師在課堂上的教學(xué)時(shí)間，為學(xué)生留出更多的學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)間。這些學(xué)習(xí)活動(dòng)應(yīng)基于現(xiàn)實(shí)生活的真實(shí)情況，并允許學(xué)生在互動(dòng)協(xié)作中完成學(xué)習(xí)任務(wù)，將課堂講授的內(nèi)容轉(zhuǎn)移到課后，在不減少基本知識(shí)展示量的情況下，加強(qiáng)學(xué)生在課堂上的互動(dòng)。這種轉(zhuǎn)變將提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解[2]。接下來的授課中要運(yùn)用翻轉(zhuǎn)課堂模式，不急于直接開始講解濾波器設(shè)計(jì)方法，而是在采樣定理、多采樣率變換內(nèi)插和抽取、希爾伯特變換、抗干擾等相關(guān)知識(shí)的講授過程中逐層展示濾波器與其他知識(shí)點(diǎn)結(jié)合的各種應(yīng)用。如多采樣率變換過程中內(nèi)插濾波器和抽取濾波器的運(yùn)用及其參數(shù)確定流程，使學(xué)生客觀了解濾波器帶來的實(shí)際用途和如何著手進(jìn)行濾波器建模設(shè)計(jì)的第一步，即確定指標(biāo)參數(shù)（見圖1、圖2）。

進(jìn)一步面向工程實(shí)踐，通過詳細(xì)講解衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源中精密時(shí)延產(chǎn)生過程中對(duì)濾波器的應(yīng)用、設(shè)計(jì)情況，非常生動(dòng)地展示了高精度測(cè)試系統(tǒng)中對(duì)濾波器基本原理淋漓盡致地應(yīng)用。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源的核心技術(shù)是高分辨率多級(jí)延遲濾波器組時(shí)延技術(shù)，而數(shù)字延遲濾波器延遲方法的基本原理是當(dāng)信號(hào)通過一個(gè)濾波器時(shí)，必將產(chǎn)生一定的群時(shí)延，而改變?yōu)V波器的群時(shí)延就可以改變信號(hào)的時(shí)延。數(shù)字延時(shí)濾波器里設(shè)計(jì)了多組延時(shí)所需的濾波器參數(shù)建模設(shè)計(jì)，這樣學(xué)生就能很直接地了解在一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)中濾波器的基礎(chǔ)理論是如何應(yīng)用的（見圖3）。

到此，課程只講授了濾波器參數(shù)建模設(shè)計(jì)，對(duì)于濾波器的算法設(shè)計(jì)并未涉及。學(xué)生通過前面的知識(shí)傳授不僅對(duì)濾波器設(shè)計(jì)有了直觀的了解，而且對(duì)于如何滿足濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的濾波器算法產(chǎn)生了濃厚興趣。此時(shí)可以運(yùn)用翻轉(zhuǎn)課堂模式給學(xué)生布置兩個(gè)研討問題，讓他們完成研究報(bào)告，引導(dǎo)學(xué)生課下通過查閱文獻(xiàn)學(xué)習(xí)，掌握相關(guān)知識(shí)。兩個(gè)研討問題是濾波器算法設(shè)計(jì)的核心知識(shí)點(diǎn)。

1.Remez等紋波濾波器設(shè)計(jì)算法（見圖4）。

查閱：中英文資料，Remez等紋波濾波器設(shè)計(jì)原理報(bào)告。

思考：濾波器長(zhǎng)度與濾波器參數(shù)之間的約束關(guān)系及其描述。

2.級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器CIC（見圖5）。

查閱：中英文資料，多速率變換中級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器原理與應(yīng)用

思考：多速率變換中梳狀濾波器級(jí)數(shù)選擇的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題

隨著技術(shù)的發(fā)展，教育進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代，一個(gè)學(xué)生可以進(jìn)行自我知識(shí)延伸的時(shí)代。在這個(gè)時(shí)代，學(xué)生可以在網(wǎng)絡(luò)中獲取自己所需的知識(shí)。在技術(shù)支持下的個(gè)性化學(xué)習(xí)中，學(xué)生成為自定步調(diào)的學(xué)習(xí)者，他們可以選擇學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)地點(diǎn)，控制學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)量。然而在翻轉(zhuǎn)課堂，學(xué)生并非完全獨(dú)立地學(xué)習(xí)。翻轉(zhuǎn)課堂是有活力且需要學(xué)生高度參與的課堂。在技術(shù)支持的協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生需要根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容反復(fù)地與同學(xué)、教師交互，以擴(kuò)展和創(chuàng)造深度的知識(shí)。可見，翻轉(zhuǎn)課堂上，學(xué)生能夠構(gòu)建深度的知識(shí)體系，是課堂上的主角。其中的課堂報(bào)告研討環(huán)節(jié)中，學(xué)生講解自己學(xué)習(xí)、調(diào)研、理解的濾波器設(shè)計(jì)算法，并和同學(xué)、教師研討，進(jìn)一步理解了整個(gè)濾波器的設(shè)計(jì)，深化了對(duì)濾波器應(yīng)用、約束條件等方面內(nèi)容的認(rèn)識(shí)。實(shí)踐證明，課堂報(bào)告研討環(huán)節(jié)氣氛熱烈，學(xué)生積極交流，加深了對(duì)濾波器設(shè)計(jì)的理解，還針對(duì)一些課題提出了很好的設(shè)想和見解。

三、總結(jié)

跨知識(shí)點(diǎn)和翻轉(zhuǎn)課堂顛覆了傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)模式。學(xué)生的學(xué)習(xí)過程包括兩個(gè)階段：知識(shí)傳遞和知識(shí)內(nèi)化。傳統(tǒng)的知識(shí)傳遞過程是通過以教師為中心，在課堂教學(xué)中完成的。知識(shí)內(nèi)化過程通常在課后通過學(xué)生的復(fù)習(xí)、練習(xí)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)以及教師的指導(dǎo)和回答問題來完成。翻轉(zhuǎn)課堂借助信息技術(shù)翻轉(zhuǎn)了學(xué)習(xí)過程的兩個(gè)階段，通過學(xué)生課前的個(gè)性化自學(xué)（如使用在線課程資源、微課程、線下視頻、紙質(zhì)教學(xué)資源等），將知識(shí)從課堂轉(zhuǎn)移到課外。知識(shí)內(nèi)化則從課后轉(zhuǎn)移到課堂，在教師的指導(dǎo)下，通過合作探究、鞏固實(shí)踐、反思總結(jié)、自主糾錯(cuò)等方式實(shí)現(xiàn)。顯然，這種教學(xué)模式能更有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，有利于提高教學(xué)效率和教學(xué)效果。

現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測(cè)試課程中跨知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)和翻轉(zhuǎn)課堂模式的應(yīng)用，改變了教師的角色，顛覆了傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式甚至課堂布局。教師正在從課堂教學(xué)活動(dòng)的知識(shí)傳授者和組織者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生學(xué)習(xí)的伙伴和引導(dǎo)者，通過師生互動(dòng)和學(xué)生合作來實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。因此，教師要密切跟蹤網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和學(xué)習(xí)模式的發(fā)展趨勢(shì)，提高現(xiàn)代教育技術(shù)的運(yùn)用能力，引導(dǎo)學(xué)生規(guī)劃學(xué)習(xí)生涯，探索探究式學(xué)習(xí)、討論式教學(xué)、合作式學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)課堂教學(xué)模式和學(xué)習(xí)模式的改革;對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行本土化設(shè)計(jì)和校本研究，對(duì)學(xué)生的已學(xué)知識(shí)進(jìn)行有效調(diào)控，優(yōu)化知識(shí)組織方法，科學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，活躍課堂氣氛，大膽嘗試，以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、多樣化和個(gè)性化的培養(yǎng)能力;調(diào)整以教師教學(xué)為中心的課堂布局，有利于教師對(duì)學(xué)習(xí)活動(dòng)的協(xié)調(diào)和指導(dǎo)，構(gòu)建師生研討與學(xué)生小組合作學(xué)習(xí)的課堂布局，形成小組教學(xué)與個(gè)別教學(xué)相結(jié)合、小組學(xué)習(xí)與個(gè)體學(xué)習(xí)相結(jié)合的局面，為教學(xué)與學(xué)習(xí)方式的改進(jìn)創(chuàng)造了條件。

參考文獻(xiàn)

[1]陳怡，趙呈領(lǐng). An Instructional Design and Application Research Based on the Flipped Classroom Model基于翻轉(zhuǎn)課堂模式的教學(xué)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2014，24（2）：49-54.

[2]潘炳超.翻轉(zhuǎn)課堂模式應(yīng)用于高校教學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電化教育研究，2015，36（3）：83-88.

Exploration of Graduate Courses on Cross-knowledge Point Teaching and Flipped Classroom Collaboration：Teaching Practice of Modern Dynamic Testing Course

CHEN Jian-yun， QU Zhi， HU Mei， FENG Xu-zhe

（School of Intelligence Science and Technology， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract： Modern dynamic test technology is the application of modern scientific and technical means to study the acquisition， conversion， transmission and analysis and processing of dynamic signals. In the teaching of Modern Dynamic Testing， it is hoped that students can master the core knowledge elements including the testing signal and system， the filter design and application， the test system detecting theory， and the test system estimation theory， etc. In view of the plenty of theoretical knowledge points and the teaching hour compression of Modern Dynamic Testing course， and in order to effectively enable students to grasp those theoretical knowledge points and improve their ability of integrating theory with practice， this paper explores the teaching model of explanation based on large longitudinal cross-knowledge point system linkage and flipped classroom with the integration of theory with practice， which can greatly and efficiently improve students systematic mastery of knowledge points， lines and faces. Besides， through flipped classroom teaching model of integrating theory with practice， we can enhance students interest in learning and their classroom participation in the course.

Key words： cross-knowledge point teaching; flipped classroom; knowledge system linkage