MATLAB課程線上線下混合式教學(xué)改革與實(shí)踐

吳宏林，王威

（長沙理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，湖南 長沙）

MATLAB是MATHWORKS公司推出的以科學(xué)計(jì)算和系統(tǒng)仿真為主的優(yōu)秀數(shù)學(xué)軟件，目前已被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析、無線通信、計(jì)算機(jī)視覺、量化金融與風(fēng)險管理、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，MATLAB語言因簡單靈活、延展性好、內(nèi)置功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為科學(xué)計(jì)算、工程系統(tǒng)仿真、視圖交互系統(tǒng)的首選語言工具，已成為相關(guān)專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本技能。MATLAB課程作為高校理工科相關(guān)專業(yè)普遍開設(shè)的重要基礎(chǔ)課程，主要講授MATLAB語言基礎(chǔ)、程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)圖示、數(shù)值計(jì)算、符號計(jì)算及Simulink仿真等工具，并通過實(shí)踐以培養(yǎng)學(xué)生求解復(fù)雜問題的計(jì)算思維能力、算法設(shè)計(jì)能力、程序編程能力和建模仿真能力，是構(gòu)建高校學(xué)生工程及科研基礎(chǔ)素養(yǎng)的重要組成部分[3-4]。

目前，我校通信、交通運(yùn)輸、水利、船海、土木等多個專業(yè)已開設(shè)MATLAB語言及相關(guān)應(yīng)用課程，具有覆蓋面廣、實(shí)踐性強(qiáng)且差異大等特點(diǎn)。然而，該課程在教學(xué)過程中還存在諸多問題，距離教學(xué)目標(biāo)仍有一定差距。主要體現(xiàn)在：①開設(shè)學(xué)科專業(yè)差異較大，不同專業(yè)間及同專業(yè)內(nèi)學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，而課程學(xué)時短，依靠傳統(tǒng)課堂難以完成教學(xué)任務(wù)；②知識點(diǎn)多且瑣碎、語法函數(shù)較多，課程教學(xué)較難組織，傳統(tǒng)的“PPT+講解”教學(xué)方式常常讓學(xué)生陷入語言語法規(guī)則的泥沼，不僅容易喪失學(xué)習(xí)興趣，且往往容易忽視課程的實(shí)踐性；③對學(xué)生的考核方式單一，且通常流于形式，學(xué)生存在背書、背代碼、高分低能的現(xiàn)象。如何改變MATLAB課程的教學(xué)現(xiàn)狀，打造具有“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”的高水平課程，是近年來我們一直關(guān)注的問題。而線上線下混合式教學(xué)模式將傳統(tǒng)的課堂教學(xué)與在線學(xué)習(xí)的優(yōu)勢結(jié)合起來，能夠充分利用課余時間，有效培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探索式學(xué)習(xí)能力，提高教學(xué)效果[5-6]。針對上述問題，結(jié)合我校在“金課”打造以及本科一流課程建設(shè)中的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，我們對MATLAB課程的教學(xué)進(jìn)行了“線上+線下”混合式教學(xué)模式的改革，結(jié)合線上線下對課前、課中及課后的教學(xué)進(jìn)行聯(lián)動，以圖最大化課堂效能及教學(xué)效果，打造適合地方高校的特色基礎(chǔ)課程。

一 線上線下混合式教學(xué)模式的構(gòu)建

課程組教師針對上述問題，充分發(fā)揮自身的專業(yè)背景優(yōu)勢，利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段積極推進(jìn)線上課程平臺的建設(shè)，打造具有豐富學(xué)習(xí)資源及實(shí)訓(xùn)資源的線上教學(xué)平臺，并積極探索適應(yīng)課程特點(diǎn)的線上線下混合式教學(xué)模式。線上線下混合式教學(xué)模式總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 線上線下混合式教學(xué)模式

線上線下混合式教學(xué)由課前、課中、課后三個環(huán)節(jié)組成。課前教師利用在線平臺推送學(xué)習(xí)資源，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，完成知識的傳遞吸收過程，把不懂不會的地方統(tǒng)計(jì)下來，教師可以通過平臺大數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)情分析，以學(xué)定教；課中包括理論與上機(jī)實(shí)驗(yàn)，理論課中針對理論性較強(qiáng)的內(nèi)容及課程重難點(diǎn)采取課堂授課的方式，同時教師可以創(chuàng)建合作探究情境及任務(wù)，針對性地開展釋疑解難，學(xué)生在協(xié)作、探究學(xué)習(xí)情境中完成知識的內(nèi)化，打破傳統(tǒng)課堂的填鴨式教學(xué)；上機(jī)實(shí)驗(yàn)則借助智能實(shí)訓(xùn)平臺打造線上分層實(shí)踐任務(wù)及實(shí)驗(yàn)，以分層遞進(jìn)的任務(wù)模塊逐步引導(dǎo)學(xué)生完成復(fù)雜問題的建模與實(shí)現(xiàn)，并通過智能實(shí)訓(xùn)平臺對程序設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行在線實(shí)時評測，以培養(yǎng)學(xué)生求解復(fù)雜問題的思維能力及編程建模能力。課后為應(yīng)用和強(qiáng)化提高，教師根據(jù)學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)及學(xué)生知識基礎(chǔ)，從生產(chǎn)實(shí)踐及科學(xué)研究中選取子任務(wù)設(shè)置為課程綜合實(shí)訓(xùn)任務(wù)，通過更具創(chuàng)新性和設(shè)計(jì)性的綜合實(shí)訓(xùn)以促進(jìn)知識向能力的轉(zhuǎn)化。結(jié)合線上線下對課前、課中及課后的教學(xué)進(jìn)行聯(lián)動，以全面推進(jìn)MATLAB課程的“線上+線下”混合式教學(xué)改革。

二 線上線下混合式教學(xué)的組織實(shí)施方式

（一） 線上學(xué)習(xí)資源的建設(shè)

線上資源的建設(shè)是混合式課程實(shí)施的前提與基礎(chǔ)，線上資源的形式、內(nèi)容組織及質(zhì)量高低，都直接決定線上教學(xué)的開展成效。而課程資源的建設(shè)與完善是一個長期的過程，在課程建設(shè)初期，我們基于超星爾雅平臺，在平時課程教學(xué)積累的教學(xué)資料及素材的基礎(chǔ)上，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)秀教學(xué)課程、精品課件及資源，按照MATLAB課程知識點(diǎn)進(jìn)行分級整合與優(yōu)化，構(gòu)建了以微課形式為主的MATLAB課程線上學(xué)習(xí)資源；隨著課程改革的深入，我們進(jìn)一步針對知識要點(diǎn)和難點(diǎn)問題，制作了導(dǎo)學(xué)課件、作業(yè)及章節(jié)測試等，并積極完善教學(xué)視頻、探究性案例等資源，以充分發(fā)揮線上平臺的功用及效能。

（二） 學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)

在課前提前安排學(xué)生做好線上的自主學(xué)習(xí)，學(xué)生可通過手機(jī)客戶端或PC客戶端在課前對課程進(jìn)行預(yù)習(xí)。通過知識點(diǎn)分解及微課導(dǎo)學(xué)的方式，可盡量控制各知識點(diǎn)教學(xué)視頻在十分鐘內(nèi)，使學(xué)生可自由利用碎片化的時間，完成課程資料學(xué)習(xí)、微課等教學(xué)活動。這樣不僅可以節(jié)省線下教學(xué)中基礎(chǔ)性內(nèi)容的講解時間，極大提高授課效率，且能在不加重學(xué)生額外課程負(fù)擔(dān)的情況下，鼓勵學(xué)生利用閑暇空隙進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，尤其是對該課程為選修課的學(xué)生。另外，通過微課視頻中節(jié)點(diǎn)練習(xí)測試及學(xué)生問題反饋跟蹤學(xué)生課前學(xué)習(xí)情況，線上平臺將練習(xí)測試的統(tǒng)計(jì)情況反饋給教師，這樣教師就可以掌握線下課程教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)，且結(jié)合學(xué)生的反饋意見可針對性地對相關(guān)知識點(diǎn)展開細(xì)致講解，可破除學(xué)習(xí)中的重難點(diǎn)，提升課堂教學(xué)效果。

（三） 根據(jù)學(xué)情聯(lián)動線下理論教學(xué)

MATLAB的語法語句頗多且應(yīng)用靈活，在實(shí)施線下理論課程教學(xué)時，可根據(jù)課前學(xué)習(xí)情況來針對性地授課。對課程基礎(chǔ)語法的教學(xué)，可根據(jù)學(xué)生線上學(xué)習(xí)的情況及反饋的問題，在課堂擇要講解。針對邏輯性較強(qiáng)且較難掌握的重難點(diǎn)則采取細(xì)致講解，并結(jié)合經(jīng)典問題及運(yùn)用案例進(jìn)行闡述分析，通過思維啟發(fā)、方案構(gòu)思及評價等深化學(xué)生對知識的理解與掌握。同時，為強(qiáng)化學(xué)生的知識運(yùn)用能力，設(shè)計(jì)出一些跟實(shí)際聯(lián)系緊密的探究式情境及任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問題分析、構(gòu)思解題方案及編程實(shí)現(xiàn)，并通過小組點(diǎn)評及互動討論，針對性地釋疑解難，引導(dǎo)學(xué)生知識能力的遷移及轉(zhuǎn)化。

（四） 依托平臺進(jìn)行智能實(shí)踐

實(shí)踐性是MATLAB課程顯著性特點(diǎn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果及能力的體現(xiàn)最終體現(xiàn)在對實(shí)際問題的編程實(shí)現(xiàn)及解決上。針對這一特點(diǎn)，在教學(xué)過程中，充分利用課內(nèi)上機(jī)實(shí)驗(yàn)，基于頭歌平臺Eudcoder[7]打造了線上智能實(shí)踐平臺。在該平臺上根據(jù)各章知識點(diǎn)要求，設(shè)計(jì)了課程的多個實(shí)踐案例，每個案例由多個任務(wù)組成，任務(wù)由淺入深、嵌套遞進(jìn)，并通過模塊化來逐步引導(dǎo)學(xué)生由易到難完成；案例任務(wù)的打造由知識點(diǎn)講解示例說明、實(shí)踐任務(wù)要求與設(shè)計(jì)、實(shí)踐任務(wù)自動測試與智能評判等組成，使不同層次、不同專業(yè)的學(xué)生能在這種遞進(jìn)任務(wù)中，通過平臺的智能實(shí)時評測促進(jìn)學(xué)生知識能力的高效轉(zhuǎn)化。

為檢驗(yàn)學(xué)生對課程知識的掌握效果及綜合運(yùn)用能力，依托智能平臺發(fā)布了一些緊跟工程與科研實(shí)踐的大作業(yè)。這些大作業(yè)大多源于課程組教師工程及科研實(shí)踐，教師基于學(xué)生學(xué)科專業(yè)及知識儲備對工程及項(xiàng)目中的子問題進(jìn)行簡化、抽象，以形成適合不同專業(yè)、不同層次學(xué)生的多個子問題、子任務(wù)，如：專業(yè)認(rèn)證學(xué)情分析系統(tǒng)中的形成性評價涉及到的成績分析的各類任務(wù)、多目標(biāo)融合跟蹤中的目標(biāo)關(guān)聯(lián)及處理等問題。在課程中期通過網(wǎng)上平臺將大作業(yè)發(fā)布給學(xué)生，學(xué)生可自由選擇其中幾個子任務(wù)在課后進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并借助平臺建立師生、生生交流討論的通道，積極引導(dǎo)學(xué)生分析問題、設(shè)計(jì)方案并編程實(shí)現(xiàn)。這種課后綜合實(shí)訓(xùn)，不僅能強(qiáng)化學(xué)生對相關(guān)知識的理解掌握，且能促使學(xué)生積極思考并靈活運(yùn)用課程所學(xué)的知識，從而實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識能力的遷移。

（五） 實(shí)施課程綜合評價

從學(xué)生課前、課中及課后的多個階段的各項(xiàng)活動表現(xiàn)實(shí)施課程評價，打造多元化綜合評價體制。課前學(xué)習(xí)根據(jù)課程視頻觀看情況、訪問次數(shù)、練習(xí)等情況計(jì)入平時成績；課中上機(jī)實(shí)驗(yàn)依托智能平臺打造公開透明的實(shí)時在線評價方式，利用線上平臺的自動評測及統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行智能管控，讓學(xué)生進(jìn)行限時實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，記錄學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)及實(shí)訓(xùn)成績，作為平時成績的一部分，且學(xué)生可在線實(shí)時查看自己的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)及成績排名等情況，極大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；對課后的綜合大作業(yè)通過驗(yàn)收問答及設(shè)計(jì)報告來得出個人課題任務(wù)表現(xiàn)得分。同時注重線下考核，在期中期末考核中注重運(yùn)用能力的考核，合理化基本知識點(diǎn)及綜合運(yùn)用題的考核比例。這種多元化綜合評價機(jī)制，不僅有利于充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，而且也使考核更加公平公正，準(zhǔn)確反映學(xué)生真實(shí)水平。

（六） 課程建設(shè)成效

經(jīng)過近兩年的建設(shè)，基本實(shí)現(xiàn)了線上線下互動提升的教學(xué)模式，如圖2所示。即課前教師利用在線平臺推送學(xué)習(xí)資源，學(xué)生自主學(xué)習(xí)；課中教師根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況，以情境探究及協(xié)作任務(wù)，針對理論性較強(qiáng)的內(nèi)容及課程重難點(diǎn)進(jìn)行釋疑講授，并通過線上平臺的智能實(shí)訓(xùn)，提升學(xué)生的實(shí)踐能力；課后以綜合實(shí)訓(xùn)任務(wù)，積極引導(dǎo)學(xué)生去分析問題、設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)解決方案，實(shí)現(xiàn)對知識的應(yīng)用提高，促進(jìn)知識能力的內(nèi)化。經(jīng)過兩年建設(shè)，課程改革已初見成效，如圖3所示，與前一學(xué)年對比2021學(xué)年成績優(yōu)良率明顯提升，課程改革也得到了學(xué)生的一致肯定與好評。

圖2 線上線下互動的能力提升模式

圖3 課程成績分布及對比

三 結(jié)語

針對MATLAB課程在我校學(xué)科專業(yè)教學(xué)中的復(fù)雜性，探討了課程的線上線下混合教學(xué)模式。借助信息化手段，打造了線上課程平臺，聯(lián)動課前、課中、課后三個教學(xué)環(huán)節(jié)，基本實(shí)現(xiàn)了課前自主學(xué)習(xí)、課中聯(lián)動教學(xué)及智能實(shí)踐、課后綜合提高，讓教師教有所進(jìn)，學(xué)生學(xué)有所得。課程的改革是一個持續(xù)過程，我們將積極總結(jié)教學(xué)過程的經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)踐→反饋→改進(jìn)→實(shí)踐的循環(huán)中不斷完善課程的混合式教學(xué)。