基于O-PIRTAS教學(xué)法的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)模式探索

門韶洋，崔曼曼，弓 偉，羅曉牧，王慶香

（廣州中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程教研室，廣東 廣州 510006）

0 引言

生物醫(yī)學(xué)工程（Biomedical Engineering,BME）是一門新興的邊緣交叉學(xué)科，它綜合了工程學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)和醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的理論和方法，利用工程技術(shù)手段研究并控制人體系統(tǒng)的生理變化[1]。我校廣州中醫(yī)藥大學(xué)自2014年開始籌備BME專業(yè)，至今已初具規(guī)模，于2017年發(fā)展細(xì)化為醫(yī)學(xué)電子儀器和醫(yī)學(xué)物理兩個(gè)方向，以滿足就業(yè)市場(chǎng)對(duì)專業(yè)化生工人才的需求。我校的BME專業(yè)，畢業(yè)生大部分將進(jìn)入醫(yī)療儀器相關(guān)領(lǐng)域工作或者在BME相關(guān)方向進(jìn)行進(jìn)一步的研究和深造。然而，無論是對(duì)儀器的研發(fā)和維護(hù)，還是研究層面的再深造，都離不開《信號(hào)與系統(tǒng)》的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。同時(shí)，《信號(hào)與系統(tǒng)》課程不僅是BME本科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，而且也是BME學(xué)科碩士研究生入學(xué)考試的必考科目之一。該課程的學(xué)習(xí)需要有《高等數(shù)學(xué)》《線性代數(shù)》《大學(xué)物理》和《電路分析》等前置課程的理論基礎(chǔ)，前置課程所介紹的大部分概念和分析方法主要應(yīng)用于信號(hào)的提取、恢復(fù)、增強(qiáng)和檢測(cè)等數(shù)字信號(hào)處理及醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)的過程中對(duì)一些相似的概念和公式容易混淆，因此，學(xué)生往往會(huì)將學(xué)習(xí)重點(diǎn)放在對(duì)概念和公式的記憶上，而輕視了對(duì)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用；再加上傳統(tǒng)的教學(xué)方法和模式比較單一，這都直接導(dǎo)致了該課程處于“教”“學(xué)”兩難的境地[2-3]。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信和數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，以慕課（Massive Open Online Course,MOOC）、SPOC（Small Private Online Course）和翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom）等為代表的基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型教學(xué)模式應(yīng)運(yùn)而生，并且表現(xiàn)出了非常強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭[4-5]。這些教學(xué)模式通過技術(shù)手段有效地整合線上和線下的教學(xué)資源，對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)時(shí)間和學(xué)習(xí)空間進(jìn)行了有效擴(kuò)張，一方面使得課程資源更容易實(shí)現(xiàn)共享，另一方面多種學(xué)習(xí)方式有機(jī)結(jié)合更容易激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，從而進(jìn)一步促進(jìn)教學(xué)方式的改革。其中，翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法改革尤其突出。其特點(diǎn)表現(xiàn)為以學(xué)生為中心、個(gè)性化教學(xué)、主動(dòng)學(xué)習(xí)、混合式教學(xué)和全面發(fā)展等。相比傳統(tǒng)教學(xué)方法，翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)環(huán)節(jié)更容易被接受和認(rèn)可。然而，翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式在實(shí)際教學(xué)中缺乏可操作性，限制了其實(shí)際應(yīng)用和進(jìn)一步的推廣發(fā)展。為了解決此問題，我們引入了 O-PIRTAS（Objective、Preparation、Instructional video、Review、Test、Activity、Summary）教學(xué)方法，其主要包括教學(xué)目標(biāo)、課前準(zhǔn)備、教學(xué)視頻、視頻回顧、知識(shí)測(cè)試、活動(dòng)探究和總結(jié)提升[6]。通過在BME專業(yè)《信號(hào)與系統(tǒng)》課程中的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)此方法能夠有效地提升學(xué)生的課程學(xué)習(xí)效果以及學(xué)生對(duì)課堂的專注度和認(rèn)同感。

1 O-PIRTAS教學(xué)方法

O-PIRTAS教學(xué)方法是基于大量教育心理學(xué)研究成果以及大量翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)實(shí)踐總結(jié)而成的。從教學(xué)的角度看，O-PIRTAS教學(xué)方法具有理論合理性和實(shí)踐可操作性，它提供了一種切實(shí)、可行、有效的翻轉(zhuǎn)課堂模式，解決了翻轉(zhuǎn)課堂一般模式難以操作的問題[7]。O-PIRTAS教學(xué)方法具體實(shí)施的七個(gè)步驟描述如下：

1.1 Objective──確定教學(xué)目標(biāo)

對(duì)于一堂課，教師在選擇了一個(gè)主題和內(nèi)容后，首先要確定的就是教學(xué)目標(biāo)。以布魯姆教育目標(biāo)分類為例，其將教學(xué)目標(biāo)分為三大領(lǐng)域：認(rèn)知領(lǐng)域、情感領(lǐng)域和動(dòng)作技能領(lǐng)域。其中在認(rèn)知領(lǐng)域內(nèi)，知識(shí)的記憶和理解被稱為初級(jí)認(rèn)知目標(biāo)，應(yīng)用、分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造被稱為高級(jí)認(rèn)知目標(biāo)。因此，在確定教學(xué)目標(biāo)的過程中，除了需要明確地確定知識(shí)性目標(biāo)外，還需要思考有沒有哪些相應(yīng)的能力是更重要的，需要在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)?？傊鞔_教學(xué)目標(biāo)是成功實(shí)施O-PIRTAS教學(xué)方法的首要環(huán)節(jié)和先決條件。對(duì)教學(xué)目標(biāo)包括知識(shí)性目標(biāo)和能力性目標(biāo)進(jìn)行深入的分析，是保障課堂效率高效的必要條件。

1.2 Preparation──課前準(zhǔn)備活動(dòng)

教師設(shè)計(jì)課前準(zhǔn)備與導(dǎo)入活動(dòng)，是為了提高下一環(huán)節(jié)視頻學(xué)習(xí)的有效性，其表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和目的；另一方面為了下一步視頻學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。實(shí)施課前準(zhǔn)備活動(dòng)主要通過相關(guān)的探究活動(dòng)讓學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)和探究，并準(zhǔn)備好必要的先前知識(shí)（適當(dāng)回顧前置課程中部分關(guān)聯(lián)知識(shí)），最終激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善視頻教學(xué)的效果。

1.3 Instructional video──課前教學(xué)視頻

課前教學(xué)視頻主要是讓學(xué)生在課前課外完成對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的自學(xué)，教學(xué)視頻可以是自己錄制的，也可以是他人錄制的。視頻內(nèi)容主要包括傳統(tǒng)課堂中需要教授的內(nèi)容，其主要對(duì)應(yīng)于教學(xué)目標(biāo)中的初級(jí)認(rèn)知目標(biāo)。這一步驟主要采取線上學(xué)習(xí)的形式，通過學(xué)生自學(xué)完成。

1.4 Review──課堂視頻回顧

課堂視頻回顧是線下課堂教學(xué)的第一步驟，起著承上啟下的作用，連接線上線下的學(xué)習(xí)，為后面環(huán)節(jié)的順利開展提供了有力支撐。課堂視頻回顧不是對(duì)教學(xué)視頻內(nèi)容的重新講解和分析，而是統(tǒng)籌地幫助學(xué)生們回顧內(nèi)容，理清思路，把握知識(shí)結(jié)構(gòu)，并幫助學(xué)生們迅速喚醒知識(shí)記憶，使自己的注意力集中到課堂上，為之后的問題解決和討論準(zhǔn)備好基礎(chǔ)。

1.5 Test──課堂知識(shí)測(cè)試

課堂知識(shí)測(cè)試就是教師通過提前設(shè)計(jì)好的問題來考查學(xué)生對(duì)教學(xué)視頻的學(xué)習(xí)效果，其主要目的包括兩個(gè)方面：一方面檢查學(xué)生是否觀看了視頻；另一方面檢查學(xué)生是否看懂了視頻。在此步驟中，通過掌握學(xué)生的回答情況，教師才能決定是否進(jìn)行指導(dǎo)、指導(dǎo)什么、指導(dǎo)多少和怎樣指導(dǎo)。這個(gè)過程中可以利用一些IT工具，比如雨課堂、課堂派等，來實(shí)現(xiàn)課堂測(cè)試的即時(shí)互動(dòng)和反饋，進(jìn)而提高教學(xué)效果。

1.6 Activity──課堂活動(dòng)探究

課堂活動(dòng)探究需要實(shí)現(xiàn)的是目標(biāo)設(shè)定中能力性的高階教學(xué)目標(biāo)。這個(gè)過程中教師可以面對(duì)面地跟學(xué)生交流，主要通過基于問題/項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（Problem/Project based learning）、同伴教學(xué)（Peer instruction）和案例教學(xué)等模式結(jié)合，以達(dá)到使學(xué)生深層參與課堂學(xué)習(xí)中的目的。因此，如何設(shè)計(jì)并組織課堂活動(dòng)是 O-PITRAS教學(xué)方法的靈魂和核心，也是翻轉(zhuǎn)課堂能否成功的關(guān)鍵步驟。

1.7 Summary──課堂總結(jié)提升

課堂知識(shí)測(cè)試和課堂活動(dòng)探究后，教師需要對(duì)整個(gè)過程以及教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，達(dá)到提升學(xué)生的學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)的目的。同時(shí)，在這個(gè)總結(jié)的步驟，也可以開始下一個(gè)O-PIRTAS教學(xué)循環(huán)。至此，一個(gè)完整的基于O-PIRTAS教學(xué)方法的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)閉環(huán)最終形成。

綜上所述，O-PIRTAS教學(xué)方法從教學(xué)目標(biāo)（O）的確定，到課前準(zhǔn)備活動(dòng)（P）、課前教學(xué)視頻（I）、課堂視頻回顧（R）、課堂知識(shí)測(cè)試（T）、課堂活動(dòng)探究（A）、課堂總結(jié)提升（S），包括課前、課中和課后，線上和線下，課內(nèi)和課外，知識(shí)能力不同維度。該方法能夠?yàn)榻處熢诜D(zhuǎn)課堂的實(shí)施中提供實(shí)際可行的指導(dǎo)，可操作性強(qiáng)，合理性高，教學(xué)效果明顯高于傳統(tǒng)的教學(xué)方法。

2 O-PIRTAS教學(xué)方法在《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用

基于 O-PIRTAS教學(xué)方法和現(xiàn)有的翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)案例[8-10]，結(jié)合廣州中醫(yī)藥大學(xué)BME專業(yè)的特色，構(gòu)建O-PIRTAS教學(xué)方法下《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的四個(gè)階段：課程目標(biāo)、課前活動(dòng)、課堂活動(dòng)和總結(jié)提升，如圖1（P134）所示。其各個(gè)階段的主要內(nèi)容以及與 O-PIRTAS教學(xué)方法七步驟的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

圖1 四階段的O-PIRTAS教學(xué)方法實(shí)施

表1 O-PIRTAS教學(xué)方法實(shí)施的主要階段和內(nèi)容

2.1 課程目標(biāo)

基于我校BME專業(yè)本科生培養(yǎng)方案，結(jié)合《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，依據(jù)學(xué)生思維發(fā)展水平和基礎(chǔ)知識(shí)水平，制定合理的教學(xué)目標(biāo)。知識(shí)性目標(biāo)中要求學(xué)生記憶和理解基本的概念、定理和一些基本的公式，例如傅里葉變換和拉普拉斯變換的概念和性質(zhì)等。能力性目標(biāo)中要求學(xué)生能夠應(yīng)用所學(xué)知識(shí)到實(shí)際工程問題中，并對(duì)其進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，最終形成創(chuàng)新的能力。

2.2 課前活動(dòng)

教師首先要根據(jù)課程目標(biāo)和內(nèi)容，布置學(xué)生一些探究性的活動(dòng)（例如在講授信號(hào)、信息和消息三者區(qū)別時(shí)，區(qū)分信號(hào)具有多種形式、如聲音、圖像、電和光等[11-12]），激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣；同時(shí)自己錄制課前視頻或者準(zhǔn)備別人錄好的視頻，引導(dǎo)學(xué)生去進(jìn)行課前視頻的觀看和學(xué)習(xí)。學(xué)生自主在線上進(jìn)行教學(xué)視頻的學(xué)習(xí)，結(jié)合教師布置的任務(wù)，主要完成課程目標(biāo)中的知識(shí)性目標(biāo)。在這個(gè)階段，為了促進(jìn)學(xué)生課前線上學(xué)習(xí)的積極性，我們加入了Partner Learning（每班36人，兩個(gè)人一組），每位同學(xué)需要跟自己的Partner分享學(xué)習(xí)成果和討論遇到的問題。

2.3 課堂活動(dòng)

在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生先對(duì)課前活動(dòng)的內(nèi)容進(jìn)行回顧，理清知識(shí)結(jié)構(gòu)和思路。以此將學(xué)生的注意力轉(zhuǎn)移到本節(jié)課的內(nèi)容上。通過口頭測(cè)試、書面測(cè)試或者雨課堂、課堂派等IT技術(shù)的相關(guān)功能，了解學(xué)生課前視頻觀看的效果，實(shí)現(xiàn)跟學(xué)生的互動(dòng)和獲得反饋。再針對(duì)課程重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行強(qiáng)調(diào)，更重要的是針對(duì)存在的問題跟學(xué)生討論和交流。在此步驟中，教師和學(xué)生進(jìn)行了面對(duì)面的線下討論和互動(dòng)，主要完成了課程目標(biāo)中的能力性目標(biāo)?？偨Y(jié)起來，就是進(jìn)行參與式學(xué)習(xí)能夠提高學(xué)生參與度、增強(qiáng)師生互動(dòng)和生生討論、開展團(tuán)隊(duì)活動(dòng)進(jìn)行合作以及適應(yīng)多樣化的教學(xué)目標(biāo)。

2.4 總結(jié)提升

在課堂活動(dòng)結(jié)束后，教師深入分析整個(gè)教學(xué)活動(dòng)過程和教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生課堂反饋的內(nèi)容，對(duì)整個(gè)教學(xué)方案和教學(xué)方法進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)開始下一個(gè)新的教學(xué)循環(huán)。在這個(gè)過程中其實(shí)還包括一個(gè)后測(cè)的過程，主要是為了了解學(xué)生學(xué)習(xí)成效和是否達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。為了評(píng)估學(xué)習(xí)效果，可以通過下面六種不同層次的效果進(jìn)行區(qū)分：（1）能夠說出學(xué)過的概念、術(shù)語和事實(shí)等；（2）通過組織、比較、翻譯、解釋、描述和陳述主要觀點(diǎn)，表現(xiàn)出對(duì)事實(shí)和觀點(diǎn)的理解；（3）將學(xué)過的知識(shí)和技能運(yùn)用到新的環(huán)境；（4）信息處理、推理和為結(jié)論提供證據(jù)等；（5）按新的方式整合不同信息和解決方案；（6）按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信息、觀點(diǎn)和工作質(zhì)量作出判斷等。

3 結(jié)語

本文結(jié)合廣州中醫(yī)藥大學(xué)的辦學(xué)理念、BME專業(yè)的專業(yè)特色和《信號(hào)與系統(tǒng)》的課程特點(diǎn)，將O-PIRTAS教學(xué)方法應(yīng)用到《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)中。結(jié)合O-PIRTAS教學(xué)方法的七步驟，設(shè)計(jì)了四個(gè)階段的教學(xué)模式，從課程目標(biāo)的確定、課前活動(dòng)、課堂活動(dòng)，到總結(jié)提升。教學(xué)實(shí)施的過程和結(jié)果表明，基于O-PIRTAS的教學(xué)方法能夠在《信號(hào)與課程》中實(shí)施簡(jiǎn)單、易操作，并且明顯地提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了能力性目標(biāo)，極大地提升了學(xué)生的應(yīng)用能力、分析能力和創(chuàng)造能力，為學(xué)生進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和發(fā)展起到了積極的作用。