MatLab線上線下一體化教學(xué)改革與實踐的研究

吳 俊 管迎香 包建榮 何美霖 王 浩 李 沛　

MatLab線上線下一體化教學(xué)改革與實踐的研究

吳 俊1管迎香2包建榮1何美霖1王 浩1李 沛1

（1.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.紹興文理學(xué)院教師教育學(xué)院，浙江 紹興 312000）

針對電氣信息類課程定位水平高、難度大、研究性強(qiáng)的特點，結(jié)合學(xué)生主動學(xué)習(xí)積極性不高的實際教學(xué)情況，文章提出MatLab仿真軟件線上線下一體化的教學(xué)改革和實踐，提高學(xué)生的主動學(xué)習(xí)興趣并鞏固其所學(xué)的專業(yè)課程知識，提升電子信息類本科生利用 MatLab進(jìn)行學(xué)習(xí)、科研和創(chuàng)新的能力，充分鍛煉學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識獨立解決實際問題的能力。

MatLab仿真；線上線下一體化；教學(xué)改革和實踐

引言

隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，信息與通信工程、信號與信息處理等課程均涉及信號處理、數(shù)學(xué)計算、2D/3D繪圖、模擬仿真、數(shù)值分析等方面的應(yīng)用。因此，各大高校電子信息類專業(yè)師生非常關(guān)注應(yīng)用MatLab仿真解決專業(yè)的問題。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使在線課程成為了可能，比如MOOC（Massive Open Online Courses）為高校師生學(xué)習(xí)MatLab提供了便利。然而，實踐證明學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性仍不高，未能充分利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源。

MatLab將不同領(lǐng)域的數(shù)值計算以函數(shù)的形式提供給用戶，用戶只需在平臺上熟練掌握這些函數(shù)的用法，調(diào)用這些函數(shù)并賦予實參，就能解決電子信息專業(yè)的諸多實際問題。MatLab仿真軟件平臺具有函數(shù)集成度高、語言簡潔、編程效率高、交互性好、可視化能力強(qiáng)等特點，可進(jìn)行復(fù)雜數(shù)值計算、編程建模，以及可視化、系統(tǒng)動態(tài)仿真和性能分析等，被廣泛應(yīng)用于電子信息專業(yè)各類實踐課程學(xué)習(xí)中。因此，MatLab仿真成為各大高校電子信息類專業(yè)廣泛開設(shè)的一門課程。對于電子信息類專業(yè)本科生，學(xué)習(xí)并掌握MatLab有助于提高專業(yè)理論聯(lián)系實際能力，也能夠為數(shù)字信號處理、通信原理、信號與系統(tǒng)、移動通信等課程打好基礎(chǔ)[1]。但是目前MatLab教學(xué)課時普遍過少，無法讓學(xué)生真正掌握MatLab精髓。因此，需要在不增加課時的情況下，一方面利用網(wǎng)絡(luò)平臺上的資源學(xué)習(xí)基礎(chǔ)操作知識，另一方面課堂上以工程/科研項目為導(dǎo)向，形成項目設(shè)計、項目實踐、團(tuán)隊協(xié)作的閉環(huán)，探索出一條基于線上網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺和MatLab線下實踐操作的教學(xué)模式。

1　課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

大部分高校將MatLab教學(xué)定位為本科階段的一門公共基礎(chǔ)課，大一或者大二學(xué)生需要掌握部分入門知識和編程基礎(chǔ)，然而實際課程教學(xué)效果并不理想[2]，主要有以下兩點原因。

第一，教學(xué)方法以講授法為主，一般是教師在課堂上講，學(xué)生機(jī)械地聽，通過一問一答的方式傳授知識，課后通過布置作業(yè)讓學(xué)生進(jìn)一步鞏固知識點。實際上，這種學(xué)習(xí)方式對于自主學(xué)習(xí)能力強(qiáng)的學(xué)生而言可能效果不錯，但是對于一般學(xué)生而言，這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式還是無法調(diào)動其積極性、激發(fā)其求知欲，無法提高他們主動學(xué)習(xí)的能力。

第二，鑒于操作性和實踐性，學(xué)生除在課堂上進(jìn)行MatLab程序演示與練習(xí)外，還需要額外的代碼實操才能掌握語言的基本邏輯和編程技巧。但當(dāng)前的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，真正讓學(xué)生在課上操作的時間較少，大量的課時被理論教學(xué)占用，對于編寫程序的具體流程，尤其是調(diào)試過程常常一筆帶過。學(xué)生對于MatLab仿真過程理解不深刻，隨著教學(xué)的進(jìn)一步深入，越學(xué)越?jīng)]信心，期末只能應(yīng)付考試。

近三年，為積極應(yīng)對新型冠狀病毒肺炎疫情帶來的影響，各高校開展了在線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。線上教學(xué)是對家庭、學(xué)校合作溝通能力的全面考驗，也是教育活動偶然的硬性改變。與傳統(tǒng)教學(xué)模式不同，線上教學(xué)活動不僅打破了MatLab學(xué)習(xí)時間和空間上的限制，也讓師生之間的交流更加多元化。在此過程中，教師活動成為出發(fā)點，學(xué)生活動成為全場景。因此，基于線上教學(xué)的優(yōu)勢，結(jié)合高校培養(yǎng)人才的目標(biāo)，針對電子信息類課程的特點，本文引入線上線下混合教學(xué)進(jìn)行MatLab課程的實踐和改革，在一定程度上緩解教學(xué)上的問題。

2　研究內(nèi)容

在線上線下一體化教學(xué)改革和實踐的理念下，MatLab課程力圖打破傳統(tǒng)課堂在時空上集中教學(xué)模式的限制，利用線上教學(xué)平臺提供的教學(xué)資源和論壇版塊進(jìn)行教學(xué)。計算機(jī)軟件仿真類課程一方面有一定的理論概念和語言邏輯，另一方面該類課程內(nèi)容實踐操作性強(qiáng)，尤其是結(jié)合項目教學(xué)時對于教師來說教學(xué)任務(wù)也比較繁重。因此借助線上教學(xué)平臺的便捷性，結(jié)合MatLab仿真課程實際的特點，形成基于線上理論教學(xué)和線下實際操作的MatLab一體化教學(xué)模式。具體研究內(nèi)容包括以理論為主的線上教學(xué)，以實踐為主的線下教學(xué)，綜合實訓(xùn)以及考核方式開放化、多樣化。

2.1 以理論為主的線上教學(xué)：基礎(chǔ)知識線上完成

在教學(xué)改革過程中，數(shù)字信號處理、通信原理、信號與系統(tǒng)等電子信息類專業(yè)核心課主要以MatLab為授課輔助工具，在對該門課程基礎(chǔ)知識的部分，比如語言規(guī)范、矩陣運(yùn)算等，可以借助網(wǎng)絡(luò)上與MatLab相關(guān)的學(xué)習(xí)資源開展教學(xué)。對于一些知識重難點，教師也可以根據(jù)課程教學(xué)需要制作短視頻分享給學(xué)生[3]。

2.2 以實踐為主的線下教學(xué)：以實際項目為導(dǎo)向的合作討論授課模式

授課內(nèi)容以工程實際項目（可以來源于任課教師的研究課題）為導(dǎo)向，教師需要提前對項目分步驟拆解，根據(jù)教學(xué)和學(xué)習(xí)進(jìn)度適度調(diào)整內(nèi)容的廣度和深度，從基礎(chǔ)模塊到綜合模塊進(jìn)行區(qū)分。在授課過程中，首先布置本節(jié)課的項目任務(wù)，并將項目需要的步驟進(jìn)行細(xì)化。MatLab軟件可以實現(xiàn)信號的產(chǎn)生、運(yùn)算、變換、調(diào)制等，一系列有關(guān)該課程的概念和計算均可創(chuàng)建圖形和數(shù)值計算使之可視化。根據(jù)項目需要，學(xué)生分為若干個學(xué)習(xí)小組，每個小組協(xié)作完成一個步驟，討論不出結(jié)果時可向教師求助，教師把多媒體教學(xué)、板書和MatLab動態(tài)演示結(jié)合在一起進(jìn)行引導(dǎo)，不但使課堂教學(xué)變得生動活潑，也能加深學(xué)生對MatLab抽象概念和矩陣運(yùn)算邏輯的理解，幫助學(xué)生掌握MatLab的語言規(guī)范和代碼邏輯[4]。在所有小組都完成任務(wù)后，再進(jìn)行下一個步驟，直到項目全部完成為止。

2.3 綜合實訓(xùn)：理論教學(xué)和上機(jī)實踐不分離

MatLab課程內(nèi)容實踐性強(qiáng)，涉及知識面廣，要想熟練掌握需要進(jìn)行大量的實踐操作，而傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)法無法完成既定的教學(xué)任務(wù)，更不能使學(xué)生熟練掌握MatLab。所以教師應(yīng)事先給學(xué)生制定適當(dāng)難度的“任務(wù)”或“項目”，讓學(xué)生自己完成。這種以“任務(wù)”或“項目”驅(qū)動的方式能讓學(xué)生在完成任務(wù)的過程中掌握MatLab，形成專業(yè)知識鏈條的完整閉環(huán)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、終生學(xué)習(xí)的習(xí)慣，提高其獲取、處理、分析、評價及應(yīng)用信息的能力[5]。教師在某個章節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)結(jié)束后的鞏固階段，為學(xué)生設(shè)計與實際應(yīng)用緊密結(jié)合的項目，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。當(dāng)課堂在線下教室進(jìn)行時，教師一邊講解，學(xué)生一邊操作，并將上課需要記錄的流程、偽代碼等保存，以便下次使用或者課后的進(jìn)一步學(xué)習(xí)，同時也保證了項目完整性和課程的連續(xù)性。

2.4 考核方式開放化、多樣化

課程的考核通過一個綜合性項目的完成情況來作為考察的重要依據(jù)，最終成績評定方式以平時成績、項目驗收和項目報告來決定，詳細(xì)的MatLab評分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

3　存在問題分析及教學(xué)改革方法

3.1 存在問題分析

目前MatLab課程存在教學(xué)內(nèi)容不合理、教學(xué)考核不嚴(yán)謹(jǐn)、學(xué)習(xí)效果不理想的問題，盡管有些學(xué)校已經(jīng)開始了一些在線學(xué)習(xí)的探索，但是學(xué)習(xí)效果仍不理想，教學(xué)實踐過程中仍有不足，如在線教學(xué)資源的推廣難度大、理論與實踐教學(xué)難以協(xié)調(diào)等，具體分析如下。

在線教學(xué)資源的推廣：對于自主學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上的課程資源是知識寶藏。但對于有些學(xué)生來說，這些課程資源不僅不能得到充分的使用，課程難度或者雙語演示等實際情況也無法及時調(diào)整，在沒有教師指導(dǎo)的情況下，他們很難完成目標(biāo)課程的學(xué)習(xí)[6]。由于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺需要學(xué)生完全自主學(xué)習(xí)，大部分高校并沒有將在線課程的學(xué)習(xí)與學(xué)生畢業(yè)條件掛鉤，學(xué)生也就失去了長期學(xué)習(xí)的動力。因此，在整體上缺乏主動學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)能力的普通學(xué)生群體中，無論從客觀還是主觀情況來看，在線完成一門課程的學(xué)習(xí)是不容易的。

表1 MatLab課程評分標(biāo)準(zhǔn)

項目及分值子項目分值優(yōu)秀（A）良好（B）中等（C）及格（D）不及格（E） 平時成績（20分）作業(yè)成績（個人成績）201＞X≥0.90.9＞X≥0.80.8＞X≥0.70.7＞X≥0.6X＜0.6 無漏題；結(jié)果正確；書寫規(guī)范無漏題；1/4以下的題目出現(xiàn)錯誤；書寫較規(guī)范漏做1/4題，或1/4～1/2的題目出現(xiàn)錯誤；書寫較規(guī)范漏做較嚴(yán)重，或1/2以上題目出現(xiàn)錯誤；書寫不夠規(guī)范漏做或題目嚴(yán)重錯誤；書寫不規(guī)范 項目驗收（50分）項目完成度（團(tuán)隊成績）10按項目完成比例給分 方案及程序設(shè)計（團(tuán)隊成績）10方案合理，成果突出；代碼設(shè)計合理，可擴(kuò)展性、可讀性強(qiáng)方案合理，結(jié)果正確；代碼設(shè)計合理，可擴(kuò)展性、可讀性較強(qiáng)方案較合理，結(jié)果正確，可擴(kuò)展性、可讀性較強(qiáng)方案較合理，結(jié)果有錯誤；可擴(kuò)展性、可讀性差方案不合理，成果不足；代碼設(shè)計不合理，可擴(kuò)展性、可讀性差 動手能力及回答問題情況（個人成績）30分析能力、動手能力強(qiáng)；能正確全面地回答問題分析能力、動手能力較強(qiáng)；能較正確地回答問題分析能力、動手能力上課；能回答問題，但分析認(rèn)識不夠動手能力不強(qiáng)；問題回答存在錯誤缺乏動手能力；問題回答不出來 項目報告（30分）（團(tuán)隊成績）30書寫規(guī)范，邏輯結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)；方案設(shè)計合理，富有新意；結(jié)果正確，問題分析深刻書寫規(guī)范，邏輯結(jié)構(gòu)清晰；方案設(shè)計合理；結(jié)果正確，問題分析較深入書寫較規(guī)范，邏輯結(jié)構(gòu)分明；方案設(shè)計較合理；結(jié)果基本正確，問題分析不夠深入書寫不夠規(guī)范，邏輯結(jié)構(gòu)松散；方案設(shè)計不夠合理；結(jié)果不夠正確，問題分析不全面書寫不規(guī)范，邏輯結(jié)構(gòu)混亂；方案設(shè)計不合理；結(jié)果錯誤

授課模式：理論教學(xué)與實踐教學(xué)難以協(xié)調(diào)。當(dāng)前理論教學(xué)與上機(jī)實踐分離的教學(xué)模式依然是主流，這樣導(dǎo)致理論教學(xué)中所涉及的內(nèi)容學(xué)生無法及時進(jìn)行實踐操作加以驗證，也不能實時反饋加深對某個知識點的理解。上機(jī)實踐又常常被安排在理論授課后，上機(jī)進(jìn)行實踐操作時，一般采用一對多的教學(xué)模式。由于課時有限，而且有些代碼問題也并不是立刻就能發(fā)現(xiàn)并解決，需要進(jìn)行修改和調(diào)試，如果學(xué)生在上機(jī)過程中遇到的程序問題逐一求教于教師，這時候某一個學(xué)生的問題會占用很多課堂時間，就會出現(xiàn)既定的教學(xué)內(nèi)容無法完成或者拖堂的情況。更為重要的是上機(jī)實踐課時少，以實際項目為依托的綜合性、創(chuàng)造性較強(qiáng)的內(nèi)容無法實施，學(xué)生就無法理解信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等課程的全貌，無法形成知識閉環(huán)。

考核方式：考核方式無法準(zhǔn)確評估學(xué)生解決實際問題的能力。目前MatLab課程考核依然采用傳統(tǒng)的期末閉卷考試的方式進(jìn)行，這種理論課考察的方式被用于MatLab課程中，其實不能準(zhǔn)確地評估學(xué)生編程能力和操作軟件解決實際問題的能力，扼殺了學(xué)生學(xué)習(xí)MatLab的積極性。

本文結(jié)合上述三個方面的問題，提出線上線下一體化MatLab教學(xué)改革和實踐，以提高學(xué)生在后續(xù)課程中學(xué)習(xí)的能力。

3.2 教學(xué)改革方法

傳統(tǒng)的MatLab教學(xué)主要流程為學(xué)生在計算機(jī)上展示自己的具體程序以及遇到的問題，然后教師與學(xué)生一起討論或者引導(dǎo)學(xué)生解決代碼中的問題，這一過程中不斷強(qiáng)化和加深學(xué)生對知識點的理解。網(wǎng)絡(luò)在線授課中如何保質(zhì)保量地完成課程的實踐內(nèi)容是教學(xué)面臨的一大挑戰(zhàn)。為此，本文以采用虛擬MatLab的教學(xué)場景作為突破口。

為了很好地展示理論教學(xué)，教師采用騰訊會議或者釘釘?shù)溶浖墓蚕砥聊还δ芡瓿稍诰€教學(xué)。教師每次上課前先收集學(xué)生編寫好的程序，并檢查程序運(yùn)行結(jié)果。在此過程中，收集具有代表性的編程思路和錯誤問題并將其匯總。每個學(xué)習(xí)小組提前討論并組織要匯報的內(nèi)容，包括代碼的語句、結(jié)構(gòu)、規(guī)范等。

上課時，學(xué)習(xí)小組通過屏幕共享自己編寫的程序，運(yùn)行程序并進(jìn)行講解，其他學(xué)生和老師一同參與程序的點評。然后老師講解提前挑選出的典型案例，包括不同編寫代碼思路或錯誤問題，并分析背后的MatLab語法規(guī)范和程序邏輯。最后展示出幾份優(yōu)秀的代碼示例并以及課前形成的匯總報告并在課后將其發(fā)給學(xué)生，供學(xué)生課后進(jìn)一步學(xué)習(xí)和鞏固，最終提交正確的作業(yè)。

通過上述方式，教師既可以完成規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容，也可以最大程度調(diào)動學(xué)生的積極性和自主性。但這需要教師提前做好課前準(zhǔn)備工作，并對學(xué)生的程序進(jìn)行詳細(xì)的分析對比、歸納總結(jié)。

通過上述虛擬線上線下的一體化教學(xué)場景可以看出，對于MatLab課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠從以下三個方面得到提升。

第一，鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。課堂內(nèi)容是以實際項目為導(dǎo)向的，這就要求學(xué)生提前學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上的MatLab基礎(chǔ)知識，才能在課堂上跟上教師的教學(xué)進(jìn)度，無形之中激勵和督促學(xué)生完成MatLab基礎(chǔ)知識點的學(xué)習(xí)。

第二，提升學(xué)生協(xié)作、溝通的能力。課堂上采取小組協(xié)作模式，在教師提出項目任務(wù)時，學(xué)生需要協(xié)同合作才能完成項目任務(wù)。在最后的成績評定時，只有積極參與協(xié)作的學(xué)生才能獲得高分。從課堂學(xué)習(xí)的過程和成績評定的考核中，學(xué)生的溝通能力、協(xié)作能力得到了顯著提升。

第三，培養(yǎng)學(xué)生解決本專業(yè)實際問題的能力。課程以實際項目為導(dǎo)向，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下逐步明白電子信息專業(yè)中的項目是如何一步步實施并完成的，學(xué)生在任務(wù)驅(qū)動型的學(xué)習(xí)過程中鍛煉了查資料、討論、互助合作等解決專業(yè)相關(guān)問題的能力。

將線上基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)與線下實操和討論的學(xué)習(xí)結(jié)合起來，增強(qiáng)MatLab仿真的實操性。在MatLab教學(xué)改革和實踐中，教師不斷在學(xué)習(xí)中啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生走上學(xué)習(xí)的正循環(huán)，提高學(xué)生上課的積極性。只有讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)的樂趣，參與到課堂的操作、實踐、討論等一系列的學(xué)習(xí)活動中，學(xué)生才能真正主動掌握MatLab，有利于進(jìn)一步鞏固對電子信息領(lǐng)域的其他專業(yè)課程的理解，起到相輔相成的效果。

4　結(jié)束語

MatLab仿真是電子信息類專業(yè)本科階段的一門公共基礎(chǔ)課，掌握MatLab軟件有助于提高學(xué)生理論聯(lián)系實際能力、自我創(chuàng)新能力及運(yùn)用現(xiàn)代工具的能力。本文以虛擬MatLab的教學(xué)場景作為突破口，基于線上線下一體化教學(xué)理念，打破傳統(tǒng)課堂在時間、空間上的限制，將線上網(wǎng)絡(luò)資源與線下討論學(xué)習(xí)進(jìn)一步整合、協(xié)同，增強(qiáng)實踐性、操作性強(qiáng)的MatLab仿真課程效果，能夠為數(shù)字信號處理、通信原理、信號與系統(tǒng)等課程打好基礎(chǔ)。

[1]林峰. “MatLab與系統(tǒng)仿真”課程的教學(xué)改革[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報，2015(3): 12-14.

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Research on the Teaching Reform and Practice of Online and Offline Integration of MatLab

In view of the characteristics of electrical information courses with high positioning level, high difficulty and strong research, combined with the actual teaching situation that students have low enthusiasm for active learning, this paper proposes the teaching reform and practice of Online and offline integration of MatLab simulation software to improve students' active learning interest and consolidate professional course knowledge, and enhance the ability of electronic information undergraduate students to use MatLab for learning, scientific research, and innovation, fully exercise their ability to comprehensively apply the knowledge that they have learned to solve practical problems independently.

MatLab simulation; Online and offline integration; teaching reform and practice

G642

A

1008-1151(2023)07-0182-03

2022-09-15

杭州電子科技大學(xué)2021年高等教育教學(xué)改革研究項目（YBJG202160）；2020年教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“放大電路交直流分析方法的理論分析以及Matlab仿真代碼驗證和實際電路測試結(jié)果驗證”（202002132001）；杭州電子科技大學(xué)《大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)》課堂教學(xué)改革研究（ZX220403399009）；浙江省自然科學(xué)基金項目（LQ20F010007）；國家自然科學(xué)基金項目（62101169）；2020年度省級線下一流課程；2021年第一批省級課程思政示范課程。

吳俊，男，杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院講師，研究方向為無線通信。