新模式在農(nóng)業(yè)工程DSP技術(shù)中的實(shí)踐研究

王申 周杰 田敏

[摘? ? ? ? ? ?要]? “翻轉(zhuǎn)課堂”是近年來流行的一種新型教學(xué)模式。采用“翻轉(zhuǎn)課堂”模式對農(nóng)業(yè)工程專業(yè)的DSP技術(shù)與應(yīng)用課程進(jìn)行改革，針對課程中理論重難點(diǎn)及綜合性實(shí)驗(yàn)錄制了應(yīng)用于該專業(yè)的教學(xué)視頻。采用過程評價對“翻轉(zhuǎn)課堂”所取得的教學(xué)效果進(jìn)行評估。評估結(jié)果表明，“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式有效提升了該專業(yè)學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? DSP技術(shù);翻轉(zhuǎn)課堂;農(nóng)業(yè)工程;過程評價

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）04-0094-02

一、引言

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，學(xué)習(xí)者可以不受時間、地點(diǎn)等因素的限制，隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)在線學(xué)習(xí)各種課程，知識的獲取渠道變得更加多樣化。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式正是在這一信息化的背景下出現(xiàn)的。作為一種混合式教學(xué)模式，翻轉(zhuǎn)課堂將傳統(tǒng)教學(xué)模式中“教師在課堂先講授知識，學(xué)生課后完成知識內(nèi)化”的結(jié)構(gòu)顛倒過來，因此也叫“顛倒課堂”。在課前，學(xué)生依據(jù)教師提供的資料（如教學(xué)視頻及課件）進(jìn)行自學(xué)，掌握基本概念，針對課前自學(xué)遇到的問題，課堂上教師針對這些問題與學(xué)生進(jìn)行討論、解答，提高了教學(xué)效率，增強(qiáng)了教學(xué)效果。

在“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式中，學(xué)生是學(xué)習(xí)的中心，有利于激發(fā)并維持學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動性[1]。課前，教師自行錄制視頻來講解教學(xué)內(nèi)容，并將這些學(xué)習(xí)資料傳給學(xué)生，可以讓學(xué)生在課前就對課程內(nèi)容有基本掌握，同時靈活的教學(xué)方式及優(yōu)質(zhì)資源也便于拓展課堂教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生課前就可以開始學(xué)習(xí)新的內(nèi)容，無形中增加了課堂教學(xué)時間。課堂上，教師可以就重難點(diǎn)及學(xué)生的疑惑有針對性地開展教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行思考，加強(qiáng)師生之間的探討交流，提高課堂時間的利用效率，在這一過程中，學(xué)生基本可以完成知識的內(nèi)化。課后，學(xué)生仍然可以根據(jù)教師提供的資料進(jìn)行復(fù)習(xí)。

二、教學(xué)現(xiàn)狀

DSP技術(shù)與應(yīng)用是電子工程、電子科學(xué)與技術(shù)、通信技術(shù)及農(nóng)業(yè)工程等專業(yè)的一門專業(yè)必修課，信息化教學(xué)模式下，DSP技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程實(shí)踐中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。該課程系統(tǒng)地講授了C54x芯片的硬件結(jié)構(gòu)、指令體系、開發(fā)流程等知識點(diǎn)，對物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的應(yīng)用起基礎(chǔ)性作用。然而，該課程存在知識點(diǎn)較多、概念復(fù)雜、匯編語言較為抽象、內(nèi)容快速更新、綜合實(shí)踐性強(qiáng)等特征。DSP芯片功能模塊多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對學(xué)生基礎(chǔ)要求較高，需要有模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路、單片機(jī)等課程的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，課程難度大，內(nèi)容抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。該課程的課時為36課時，其中理論課為24課時，實(shí)驗(yàn)課12課時。以往的教學(xué)模式是教師主導(dǎo)上課過程，一味講解理論知識，主要內(nèi)容為DSP芯片各功能模塊及匯編語言程序設(shè)計(jì)等，討論和練習(xí)環(huán)節(jié)少。實(shí)驗(yàn)課采取的是教師講述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，演示實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生簡單進(jìn)行驗(yàn)證，提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的教學(xué)模式[2]。原有的教學(xué)模式中，學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容缺乏感性認(rèn)識，理論知識抽象不好理解，而實(shí)驗(yàn)課部分時間用在教師講解實(shí)驗(yàn)過程上，減少了學(xué)生的動手時間，對實(shí)驗(yàn)過程簡單化，沒有充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，教學(xué)效果不理想。

三、基于“翻轉(zhuǎn)課堂”的DSP教學(xué)設(shè)計(jì)

將“翻轉(zhuǎn)課堂”應(yīng)用在DSP教學(xué)中，改進(jìn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)，主要是為了增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，夯實(shí)學(xué)生理論基礎(chǔ)，提升解決問題能力、自學(xué)能力等核心學(xué)習(xí)素養(yǎng)。

由于學(xué)生的模電、數(shù)電、C語言編程等能力參差不齊，為掌握學(xué)生基礎(chǔ)情況，進(jìn)行層次化的教學(xué)設(shè)計(jì)，首先對學(xué)生情況進(jìn)行調(diào)研。通過學(xué)情調(diào)研了解學(xué)生學(xué)期課程分布，學(xué)生感興趣的教學(xué)方法，最重要是對學(xué)生編程設(shè)計(jì)、數(shù)字電路等課程的學(xué)習(xí)情況調(diào)研，從而合理設(shè)計(jì)教學(xué)視頻，改良課程設(shè)計(jì)。

結(jié)合學(xué)情調(diào)研情況及課程特點(diǎn)，DSP課程教學(xué)組討論最終確定了基于翻轉(zhuǎn)課堂的DSP教學(xué)設(shè)計(jì)思路，針對DSP技術(shù)與應(yīng)用的硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)、開發(fā)工具、程序設(shè)計(jì)、片內(nèi)外設(shè)接口及應(yīng)用等章節(jié)以及重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分別制作了對應(yīng)的教學(xué)視頻及相關(guān)學(xué)習(xí)資料，供學(xué)生在課前學(xué)習(xí)，同時針對每章節(jié)的重難點(diǎn)在課堂上設(shè)置了不同的討論主題，供學(xué)生討論和提問。實(shí)驗(yàn)課則針對綜合性實(shí)驗(yàn)錄制在線教學(xué)視頻，這樣的實(shí)驗(yàn)課就可以落實(shí)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，鍛煉學(xué)生的動手操作能力。

通過期末測驗(yàn)對“翻轉(zhuǎn)課堂”所取得的教學(xué)效果進(jìn)行評估。評估結(jié)果表明，“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式有效提升了學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度。

（一）基于“翻轉(zhuǎn)教學(xué)”的教學(xué)資源設(shè)計(jì)

1.理論課教學(xué)視頻錄制

（1）緒論章節(jié)的課前在線學(xué)習(xí)視頻錄制

在緒論章節(jié)，學(xué)生主要通過視頻學(xué)習(xí)建立DSP芯片的概念，同時需要了解DSP芯片的發(fā)展概況和特點(diǎn)、DSP芯片的分類、DSP芯片的應(yīng)用及發(fā)展趨勢等知識。此外，學(xué)生還應(yīng)該通過視頻學(xué)習(xí)了解DSP系統(tǒng)的構(gòu)成、DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)過程等知識。需要學(xué)生掌握和記憶的知識點(diǎn)較多。其中，重點(diǎn)需要視頻講解的知識是哈佛結(jié)構(gòu)及馮諾依曼結(jié)構(gòu)的對比。其中哈佛結(jié)構(gòu)是DSP芯片的關(guān)鍵知識點(diǎn)，對了解后續(xù)的流水線結(jié)構(gòu)有非常大的幫助，應(yīng)該重點(diǎn)講解。此外，DSP現(xiàn)有產(chǎn)品簡介也是重要的知識點(diǎn)之一，有助于學(xué)生以后在工程實(shí)踐中選擇合適的芯片型號。

（2）硬件結(jié)構(gòu)章節(jié)的課前在線學(xué)習(xí)視頻錄制

在硬件結(jié)構(gòu)章節(jié)，學(xué)生主要通過學(xué)習(xí)了解C54x的基本結(jié)構(gòu)、外部特性和主要引腳、內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)、中央處理器、存儲空間結(jié)構(gòu)和片內(nèi)外設(shè)電路相關(guān)的知識。在以上知識點(diǎn)中，視頻講解需要重點(diǎn)關(guān)注的知識點(diǎn)是C54x的內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)。由于C54x內(nèi)部總線數(shù)量眾多，學(xué)生對不同總線的功能很容易混淆，視頻講解過程中就需要輔以相關(guān)練習(xí)，幫助學(xué)生理解并掌握8組總線的功能和區(qū)別。在講解過程中最好結(jié)合流水線運(yùn)算這一知識點(diǎn)來講解總線功能，這樣學(xué)生能夠同時掌握兩個知識點(diǎn)，從而達(dá)到舉一反三的效果[3]。

（3）指令系統(tǒng)章節(jié)的課前在線學(xué)習(xí)視頻錄制

在指令系統(tǒng)章節(jié)，學(xué)生需要掌握立即尋址、絕對尋址、累加器尋址、直接尋址、間接尋址、存儲器映像寄存器尋址和堆棧尋址七種尋址方式，同時需要掌握常用的數(shù)據(jù)傳送指令、算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、程序控制指令、并行操作指令和重復(fù)操作指令。由于知識點(diǎn)眾多，視頻錄制過程中不可能一一介紹。此外，盡管學(xué)生對C語言的二十幾條指令已經(jīng)相當(dāng)熟悉，但是在短短一章的教學(xué)時間內(nèi)熟練掌握兩百多條DSP指令依然非常困難。因此在錄制視頻過程中要注重主次，最好將講解重點(diǎn)放到七種尋址方式的區(qū)別以及實(shí)踐中的常用指令上，而對不常用的指令一帶而過。

（4）匯編語言程序設(shè)計(jì)的課前在線學(xué)習(xí)視頻錄制

在匯編語言程序設(shè)計(jì)章節(jié)，學(xué)生需要掌握匯編語言源程序格式、匯編語言中的常數(shù)與字符串、匯編源程序中的符號和表達(dá)式、堆棧和控制程序的使用方法等知識點(diǎn)。學(xué)生還需要掌握常用算術(shù)運(yùn)算程序的編寫，如加、減、乘、除運(yùn)算等。對之前編程基礎(chǔ)較弱的學(xué)生來說，直接編寫匯編程序會比較困難。在本章在線學(xué)習(xí)視頻的錄制中，需要充分考慮這部分學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，將重點(diǎn)放在已有程序的講解上。對部分編程基礎(chǔ)較好的學(xué)生，可以鼓勵編寫較難的程序以實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步學(xué)習(xí)，如用C54x實(shí)現(xiàn)簡單的計(jì)算器功能。

2.實(shí)驗(yàn)課視頻資源錄制

以往的實(shí)驗(yàn)課，教師在課堂上需要花費(fèi)20分鐘到半個小時的時間來講解本次實(shí)驗(yàn)流程、試驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式等內(nèi)容，大大壓縮了學(xué)生實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作時間。在“翻轉(zhuǎn)課堂”模式下的實(shí)驗(yàn)課中，以上內(nèi)容均可通過學(xué)生在線觀看實(shí)驗(yàn)講解視頻，在上實(shí)驗(yàn)課之前自行了解。這樣，實(shí)驗(yàn)課上的時間可以為學(xué)生充分利用，同時也延長了學(xué)生和教師交流實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及教師解答實(shí)驗(yàn)操作問題的時間，提高了實(shí)驗(yàn)課效率。

（1）FIR濾波器實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的在線學(xué)習(xí)視頻錄制

在FIR濾波器實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)需要講解濾波器的參數(shù)如何算出。在視頻錄制過程中，最好先帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)一下數(shù)字信號處理中濾波器設(shè)計(jì)章節(jié)的相關(guān)知識點(diǎn)，重點(diǎn)講授不同窗函數(shù)條件下高通、低通、帶通濾波器的設(shè)計(jì)流程以及相應(yīng)的MATLAB語言實(shí)現(xiàn)過程。由于部分學(xué)生MATLAB語言基礎(chǔ)相對弱，需要重點(diǎn)講解MATLAB相關(guān)指令參數(shù)以及圖形輸出的含義。在匯編語言編程實(shí)現(xiàn)過程中，重點(diǎn)講授線性緩沖區(qū)和循環(huán)緩沖區(qū)的區(qū)別及聯(lián)系，防止學(xué)生混淆兩種實(shí)現(xiàn)方式[4]。

（2）IIR濾波器實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的在線學(xué)習(xí)視頻錄制

在IIR濾波器的實(shí)現(xiàn)過程中，學(xué)生往往對數(shù)字信號處理中的二階和高階IIR濾波器結(jié)構(gòu)不夠熟悉，對直接型、標(biāo)準(zhǔn)型和變換型IIR濾波器結(jié)構(gòu)區(qū)分不清。針對這一問題，在線學(xué)習(xí)視頻錄制過程中，首先需要帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)數(shù)字信號處理課程中的相關(guān)知識點(diǎn)，分清不同濾波器結(jié)構(gòu)的差異，再帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)巴特沃茲、切比雪夫和橢圓濾波器的區(qū)別。只有掌握了相關(guān)的知識點(diǎn)，學(xué)生才能夠熟練運(yùn)用匯編語言實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的濾波器設(shè)計(jì)。

（3）快速傅里葉變換實(shí)驗(yàn)的在線學(xué)習(xí)視頻錄制

在FFT實(shí)驗(yàn)過程中，以往許多學(xué)生對于基本的蝶算概念掌握不牢，致使編程實(shí)現(xiàn)過程中出現(xiàn)許多基礎(chǔ)性錯誤。針對這一問題，在線學(xué)習(xí)視頻錄制過程中需要重點(diǎn)講解FFT的實(shí)現(xiàn)原理。此外，程序空間和數(shù)據(jù)空間的結(jié)構(gòu)也是視頻講解中重點(diǎn)需要介紹的問題。

（二）“翻轉(zhuǎn)課堂”課堂教學(xué)設(shè)計(jì)

結(jié)合“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式和DSP的課程特點(diǎn)，規(guī)劃教學(xué)過程。其中主要分為兩部分：課前和課中。課前教師通過在線平臺發(fā)布學(xué)習(xí)要求及相應(yīng)的學(xué)習(xí)資料、學(xué)生自學(xué)、在線討論。課中教師依托學(xué)習(xí)任務(wù)及學(xué)生自學(xué)情況進(jìn)行針對性講解，學(xué)生完成課堂練習(xí)或?qū)嶒?yàn)任務(wù)，展示結(jié)果，教師進(jìn)行點(diǎn)評

（三）“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)評價設(shè)計(jì)

根據(jù)“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式，新的評價摒棄原有的考試評價模式，采用“過程考核”的方式進(jìn)行教學(xué)評價，通過這一方法，更加調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。“過程評價”采用對學(xué)生學(xué)習(xí)過程及呈現(xiàn)作品的教師綜合評價，學(xué)生互評，自評的加權(quán)綜合的方式。在課程結(jié)束后，對學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查及訪談，從學(xué)生的角度更加全面地評價教學(xué)效果，對這一課程的“翻轉(zhuǎn)課堂”做進(jìn)一步完善。

四、結(jié)語

“翻轉(zhuǎn)課堂”已被大量案例證明是一種有效的教學(xué)模式。本文對使用“翻轉(zhuǎn)課堂”這一新模式對農(nóng)業(yè)工程專業(yè)的DSP技術(shù)與應(yīng)用的教學(xué)進(jìn)行了一些探索，針對不同講授和實(shí)驗(yàn)章節(jié)設(shè)計(jì)錄制了不同的在線學(xué)習(xí)視頻，在教學(xué)實(shí)踐中以學(xué)生為中心，最后通過過程評價對“翻轉(zhuǎn)課堂”所取得的教學(xué)效果進(jìn)行評估。評估結(jié)果表明，“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式有效提升了學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握程度及動手操作能力，有利于學(xué)生工作后，把DSP技術(shù)應(yīng)用在各種實(shí)踐中，把該技術(shù)更好地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程自動化的實(shí)踐中。

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