“信號與系統(tǒng)”翻轉課堂教學改革和實踐

解培中 魏 昕

(南京郵電大學 通信與信息工程學院， 南京 210003)

翻轉課堂的思想始于20 世紀 90 年代，這種新型教學方式由美國科羅拉多州的高中教師喬納森·伯曼和艾倫·薩姆斯提出，為了解決離學校距離遠、學生由于生病缺席出現的問題，教師把錄制好的教學視頻上傳到網上幫助學生學習。后來，慢慢地演變?yōu)閷W生們在家看錄像學習，教師在課堂上幫助學生解決作業(yè)和實驗中遇到的問題和疑問，形成了對傳統(tǒng)教學方式的顛覆[1]。2000年，Wesley在第十一屆大學教學國際會議上正式提出翻轉課堂的概念[2]。在翻轉課堂的教學模式下，學生可以在線上完成知識的自主學習，而課堂變成了教師學生之間和學生與學生之間互動的場所，包括答疑解惑、知識的應用等，從而達到更好的教學效果。我國對翻轉課堂的系統(tǒng)研究從 2013 年開始，到 2016 年正式流行起來[3]。大規(guī)模在線開放課程MOOC(Massive Open Online Course)是翻轉課堂教學中常常使用的一種線上教學平臺。 2015年4月，教育部發(fā)布《關于加強高等學校在線開放課程建設應用與管理的意見》，推動大規(guī)模在線開放課程蓬蓬勃勃地開發(fā)起來[4]。

我校的“信號與系統(tǒng)”在線開放課程于2016年立項，到2017年底完成初步建設，2018年初在中國大學MOOC網站上作為校內小規(guī)模限制性在線課程SPOC(Small Private Online Course)使用，2019年秋季轉為在線開放課程。與此同時，我們開展了“信號與系統(tǒng)”翻轉課堂教學改革。

翻轉課堂教學方式在不少課程教學改革中給出了積極的結論，文獻[5]以“信號與系統(tǒng)”課程中信號的頻域分析教學內容為例，結合電氣工程專業(yè)特色，設計了電力系統(tǒng)諧波分析教學案例，并利用翻轉課堂組織教學活動；文獻[6]介紹了疫情期間基于 MOOC 的翻轉課堂模式在線上教學中的實踐。然而，鮮有文章介紹翻轉課堂教學實踐中出現的問題及解決方案。本文聚焦我校的“信號與系統(tǒng)”翻轉課堂的教學設計和六輪教學改革實踐中遇到的問題及應對措施。

1 “信號與系統(tǒng)”課程教學改革

1.1 課程教學改革總體設計

總體設計階段，我們確定了從問題出發(fā)，以教材建設、線上慕課、線下課堂三個方面作抓手，著力課程建設。針對課程知識點多，教學內容經典，時代感不強的問題，首先解構課程內容，將所有知識點按照知識點的深度和廣度進行拆解。低層級的內容學生線上自學，中高層級的內容學生線上預習，線下課堂精講精練，采用智慧教學工具提高教學效率，從而騰出課時介紹通信信息領域先進理論和成果，如頻域分析在通信原理中的應用，從取樣定理出發(fā)介紹稀疏信號的采用——壓縮感知，增強時代感。

針對教學方法以講授法灌輸為主，互動不足，高階能力培養(yǎng)不夠的問題，線上線下翻轉課堂采用多種解決方案：線上開展發(fā)布公告、課間提問、課間討論等活動；線下雨課堂練習中“挖坑”“埋雷”，暴露應用中可能出現的錯誤。此外，通過深入理解三大變換分析法，掌握“信號與系統(tǒng)”分析中的方法論，把復雜問題分解為層層遞進的簡單問題加以解決。鼓勵學生了解并關注學術界和工業(yè)界關注的熱點，激發(fā)專業(yè)熱情，通過課中、課后小組活動培養(yǎng)學生的思維能力、交流能力和科研創(chuàng)新能力，開闊學生視野。

針對教學評價權重失衡，評價指標不足的問題，提高平時成績的占比。平時成績由過程性評價組成，包括線上慕課和線下雨課堂成績、線下作業(yè)和課后話題討論的成績，組成項目多，依據充分。

1.2 翻轉課堂教學流程及依托平臺

通過六輪翻轉課堂教學改革的摸索，借助雨課堂和中國大學慕課教學平臺以及QQ群，結合“信號與系統(tǒng)”課程的特點，設計了“信號與系統(tǒng)”翻轉課堂教學流程，即課前通過慕課視頻和學習任務單引導學生自主學習，參加線上的課堂討論，教師通過慕課堂觀察學生的線上學習學情；課中教師總結學習任務中的主要知識點，利用雨課堂中的選擇、填空、小組討論、學生投稿等方式組織學生進行交流討論、答疑等對知識進行內化，指導學生掌握“信號與系統(tǒng)”中的原理及分析方法；課后學生完成作業(yè)，針對學習過程中存在的問題進行師生交流，師生共同反思?！靶盘柵c系統(tǒng)”翻轉課堂教學依托的平臺及其優(yōu)勢和作用如表1所示。

1.3 教學考核

傳統(tǒng)的“信號與系統(tǒng)”考核辦法是依據平時考勤、作業(yè)以及最后的期末考試綜合評定學生成績。然而，平時作業(yè)不能如實反映學生的學習效果，平時成績常常是主觀給分，缺少評判依據，這種方式重結果輕過程，很難客觀公正地反映每一位學生的真實學習情況，難以激勵學生的學習積極性，更不能促進學生學習的主觀能動性，學生往往在期末考試時臨時突擊，一考定成績。根據我校教學實際情況，同時參考了其它高校的考核辦法，翻轉課堂的教學模式依然將考核成績分為2大板塊——平時成績和期末成績，但平時成績的組成項目更多。為了讓學生注重平時學習的各個環(huán)節(jié)，充分調動他們的積極性，在新考核辦法中將整個翻轉課堂的教學和學習過程都融入到了考核當中，貫穿了課程學習的全過程。平時成績提高了比重，占總評成績50%，從7個方面進行考核：①傳統(tǒng)線下作業(yè)；②雨課堂記錄的考勤表現、課堂測試結果；③中國大學慕課平臺上記錄的單元測試結果；④中國大學慕課平臺上記錄的單元測驗；⑤網上作業(yè)；⑥網上期末考試；⑦網上互動。除了作業(yè)，客觀題目的成績都可以從各自平臺上下載數據，都有依據，避免了傳統(tǒng)考核中的主觀打分的隨意性。期末考試與其他班級采用同一份試卷，流水閱卷方式批改，這樣做效率比較高，也方便比較不同教學方式的教學成效。

表1 “信號與系統(tǒng)”翻轉課堂教學使用的軟件平臺優(yōu)勢及作用

2 六輪教學改革執(zhí)行情況

“信號與系統(tǒng)”課程面向我校電子信息類專業(yè)，理論課56課時，翻轉課堂教學中線上、線下課分別為24課時和32課時。線上課只安排名義上課時間，不安排具體的地點，學生自主預習并完成學習任務；線下課在固定的時間和教室由教師主講或組織討論，考慮到課程理論性強、理解有一定難度，翻轉課堂沒有考慮讓學生講課。六輪線上線下翻轉課堂教學改革情況見表2的總結。

3 課程改革成效

六輪翻轉班教學中，第1、3、4、5輪主體是自愿選擇組成的翻轉班，對照班是未選擇翻轉的其余學生組成的普通教學班；第2、6輪主體是固定班級設置的翻轉班，對照班為與翻轉班學生一起上大班課的其他學生所在班級。表3顯示了翻轉班和對照班的期末考試成績數據。第2-6輪翻轉班沒有編級學生，在統(tǒng)計對照班數據時剔除了編級學生的數據。

從表3中可以發(fā)現，當組班形式為自愿選擇并且選擇人員比較多時，例如第1、4、5輪，翻轉班的平時成績比對照班高10多分，標準差數值反映出翻轉班的分數與對照班比較更加集中，且最低分遠遠高于對照班的最低分，這說明自愿選擇翻轉班的學生對自己的要求高于對照班學生對自己的要求，或者說翻轉班學生都具有一定的自主學習能力。當組班形式為固定班級時，翻轉班的平均分和標準差與對照班比較相差1-2分，翻轉班的平均分高于對照班。在自愿組班的翻轉課堂中，第1輪平均分的平均分差異最大，當時是重修班學生的組班，所有重修學生中有一定自學意愿的學生組成翻轉班，與對照班相比，學生的學習動機差別較大，所以學習效果差異也較大，其次，第4輪翻轉，該學期正值疫情期間，線下部分采用了線上教學，翻轉班采用的雨課堂直播的方式，互動比較頻繁，教師能夠掌握學生的日常學習狀況并采取一定的措施，而對照班級采用的QQ屏幕分享，互動比較少，學生學習主要靠自覺，教師不太了解學習的狀況，發(fā)揮作用有限，所以學習效果差異較大。

圖1表示的是第4輪正值疫情期間自愿組班的翻轉班與對照班各個分數段學生數量占比，可以看到，翻轉班的優(yōu)秀率和通過率遠遠大于對照班，且優(yōu)秀率達到44.1%,而常規(guī)的分數比例為正態(tài)分布。

通過訪談了解到學生對于翻轉課堂的評價基本上都是正面的，現摘錄如下：重難點突出、設計合理、教學效果好，全新的教學體驗、培養(yǎng)了批判思維和創(chuàng)新思維，教師專注于互動和問題答疑，學習氛圍輕松愉快，提高了自學和表達能力。

4 結語

“信號與系統(tǒng)”課程進行了六輪翻轉課堂教學，總結經驗教訓有如下幾點。首先，如果條件允許，類似“信號與系統(tǒng)”理論性強的課程，組班形式最好是自愿報名。因為翻轉課堂教學與傳統(tǒng)教學相比較，減少了教師面授的課時，如果學生沒有一定時間的自主學習，線下課的學習效率會很低，其教學成效還不如傳統(tǒng)方式的教學。在固定組班時，少數學生的表現尤其明顯，平時分和最終的期末考試分數相對較低。其次，翻轉課堂教學，并不是所有內容都適合翻轉，有些內容如典型信號的傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換，可采用學生自學、課堂考核的形式進行。第三，作為翻轉課堂中線下課堂的重頭戲——分組討論，如何發(fā)揮同伴學習的作用，個人認為還是固定小組成員，輪換安排小組長的方式比較好，為避免冷場，在課前任務單中針對具體討論內容給出討論流程。最后，線上線下翻轉課堂教學中積累了相當多的教學數據，利用這些數據，如何以學習為中心改革教學是未來進一步研究的課題。

表2 六輪線上線下翻轉課堂教學改革情況

表3 各輪翻轉班與對照班期末考試成績統(tǒng)計

圖1 第4輪翻轉班與對照班成績分布圖