基于翻转课堂的“随机信号分析实验”教学

付卫红，郭万里，刘乃安，韦 娟

（西安电子科技大学通信工程学院，陕西西安710071）

0 引言

翻转课堂教学强调“以学生为中心，以任务为驱动”的理念，采取自主学习和小组协作学习两种方式，充分调动大学生自主性和探究性学习，让学生自己掌控学习节奏，实现个性化学习［1～2］。翻转课堂理念来源于美国科罗拉多州林地公园高中。该校的两位化学教师首次将其应用于课堂教学，并取得了较好的效果［3］。后来这种教学模式被越来越多的学校采用，成为美国乃至全球很多学校和教育机构关注讨论的热点。

本文借鉴翻转课堂教学的理论，对“随机信号分析实验”课程进行大胆的改革和尝试，设计出以翻转课堂教学模式为基础的“随机信号分析实验”教学实践。

1 “随机信号分析实验”教学特点

“随机信号分析实验”是以通信工程和信息工程专业的“随机信号分析”专业理论基础课为基准而开设的实践课程［4］。“随机信号分析”理论课程具有严谨、系统性强的特点。其任务在于研究随机信号的基本理论和基本分析方法，为学生进一步学习和掌握“通信原理”、“通信系统”和“信号检测与估值”等后续课程奠定基础。“随机信号分析实验”课程，希望通过实验使学生能对所学课程内容有更深刻的理解，掌握随机信号的基本分析方法和基本测量方法。

“随机信号分析实验”根据“随机信号分析”理论课程的内容，有目的性地选择了一些设计性开放性实验题目，使初学者能够把所学的基本理论用于解决工程实践中的具体问题，同时提高初学者的学习兴趣，锻炼初学者的独立分析问题与解决问题的能力。

“随机信号分析实验”总课时32学时，包括了4学时教师课堂讲解实验理论的时间以及28学时学生设计、操作实验的时间。

“随机信号分析实验”不同于其他实验课程，其主要内容都需要利用现有的仿真软件Matlab或者Quartus II，根据相关理论课程学习到的理论知识对随机信号的各种特性进行分析实验。学生先跟据实验任务要求，结合相关理论知识，设计实验方案然后对实验结果进行分析。传统的“随机信号分析实验”课程要求所有的教学活动都在课内完成。这种教学模式一方面限制了学生主动学习的积极性，学生只能按部就班按照教师的时间安排来做，不能合理地跟据自身情况安排时间；另一方面，由于学生把大量的时间都花费在了教师安排的普适性的实验任务上，不能得到有效的、有针对性的锻炼。

2 翻转课堂教学

所谓翻转课堂教学，就是将学习过程中知识传授和知识内化两个阶段进行颠倒。翻转课堂的关键在于“翻转”，实质在于教学“主体地位转换”，具体涉及以下3个方面：①教师角色翻转。翻转课堂使教师从传统课堂中解放出来，变成了学生学习活动的设计者、促进者和指导者。这意味着教师不再是知识交互和应用的中心，但他们仍然是学生学习的主要推动者。当学生需要帮助时，教师便会向他们提供必要的启发引导。②学生地位翻转。学生由传统课堂中的被动学习翻转为主动式学习，这种主动表现在主动选择学习的内容、主动安排自己的学习进度等多方面。在这个过程中，教师的作用主要是提供相应的支撑材料或学习资源，在学生需要答疑解惑时提供必要的支持。③课堂作用的翻转。传统的课程，课堂上的时间主要用来让教师传授课程相关知识，而答疑解惑一般在课下完成。翻转课堂理论则刚好相反，学生在课下时间学习课程相关知识，而在课堂上跟教师进行讨论，解决课程学习过程中面临的问题。

目前国内外有许多专家学者对翻转课堂进行了实践与理论研究，2012年美国哥伦比亚大学教师学院的汤姆·德里斯科尔进行了一项涉及26个教师和203个学生的调查，所得的研究结论是翻转课堂教学促进了学习环境的民主化。将近80%的学生认为他们能够自己控制学习进度，并且在翻转课堂上与教师和同学交流更多，主动学习的时间增加，这让他们感觉学习是一个愉快的成长过程。70%的学生表示现在可以与同学一起作出决定，更多地进行批判性思考和解决问题，同时，教师比过去更了解他们的兴趣、优势和弱项。汤姆的这项研究对教师的调查也是完全正面的，100%的教师认为实施翻转课堂后，学生学习变得更加积极，教学也更加个性化和差异化。

目前在高等教育中，翻转课堂的教学模式在理论课教学中应用较多，对于实验教学应用较少。这里有两个原因：第一是大部分的实验课程需要利用实验室的硬件实验环境，必须在实验室完成，没有办法借用翻转课堂的模式；第二个原因是在高等教育中，很多教师对学生实验课程的教学不够重视，因此也就没有多花费精力在实验教学的改革上。

笔者从事实验教学多年，目前承担着“随机信号分析实验”课程的教学任务，考虑到本实验课程跟一般实验课程的不同，结合目前高等教育改革的大环境，提出将翻转课堂教学模式应用到“随机信号分析实验”的教学过程中，希望通过新的教学模式，调动学生学习的积极性、主动性，同时提高实验课程教学效率，争取在有限的实验时间中，让学生得到最大的提升。

3 基于翻转课堂的教学设计

基于翻转课堂的“随机信号分析实验”教学设计过程如图1所示。

整个过程分成课外和课内活动两部分，就教师和学生分别表述如下。

3．1 教师课外活动

图1 基于翻转课堂的“随机信号分析实验”教学设计

在基于翻转课堂的“随机信号分析实验”教学设计中，希望学生在课下完成大部分关于实验原理、实验要求、实验内容等的学习和理解，因此教师需要针对具体的实验内容，课外要先准备相关的PPT讲义，录制实验教学视频。与此同时，为了满足不同层次学生的学习需求，教师还需要在课下搜集整理多种相关的网络资料，比如与实验原理相关的课程PPT、公开课网站等。举个例子，“随机信号分析实验”课程中有一个实验内容是2ASK调制器的设计与实现，对于该实验，教师需要在课下准备ASK调制原理的PPT，并录制相关的讲解视频，由于设计过程中需要用到Quartus II仿真软件，因此还需要准备Quartus II的介绍以及使用方法。此外，教师还要给出实验内容和实验要求，为ASK调制器的设计给出一个大概的思路。由于本实验课程是一个开放性、综合性、设计性的实验，因此教师不会直接给出ASK调制器的设计框图，只会给出设计的思想和方法，引导学生自己设计总体的系统框图。

3．2 学生课外活动

在教师准备好相关资源发放到网上之后，学生在课下需自行安排时间进行学习，了解清楚实验的原理和要求。学生在观看教师提供的PPT以及教学视频的过程中，如果对实验的内容和原理还存在疑问，可以查阅教师提供的其他网络资源进行深入的学习。学生如果还有疑问可以通过网络平台，如QQ、微信等跟教师交流。对于那些网络上交流不方便的内容，学生可以在课内与教师当面讨论。在对实验相关的理论知识以及实验要求充分了解之后，学生可以在课下根据自己的情况，合理安排时间进行实验方案的设计以及实验软件仿真部分的工作。

3．3 教师课内活动

对于翻转课堂实验教学，在课堂上，教师主要的作用是针对每个学生的具体问题，给学生答疑解惑，帮助学生完成知识的内化过程。然后与学生针对关键问题进行多方面多角度的探讨，让学生对所做的实验有一个更全面更深刻的认识。

下面以ASK调制器的设计实验为例，说明教师在课内的作用和活动内容。教师在课堂上一方面需要为学生在实验方案设计过程中存在的问题进行解答，另一方面，学生在利用Quartus II软件搭建ASK调制系统的过程中，如果存在困难，也需要老师帮助解决。最后，教师要在课内对ASK调制信号波形时域特征、频谱结构、不同参数之间的关系、ASK信号的统计特性等方面跟学生进行讨论，同时引导学生思考当改变某些参数时，对ASK调制信号的影响是什么？ASK调制有什么优点和缺点？

3．4 学生课内活动

学生在课外已经学习掌握了实验的原理、实验的内容以及实验的具体要求，并且设计了实验的方案，在课内就可以根据设计过程中面临的问题或者疑问跟教师进行一对一的沟通，因为有了针对性，其效果是很好的。另外，学生在课内的一个关键任务是利用实验室设备完成课外无法进行的实验。就ASK调制器的设计而言，学生在课外完成了方案设计以及基于Quartus II的ASK调制器的系统设计，学生需要在课内实验室里将生成的软件程序下载到实验版上，验证设计的ASK调制器是否可用，同时利用示波器测试真实的ASK信号时域波形、频谱结构，读取载频、符号速率、带宽、码元速率等参数。

3．5 实验评价

“随机信号分析实验”传统实验课堂的评价主要包括实验报告和实验结果两部分，这种评价模式在翻转课堂教学中并不实用，因为翻转课堂模式下，学生很大一部分实验工作是在课下完成的，所以如果按照传统评价模式只对学生考核实验结果和实验报告两部分，将不能全面、客观的反映学生的实验综合成绩。基于此，我们设计了表1所示的翻转课堂实验评价体系。

评价体系共设有七项指标，它们分别是：

（1）“实验方案”部分主要考察学生在学习相关实验原理等资源后，制定的实验方案是否合理，是否具有可操作性。由于“随机信号分析实验”课程属于开放性、综合性的实验，所以实验方案并不唯一，所以在考察这部分内容时，不要局限于某一种方案，只要学生提出来的实验方案能够完成要求的实验内容，并且给出的实验方案合理就可以了。

（2）“实验结果”部分则是考察学生实验结果是否正确或者合理。正如前文所述，由于实验方案不唯一，因此实验结果也会不一样，因此在考察这部分内容时，重点关注学生的实验结果是否合理，即使结果跟预期不一致，学生如果能解释出原因也是可以的。

（3）“实验报告”这部分主要考察学生撰写的实验报告条例是否清晰、对实验结果的分析是否正确、完善，书写是否规范，尤其是图、标的规范性。要知道现在很多学生大学四年毕业了，还不知道如何撰写一篇合格的科技报告或科技论文，我们希望借此机会，能够让学生对如何撰写一篇符合要求的科技报告有一个基本的认识。

（4）“解决实际问题的能力”这部分主要考察学生在实验过程中遇到问题是否能积极地想办法解决，该能力的培养是现在专业认证中的一项重要指标，要求学生通过“随机信号分析实验”在这方面有所提升。

（5）“创新能力”这部分主要考察学生是否能提出新的实验方案或实验方法，考虑到对于本科生来说要提出一个全新的实验方案难度太大，因此这里只要学生能提出一些跟常规的方法有所不同之处就可以认为具有较好创新能力。

（6）“课堂互动”这部分主要考察学生在课堂上是否能积极发言，是否可以跟教师、同学交流、讨论实验过程中遇到的问题。此举一方面可以督促学生将自己对实验原理、实验方法、实验结果等内容进行消化、吸收，另一方面也锻炼了学生沟通交流的能力。

（7）“课下交流”这部分主要考察学生在课下是否积极在实验QQ群或微信群中发言，提出在学习实验原理、制定实验方案以及具体实验过程中遇到的问题，是否积极帮其他同学解决问题。因为只有当他能提出问题的时候，说明他在课下是下了功夫的。如果还能帮其他同学解答问题，说明他对实验内容有较深入细致的了解。

表1 实验评价体系

4 结语

本文提出的“随机信号分析实验”翻转课堂教学设计是对实验教学模式探索的一种尝试，根据“随机信号分析实验”的特点，设计了具体的实施方案，包括学生、教师课上、课下各自的职责以及具体的考核评价指标、评价内容以及所占比例。该教学模式具有很强的可操作性，不仅让学生能根据自身情况自主安排课下学习计划，在课上能根据自身问题跟教师进行一对一的沟通，而且让教师也能更充分的利用课上时间有针对性的帮学生解答问题，提高了课堂效率。