翻转课堂在Matlab仿真技术教学中的设计与实践

2018-10-30乔世坤董光辉

实验室研究与探索 2018年9期

乔世坤，朱莉，董光辉

(东北林业大学机电工程学院，哈尔滨 150040)

0 引言

实践教学是高等教育本科生培养的重要组成部分，是培养创新精神与实践能力的重要环节[1]，各高校都在不断改革、加强并完善实践教学建设，如加大实践环节的比重、实施创新学分、改革实践教学的考核方式等[1-2]。

我校通信工程专业人才培养方案基于工程实践能力培养的要求，将Matlab仿真技术课程设置为独立实验课程，目的是加强实践环节，使学生高效、快速地掌握Matlab仿真技术，培养学生的实践能力，并为后续课程的学习奠定基础。自翻转课堂教学模式传入我国，倍受高校教师的关注，国内很多高校进行了基于此模式的教学研究，取得了良好的教学效果[2-8]。Matlab仿真技术课程引入翻转课堂教学模式的几点考虑。

(1) Matlab仿真技术课程的教学目标需要翻转课堂教学模式。为加强实践能力培养，本专业人才培养方案对Matlab仿真技术课程进行了调整，设置为独立实验课程，由32学时理论+16学时实验调整为32学时实验的学时安排。按传统的教学模式组织实验教学，先讲解后实验，讲解深入透彻占用学时必然多，留给学生完成实验时间就少，背离了强化实验教学的初衷，反之，理论讲解太少，学生对教学内容很难理解到位，教学效果也不理想。为了学生有更多时间进行实践，并锻炼独立思考解决问题的能力，翻转课堂教学模式提供了很好的解决办法。

(2) Matlab仿真技术课程的教学内容适用于翻转课堂教学模式。Matlab仿真技术课程虽然教学内容知识点多，但可以划分为多个教学模块，易于实现知识碎片化，且可实现渐进式教学安排，适于学生课下在宽松的学习环境下按自己喜欢的方式进行教学内容的学习。同时，Matlab独特的程序设计技巧、Simulink仿真模型的复杂设置、Matlab/Simulink灵活多样的仿真应用等，具有一定的难度，学生在课程学习过程中离不开教师的指导与解惑。这需要学生的自主学习与教师的讲解有效地结合，切实适用翻转课堂教学模式。

(3) 实现个性化学习与培养独立学习能力需要翻转课堂教学模式[8]。学生不同的知识水平，不同的发展方向，对课程学习有着不同的要求，翻转课堂教学模式可实现因材施教的教学要求，强调的是个性化学习与个性化指导。科技进步日新月异，课堂知识的学习不是最终目的，培养学生独立解决问题的实践能力是关键，翻转课堂教学模式倡导自主学习和自主探究，这些有助于学生独立学习能力与实践创新能力的培养[3]。

(4) 现有教学条件满足翻转课堂教学模式要求。本校已建设网络教学平台，视频课件制作设备齐全，教学终端数量充实，具备实施翻转课堂的硬件条件。

1 教学设计

翻转课堂教学模式是对传统的课堂教学内容进行翻转，学生个体在课前进行自主学习，节省下的课堂教学时间学生进行个性化学习，指导老师进行个性化指导，学生在课堂上完成知识的内化[10-13]。

我国教育技术专家何克抗教授提出“主导—主体”教学理念，强调教师是学习的主导者，学生是学习的主体[14-15]。翻转课堂教学模式对教师提出了比传统教学模式更高的要求，教师要根据所教授课程的目的、性质、特点，学生的知识水平、接受能力等诸多因素进行课程教学的系统级设计，统筹全局，对整个课程的教学实施进行整体规划，教师在翻转课程中的作用更加重要[14-15]。现对Matlab仿真技术课程教学进行如下分析设计。

1.1 课前准备与任务设计

教师根据教学目标，合理布置学生的课前自主学习内容[11]，学生进行自主学习。

(1) 在课堂教学前，教师要搜集、筛选、组织、制作、整理学习资源，包括视频，PPT、文档、例程等，在学校网络教学平台上进行Matlab仿真技术课程建设，见图1。其中最重要的是制作高质量的授课视频，笔者认为学生利用视频进行Matlab仿真技术课前自主学习是最适宜的，Matlab软件讲解与演示操作的视频克服了传统视频过多无关信息的干扰，使学生更容易专注学习内容。

图1 网络教学平台上“Matlab仿真技术”课程建设

(2) 教师布置课前学习任务时，要体现个性化与层次性要求。学生的学习主动性，自主学习能力，自我控制能力各不相同，不能一概而论，设计满足不同学习要求的课前学习任务，有必学、选学内容之分，内容安排由易到难，循序渐进地引导学生完成学习内容。

(3) 教师依据具体学习任务决定是否要求学生完成课前小测试。小测试宜易不宜难，满足学生的成就感与自信心，学生提交后，教师及时批阅课前小测试，掌握学生的自主学习情况。

(4) 学生根据自己的学习习惯、知识水平，选择最适合最喜欢的学习方法进行自主学习，按教师安排完成课前学习任务。

(5) 学生还可以借助网络教学平台Matlab仿真技术课程的讨论专区、QQ、微信等进行协作学习。

1.2 课堂活动设计

课堂教学是学生知识内化的关键环节，学生个性化学习，教师个性化指导。

(1) 在课堂教学中，Matlab仿真技术安排的实验内容有必做题、选作题、思考题。

(2) 在学习过程中，学生最需要帮助的时候是解决问题过程中遇到困难的时候[14]，学生进行个性化学习，教师则对学生进行个性化指导。

(3) 鼓励并引导学生独立完成必做题，对偏难的选作题、扩展性的思考题鼓励学生交流，展开课堂讨论，教师进行必要的指导，对完成效果好的同学或小组进行表扬，调动学生积极性。

(4) 教师依据指导中所观察到的学习情况，对学生普遍存在的问题、难点、重点进行必要的讲解，课前碎片化的学习，更需要老师课堂上帮助疏理知识点之间衔接关系与总结课程内容，翻转课堂实质是一种混合式教学模式[9、14]，教师要依据实际情况因地置宜，灵活掌握。

(5) 不定期地要求学生随堂在线以作业的形式提交实验结果数据，这样做的目的一方面督促每一位同学都要完成教学内容，杜绝“依赖”情况存在，另一方面也作为成绩考核的一部分。

1.3 课后任务设计

课后学生总结学习内容，完成实验报告，参加在线测试，全部课程结束后还要完成应用设计作业。教师继续答疑解惑，批改报告、作业，评定测试成绩。

(1) 学生对完成的实验内容进行疏理总结，完成实验报告，为减轻学生负担，并使学生更关注实验内容，实验报告格式做了调整，将报告设计成类似试卷形式，学生仅仅需要完成实验数据、结果分析、实验总结部分，实验总结要求学生总结学习难点、问题，使教师尽可能多地了解学生学习状况。

(2) 教师根据Matlab仿真技术教学进度安排在线测试，学生参加在线测试。

(3) Matlab仿真技术课程一项重要的教学目的是掌握Matlab/Simulink应用方法，在课堂教学完成后，要求同学完成应用设计作业，锻炼学生应用Matlab/Simulink解决实际问题的能力，培养学生自主探究学习的能力与工程实践能力。

1.4 数据分析与总结

教师对课程实施中的数据进行分析与总结，并不断改进教学。

(1) 教学过程中，教师要关注汇总学生测试、实验报告中出现问题，反馈指导学生。

(2) 学校网络教学平台能够生成反映学生自然情况下的自主学习轨迹数据，教师通过数据分析可以了解学生的学习状态、效率、效果，据此适度合理调整安排教学活动，不断改进教学方法[10]。

1.5 成绩考评设计

教师综合考核学生成绩，对成绩的客观评价能够对学生的学习动力起到很好的促进作用。

Matlab仿真技术课程对学生解决问题的设计、操作及结果的考评是考核学生学习能力与学习效果的最直接、最客观的有效办法，在网络教学平台的支持下，开展对考试题目进行设计操作的在线测试。Matlab仿真技术课程依据在线测试、随堂提交作业、实验报告质量、应用设计作业、期末考试综合评定学生成绩。

2 教学实施

针对我校2015通信工程专业4个班级进行了Matlab仿真技术课程翻转课堂建设。课程教学大纲安排了12个实验项目，其中，Matlab基础部分实验项目包括：基础与入门、程序设计基础、图形绘制、数值计算、符号运算、程序设计、Simulink仿真基础、Simulink仿真应用共8个项目16学时，面向通信工程专业应用实验项目包括：电子电路仿真(包括数字逻辑电路仿真)、信号与系统仿真、数字信号的产生与基本运算、脉冲编码调制仿真实验共4个项目16学时。

2.1 课前学习安排

教师发布课前学习任务，提供给学生学习资料，包括最重要的Matlab仿真技术课程录屏视频，为方便学生利用碎片时间学习，每段视频时间为5～15 min，为保护学生的学习热情，每堂课总视频时间不超过40 min，让学生尽可能高效地完成课前学习[16]。在内容安排上有必学与选学之分，例如：数值计算实验项目中，Matlab在线性代数中的应用、数据分析与统计、多项式运算等部分都划分了必学内容与选学内容。

2.2 课堂活动实施

在课堂教学中，对于必做实验内容部分，鼓励学生独立完成，教师进行个性化指导。对于共性难点问题进行必要讲解，如常微分方程的数值求解、离散序列运算、PCM脉冲编码等内容。鼓励有较高学习要求并学有余地的学生，尝试完成选做题、思考题，如较复杂的程序设计、数据分析处理、Simulink仿真设计问题，教师要给予关注、指导与鼓励。

在整个实验教学过程中，安排了3次要求学生在学校网络课程平台上随堂提交实验数据及结果，涉及的实验内容有：数值计算实验中拟合与插值部分，Simulink仿真应用实验中连续系统3种仿真模型与Van del Pol方程模型的搭建部分，信号与系统实验中的线性时不变系统的时域与频域分析部分，预先并未告诉学生。

2.3 课后任务布置

课后要求学生按时提交实验报告，参加课程在线测试。教师及时批阅在线测试试卷，批改学生实验报告，并对测试、实验报告中出现的问题反馈指导学生改正。

在全部课堂教学完成后，教师布置应用设计作业，提供多个贴近实际应用的小设计题目，如迭代程序设计、回归问题、数字图像处理、电路分析、数据统计、动画制作等，学生自主选择完成设计题目。

在课程的整个学习过程中，在网络教学平台Matlab仿真技术课程的讨论专区、QQ、微信上都是师生、学生交流互助学习的平台。教师与学生在讨论专区发起讨论问题，促进学习。

2.4 成绩综合考评

在“Matlab仿真技术”课程成绩评定中，随堂提交作业占总评成绩10%，在线测试占30%，实验报告完成质量占20%，应用设计作业占5%，期末笔试占35%，成绩占比如图2所示，全面、公平、客观地评价了学生的成绩。

图2 课程成绩占比图

在整个实验教学中，安排3次在线测试，如图3所示。在完成程序设计基本、绘图、数值计算等有关Matlab基础知识的学习后进行第1次在线测试，完成Simulink基础与应用、符号运算部分内容的学习后安排第2次，完成Matlab/Simulink在通信中应用部分的学习后执行第3次在线测试。

图3 在线测试安排

3 效果分析

Matlab仿真技术课程采用了翻转课堂教学模式，从执行的情况看，学生们基本上都能够完成课前的自主学习，达到了节省课堂时间的目的，课堂上，同学们都能够积极主动进行实验，针对实验内容提出多种多样的解决问题的方案与方法，实现了个性化的学习，教师则针对不同学生的各种不同指导需求进行答疑解惑，实现了个性化指导。

网络教学平台为翻转课堂的实施提供了条件，教师从网络平台上获取了更好的学习轨迹数据，对教学活动的实施把控更加准确，在线测试与应用设计作业起到了巩固已学知识，加强实践能力锻炼与评测学生成绩的作用。翻转课堂对学生学习能力与实践能力的提升也使学生获得了更多的成就感与自信心，如很多同学在课程学习的同时就应用Matlab积极参加学校数学建模比赛。

2015级通信工程专业4个班级，共计93人选修，考核成绩优良率占60%，与2014级课程教学相比，成绩有所提高，更重要的是增加了更多的课程教学内容，课程考核更加全面，客观、灵活。从实际教学效果看，Matlab仿真技术课程采用翻转课堂教学模式，调动了学生学习积极性，培养了学生独立学习与合作探究能力，提高了学生的实践创新能力，取得了预期的良好教学效果。