翻转课堂在“Matlab与通信系统仿真”教学中的实践

张 昱， 彭 宏， 卢为党

(浙江工业大学 信息工程学院， 浙江 杭州 310023)

0 引言

“Matlab与通信系统仿真”是我校通信工程专业的一门专业选修课，是在“通信原理”等理论课程的基础上，重点传授使用Matlab软件仿真分析通信系统模块性能的专业技能。

Matlab软件教学是通信工程本科培养中非常重要的一环。Matlab本身提供了数据分析以及数值计算的高级技术计算语言以及可视化交互式环境，其具有编程语言及语法简单直观、绘图简便、矩阵及数组运算高效等优点。此外，Matlab具有丰富的函数库，包括矩阵运算、信号处理、绘图等，以及丰富的数学优化函数和工具箱。对于通信工程专业教学，Matlab在“通信原理”、“信号与系统”、“数字信号处理”等课程中可以作为有效的教学辅助工具[1][2]。此外，它也是对于电子信息类本科毕业设计以及研究生阶段科研工作的常用科学工具。

目前，我校“Matlab与通信系统仿真”课程教学主要由教师为主体的课堂教学环节以及学生实验环节构成。由于该课程课堂教学环节课时有限，而以教师讲授为主的教学模式不利于激发学生学习兴趣以及培养其独立思考能力，因此部分学生经过课堂教学环节后对于仿真思路掌握仍不够充分，继而影响实验环节教学，最终导致整体教学效果不够理想。翻转课堂教学理念是在教学过程中“以学生为中心”，将部分学习任务放在课前，课内注重知识内化，其相较于传统教学方法，更有利于引导学生主动学习[3]。国内高校电子信息类专业课程的实施案例表明其能够有效提升教学效果[4]～[7]。

本文分析了“Matlab与通信系统仿真”课程教学现状，在此基础上，详细阐述了基于翻转课堂的教学模式构建与具体实施过程。学生期末成绩分布以及学生问卷反馈表明，翻转课堂应用于本课程教学获得了较好的教学效果。

1 “Matlab与通信系统仿真”教学现状分析

“Matlab与通信系统仿真”课程属于软件工具教学课程，针对我校通信工程大三学生开设。在专业培养方案中为32学时，其中课堂以及实验教学环节各16学时相互交替。因此，该课程的课堂教学时间是非常有限的。需要注意的是，教师不仅仅需要讲授Matlab的基本编程语言和语法，更重要的是培养学生使用Matlab来进行通信系统仿真的思路，这就要求将Matlab编程知识与通信工程专业知识教授有机结合，对课堂教学提出了很高的要求。以往该课程的教学模式是在课堂教学阶段教师根据上次实验学生报告情况讲解实验普遍疑点和困难点，再向学生讲授Matlab编程语言、语法、基础专业知识以及系统仿真实例，在实验教学中由学生上机编程，教师指导。然而，笔者在教学过程中发现，该教学模式依然存在着一些问题。

“Matlab与通信系统仿真”课程的目的是让学生掌握Matlab编程语言，培养基本的通信系统仿真能力，前置课程是“通信原理”、“信号与系统”、“数字信号处理”等通信专业类课程。通过总结往年的授课过程，笔者发现由于学生在大一、大二学习过基础编程语言类课程，都具备一定的C以及C++编程语言基础，在理解Matlab编程语言和语法方面并没有太大问题。然而由于学生对于通信原理、信号与系统的知识概念及原理理解层次不齐，或已经有所遗忘，因此教师在课堂教学环节不仅需要讲解Matlab的编程语言，还需要讲解通信系统相关概念与原理，这样反而压缩了通信系统仿真实例讲解的时间，也使得学生课堂参与讨论的时间非常有限，而这一部分内容是学生掌握Matlab仿真的关键环节。另一方面，大部分时间由教师单向讲授编程实例的讲课模式，不利于激发学生学习兴趣，部分学生课堂参与度不高，教学效果打折扣。在实验环节中，由于部分学生课堂学习效果不佳、没有课后消化，对仿真思路理解不到位，也有部分学生反映“上课能听懂，自己动手仿真却没有思路”，经常出现课内无法完成实验的情况。因此，最终教学效果不够理想。

从上述教学现状可以看出，“Matlab与通信系统仿真”课程中Matlab基本编程语言、语法知识部分对于有一定编程基础的学生来说是可以较为轻松地独立学习的，另一方面，通信系统仿真所需要的通信工程专业知识本不应该在课堂上讲解，而应该在课前由学生根据自身情况回顾、查漏补缺。在课堂环节应该注重的是使用Matlab软件进行通信系统仿真的思路培养与知识内化。比较好的方式应该是学生研讨与教师讲授相结合，这样可以有效调动学生的学习兴趣和主观能动性，培养学生独立思考的能力，更好地掌握仿真编程思路。由此看来，翻转课堂模式非常适合Matlab课程的教学。Matlab中的编程语法基础以及系统仿真中相应的前置专业知识点可以由学生在课前学习，在课堂教学中可以主要侧重仿真实例研讨，通过学生报告、研讨，教师讲授、答疑等方式进行。因此可以有效提升课堂教学效率。

2 基于翻转课堂的教学模式构建与实施

基于翻转课堂理念的“Matlab与通信系统仿真”课程教学模式如图1所示，主要分为三个教学模块。

(1)课前学习：教师根据授课内容以及学生前置课程基础，准备课前学习资料，包括相应知识点微视频、配套学习资料等；学生预先学习课前资料完成任务；教师根据学生提交的课前学习成果调整课堂授课研讨内容。

(2)课堂及实验教学：教师引导、组织学生汇报、讨论课前学习成果、前一次课内实验以及进行本次课仿真实例讲解和研讨。在实验教学中，布置实验内容，指导学生实验。

图1 “Matlab与通信系统仿真”课程教学模式

(3)课后反馈以及考核评价：教师根据学生实验完成情况、实验报告、问题以及反馈等调整课程内容。根据翻转课堂教学模式建立课程考核评价体系。

在整个课程学习过程中，学生以学习小组的形式进行学习，一般小组成员为2-3人，由学生自行分组。学习小组有利于基础不一的学生之间互相讨论、帮助和督促。

2.1 课前学习环节

课前学习环节中，教师首先需要根据本次课教学内容设计课前学习内容，一般包括两部分：一是下次课所使用到的Matlab编程语法和函数用法知识点，这一部分内容一般集中在整个课程的前半段，课程后半段由于学生对Matlab已经比较熟悉，这一部分可以缩减；第二部分为下次课仿真实例所需要的专业背景知识点，主要为本课程前置专业基础课知识，比如对于通信系统的基带信号仿真这一课程内容，需要的知识点即为“OOK，2FSK，2PSK的调制与相干解调原理”。需要注意，专业背景知识点不需要特别详细，只需要起到“提纲”作用，让学生明了下次课所需知识点，根据自己掌握情况，查漏补缺。

上述学习内容设计参考国内外优秀的Matlab编程基础教材以及通信系统Matlab仿真教材，比如“Matlab programming”、“现代通信系统(Matlab版)”、“通信原理基于Matlab的计算机仿真”等。教师制作并发布供多种形式的课前学习资料，包括录制微视频(课件录屏)、准备课件以及文档。考虑到学生课前学习时间不宜过长，录制的每个短视频在10分钟左右。课前学习资料通过课程微信群以及校内超星线上平台发布，便于学生取用学习。

为了督促学生切实地完成课前学习，教师还需要布置课前学习小课题，要求学生在课前完成并提交课题成果，包括文档、仿真代码等，并在课堂环节进行小组汇报。要求完成的学习任务一般为Matlab报告、课前学习报告中出现的共性问题、以及当前课堂汇报的内容(包括专业知识点、仿真代码)进行提问、答疑等交互，以达到引导各组学生讨论，纠正学生知识理解错误，以及启发学生仿真编程思路的作用。学生报告以小组的形式展开，原则上每位组员都要上台就某一点作报告，这样可以起到督促每位同学认真准备汇报，理解课堂以及实验内容的作用，避免了组员不参与汇报“浑水摸鱼”的情况。这一阶段控制在20分钟左右。

2.2 课堂及实验教学

之后进入第二阶段，由教师对本次课堂教学主要内容以两到三个Matlab仿真实例的形式进行讲解，组织各组学生学习与研讨。例如可以对于仿真思路，课件上的部分代码解释等进行提问和小组讨论。经过课前学习以及第一个环节，学生应该对本次课程内容有一定的基础和理解，可以研讨较为复杂的仿真实例。仿真实例从国内外优秀教材中选取或改进，便于学生理解和强化相专业关知识点以及Matlab通信系统仿真的思路。例如对于第二讲“信号与线性系统”，选取的仿真实例为“正反傅里叶变换的Matlab实现”以及“信号通过带通系统仿真”。可以看出图2中的课前学习对于帮助学生学习上述仿真实例是很有帮助的。

实验环节的学生实验内容一般从课堂教学环节的仿真实例出发，在原理、系统、仿真代码上有一定变化或进一步加深。此外，每次实验会布置具有拓展性、挑战性的额外仿真任务，包括当前通信专业前沿研究方向，供基础较好的学习小组完成。以此达到训练学生Matlab编程能力，培养编程仿真思路的目的，同时，对于基础不同的学习小组，也能有所区分。

2.3 学生反馈和课程考核评价

课后教师根据学生的课前学习报告、课堂汇报、实验报告等，分析学生对知识点和仿真思路掌握情况，据此调整之后的教学内容。此外，利用微信群、线上教学平台等可以随时与学生讨论、答疑，收集学生的反馈意见，实时改进教学。在学期末，教师设计教学效果问卷，让学生填写后，收集问卷，分析教学模式效果，进一步修正、完善教学模式。

图2 校内线上教学平台课前学习页面

另一方面，由于学生在课前学习上花费了精力，也为了督促、鼓励学生进行课前学习，传统教学模式中仅仅基于学生课堂表现、实验表现以及期末上机考察的评价体系不再适用，需要对学生课前学习成果亦进行评价。在翻转课堂教学模式下课程考核评价体系如表1所示。平时成绩分为课前学习、课堂表现以及实验表现，对于学生提交的课前学习成果、课堂小组汇报及讨论、实验报告进行评价，适当降低期末上机考察的分数比重，体现过程性考核理念。

表1 “Matlab与通信系统仿真”总评成绩构成

3 实施效果

笔者于2018/19学年第二学期对于“Matlab与通信系统仿真”课程的一个教学班(通信工程16级)实施了上述基于翻转课堂的教学模式，其实施效果如下。

3.1 学习成绩分析

图3展示了采用本教学模式的学生期末上机考察成绩分布与上一学年教学班的对比图。从图中可以看出，表现优秀以及良好的学生数高于上一学年，而表现一般以及上机考察未通过的学生数低于上一学年，反映了本文教学模式的实施有利于学生掌握仿真编程思路和方法。

图3 期末上机成绩对比

3.2 学生反馈分析

笔者在期末采用问卷星向学生发放线上问卷，统计学生对于各教学环节对学习帮助程度的看法，以此分析教学效果。问卷结果如表2所示。

从问卷结果可以看出，学生总体对翻转课堂教学模式较为满意，认为对本课程的学习有所帮助。这里值得注意的是对于第三项“由学生讲解课前作业与实验结果”，学生认为对其学习帮助程度明显低于其他教学环节，但是结合第二项“课前准备课堂汇报”统计结果来看，课前准备课堂汇报能很好地督促学生课前学习，但课堂汇报环节教学效果还不够理想，原因是轮到基础较差学习小组的课堂汇报时，由于小组成员知识理解、仿真思路掌握不到位，对其他同学帮助不大。针对这类情况，应该由教师更多地参与讲解、答疑等，或鼓励其他学习小组补充汇报，相信能提升该环节教学效果。

表2 教学效果问卷调查统计表

4 结语

本文讨论了“Matlab与通信系统仿真”课程教学现状，提出了将翻转课堂模式应用于该课程教学中的教学模式。(张 昱等文)

从实施效果来看，翻转课堂有利于调动学生积极性，提升课堂教学环节效率，能更有效地培养学生编程仿真思路。本文可以为其他编程仿真类课程翻转课堂教学模式设计和实施提供很好的借鉴。