“通信原理”差异化翻转教学探索与实践

郭一珺， 张志龙， 杨鸿文， 桑 林

(北京邮电大学 信息与通信工程学院，北京 100876)

0 引言

课程学习是高校学生在校的主要任务之一，因此课程教学质量是决定高校教育质量的核心要素。国家近两年对课程改革和建设的重视程度逐年提高，教育部高教司吴岩司长在题为《严起来，难起来，实起来，忙起来，把本科教育质量实实在在提起来》的报告中指出：“要精准把握高等教育发展大势，超前识变、积极应变、主动求变，学校要狠抓教学改革，把本科教育质量实实在在提起来！”

“通信原理”课程是电子信息类专业的核心必修课程，为“移动通信”、“宽带通信”等后续专业课程的学习，通信技术人才的培养奠定理论基础。从该课程的先修课程“概率论与随机过程”、“信号与系统”等来看，其对数学基础要求较高，具有知识点繁杂、理论性强、公式推导多、基本原理抽象等特点[1]，对学生学习和教师教学均有较高的要求。

翻转课堂是一种新型教学模式，学生在课前完成知识的自主学习，在课堂上完成知识的内化[2]。翻转课堂将传统的课堂教学结构翻转过来，重新调整课堂内外的时间，把学习的决定权从教师转移给学生。一方面能够充分发挥学生在学习过程中的主观能动性，将“被动学习”变为“主动学习”，提高学习效果；另一方面其课下学习、课堂讨论等环节也有望解决群体教育与个体差异之间的矛盾。目前，许多高校已经开展了引入翻转课堂的尝试，在结合资源上，提出了基于慕课、微课、雨课堂等方式的翻转手段[3,4]，在课堂环节上，则有提问抢答、小组讨论、随堂测验等诸多方式[5,6]。

1 问题和痛点分析

在“通信原理”课程的教学过程中遇到的一个重要问题是，学生的学习基础存在较大的差异性，而“通信原理”课程内容环环相扣，学习效果与学习基础密切相关，以教师讲授为主的“一统式”、“填鸭式”等传统教学模式往往起不到好的效果。分析其主要原因有二：

(1)难以兼顾不同层次的学生：提高授课深度，基础较弱的学生容易感到困难，失去学习兴趣；降低授课难度，基础较好的学生则会收获不足；

(2)师生互动少：学生始终处于被动接受信息的状态，并未充分发挥积极思考与深入探索求知的主观能动性，学习兴趣也未得到充分调动，导致对所学知识的理解深度和广度不足[7]。

考虑到翻转课堂在应对学生个体差异、提高学习积极性方面的显著优势，我们尝试将翻转课堂引入“通信原理”课程的教学中，探索能解决上述问题的差异化教学方法。实际上，一个好的翻转课堂设计应与课程特点和学生特点紧密契合。例如，思政类、美育类课程侧重于培养学生的综合思维、口头表达等能力，其翻转课堂环节一般设计为针对开放式问题的小组讨论形式[8]。而“通信原理”课程的特点是公式推导多、逻辑性强，侧重于培养学生的数学建模、理论分析能力，口头的小组讨论容易浅尝辄止，导致翻转课堂流于形式，无法起到预期的教学效果。这一问题在其它理论性强、学习难度大的专业课程教学中也均存在，因此，对于此类课程进一步探索合适的翻转课堂模式是十分必要的。

2 教学改革目标

针对传统教学模式存在的无法应对学生差异性、学生学习积极性差等问题，引入翻转课堂，通过翻转环节设计，实现差异化教学：①对基础较弱的学生，降低参与门槛，提高学习兴趣；②对学有余力的学生，挖掘其自主学习能力，提高挑战度；最终让不同层次的学生都能获得较好的学习效果。在“通信原理”课程学习上，激发学生学习积极性，提高整体优良率；从长远“立德树人”角度，培养学生学习的主动性和创新理念。

3 翻转教学设计与实施

我们针对通信工程专业2016级学生进行了翻转教学尝试，课程共计64学时，覆盖学生106人。翻转课程的方案设计是影响翻转教学效果的关键因素，将会直接影响学生知识内化的质量水平。结合本轮次教学的课程和学生特点，对翻转教学的设计要求分析如下：

(1)“好”、“坏”学生之间在学习基础上的差异较大，因此翻转教学应能区分不同层次学生，即对不同层次学生有不同的难度要求；

(2)课程的公式推导多，理论难度大，因此翻转教学应能监督学生自主学习的理论深度；

(3)学生总人数多，因此翻转教学的课堂环节应具有良好的时间效率。

基于上述考虑，我们将翻转教学设计为“学生上讲台”的形式：将学生分为“小老师”和“讨论者”两个角色，其中“小老师”需要在课堂上向全体学生讲授指定知识点，这一角色不但要求学生能通过自主学习理解相应知识点，还要求能有条理地表达出来，挑战度较高，主要面向基础好、能力强的学生；“讨论者”需对“小老师”讲授的内容提出疑问并展开讨论，适合大多数基础和能力适中的学生。下面从前期准备、翻转环节设计、评价与激励机制、效果分析对比这四个方面对我们的翻转课堂教学案例展开详细阐述。

3.1 前期准备

在正式开展翻转教学前，需要进行的前期准备工作如图1所示，主要包括：老师准备自主学习资源、选择合适的翻转教学内容、有针对性地设计自主学习任务单，学生结合自身特点和兴趣自主报名翻转教学中的不同角色。

图1 前期准备工作

1)自主学习资源

自主学习资源是翻转教学的重要基础，首先应和课程内容紧密结合，且具备良好的可读性，让学生能够通过对资源的自主学习达到教学大纲的基本要求；其次还应具备一定的扩展性，能够引导学生进行更深层次的思考。基于上述考虑，我们采用的自主学习资源为：①MOOC：课程组建设的“通信原理”MOOC已在学堂在线和中国大学MOOC两大慕课平台上线数轮，并于2018年被评为国家精品在线课程；②网络教学资料：授课教师日常积累的关于课程内容的理解和扩展资料。

2)翻转内容和数量

在学期正式开始前，按照教学大纲提前做好教学计划，从大纲中选择数量适中、内容适当的知识点用于翻转课堂。在内容方面，我们侧重于选择信息量适中、内容相对独立、不太依赖于知识积累和行业经验的知识点，使得学生通过对指定教学资源的自主学习，辅助一定的网络信息搜索，能够基本掌握该知识点，例如：数字PAM信号的功率谱密度分析、AWGN信道下利用匹配滤波器接收的误码率分析等。

在数量方面，传统课堂教学虽然存在诸多问题，但因其授课效率高、逻辑连贯性强等优势仍然是大班授课的主流方式。翻转教学虽因其开放性能有效提高学生学习的积极性，但也存在时间效率低等不足之处，应将其作为对传统课堂教学的辅助，穿插其中。次数过少，覆盖面不够，效果不明显；次数过多，将会打乱总体授课计划，起到反面作用。综合上述考虑，我们一共选择了12个知识点，占全部教学内容的20%左右。

3)任务单和随堂测验

对于选定的知识点，授课教师有针对性地准备自主学习任务单和随堂测验题。其中，任务单设计成任务点和问题的形式，用于为学生提供方向性指导，让学生在自主学习时有明确的目标；随堂测验题用于掌握学生对知识点的学习情况，对于每个知识点，我们都从了解基本概念、掌握相关计算、能够灵活运用这三个层次准备了3-5道测验题。

4)学生自主分组报名

翻转教学中的“小老师”角色需针对指定知识点自行准备授课资料并在课堂上向全体学生讲授，挑战度高，设计为1-2人一组，由学生自行组队报名；剩余学生均是“讨论者”。需要指出的是，为了保障“小老师”角色由合适的人选担任，我们采用了分数激励和质量控制两方面手段。其中分数激励是在总评中分出一部分作为担任“小老师”的奖励，从而能鼓励有能力的学生积极报名。质量控制是对“小老师”的讲授提出一些具体要求，例如深入理解、清晰讲述、结合实际等，并建立有效的讲授效果反馈机制，即任课老师会对每个“小老师”的讲授效果打分并纳入总评，从而避免一些学生单纯为了分数报名而草草应对的情况发生。

最终的报名情况是：参与授课的“小老师”20余人，占总人数约20%，参与提问和讨论的“讨论者”80余人，占总人数约80%。

3.2 翻转环节设计

翻转教学环节和流程如图2所示。

图2 翻转教学环节和流程

1)课前

授课教师提前2周左右发给学生自主学习任务单，全体学生基于该任务单进行课前自主学习，其中担任“小老师”角色的学生需进一步针对相应知识点准备授课资料，担任“讨论者”角色的学生则需记录自己在学习过程中遇到的疑惑和问题。

2)课中

首先由“小老师”对指定知识点进行讲授，讲授形式多样，可以是板书推导、PPT动画、笔记分享等；讲授完毕后，“讨论者”结合自身自主学习情况和听课过程中的理解，对“小老师”讲授的内容提出问题并展开讨论，此环节授课老师也参与其中；讨论完毕后，授课老师根据学生讲授和讨论的情况，对该知识点的相关内容查缺补漏，概括总结；最后，进行10-20分钟针对该知识点的随堂测验，利用雨课堂教学工具获取学生的得分率和错误详情，准确了解学生对于该知识点的掌握程度。

3)课后

授课教师通过交流了解学生关于该次翻转教学的感受，并结合该次翻转实践过程提出下次的改进建议；学生则对所学知识点进行复习和巩固。

3.3 评价与激励机制

总评结构的确定主要基于以下两方面考虑：

(1)对不同层次学生均能有效激励：相比于传统教学模式，翻转教学需要学生额外投入许多时间和精力。学生自身对学习的兴趣是驱动上述投入的重要因素，在总评成绩中对学生的投入给予体现也能有效激发学生参与翻转课堂的积极性。此外，总评结构的设定还需兼顾学生差异性，在激励高水平学生参与挑战的同时，也照顾到基础和能力较弱的学生，不让他们望而却步。

(2)能够客观反映学生学习效果：“通信原理”在我校属于重要的专业必修课，是保研、考研时评价学生学习能力的一个重要维度。因此，总评结构中平时成绩占比不宜过高，否则容易出现过程替代结果的现象，导致总评成绩趋于统一，无法起到合理评价和区分学生学习水平的效果。

综上所述，我们的评价和激励机制设计如图3所示。总评由学习过程考核和学习效果考核两部分构成。

图3 总评成绩结构和激励手段

过程考核占20%，其中7%是线上学习评价，主要来自学生在MOOC平台进行自主学习的相关数据，能够反映翻转教学环节中课前自主学习的情况；7%是课堂学习评价，主要来自学生课堂讨论和测验的相关数据，能够反映翻转教学环节中课堂吸收内化情况；剩余的6%来自课后习题或报名翻转课堂“小老师”，学生可以二选一，这部分主要是针对“通信原理”课程理论性强的特点，反映学生的理论分析能力。此外，为了鼓励学生积极报名“小老师”，我们还额外增设了最高占总评5%的奖励分。上述过程考核办法全面覆盖了学生线上、线下的学习情况，并有效监督了翻转教学的所有环节。此外，对于基础好、能力强的同学，也可激励他们挑战更高难度，从而获得差异化教学的效果。

效果考核占80%，由期中成绩40%和期末成绩40%组成。期中考试、期末考试覆盖了大纲里的所有知识点，均为闭卷考试，且考教分离、全年级流水阅卷，能客观、有效地反映学生的学习效果。

3.4 效果分析对比

为了检验翻转教学的效果，我们首先对同一授课教师引入翻转教学前后学生的期中、期末成绩分布进行了纵向对比，结果如图4所示，其中18-19学年为未采用翻转教学的传统授课，19-20学年为本文中阐述的翻转教学授课，两个轮次的学生专业相同。由于本课程前三章节内容主要是信号与系统、随机过程的相关数学基础，因此，我们进行翻转教学的12个知识点主要集中在教学大纲的中后段。图4中两轮次授课在期中成绩上的差异反映了学生自身的差异性，可以看出，19-20学年学生在基础和能力上稍弱于18-19学年学生。但随着19-20学年翻转教学的开展，在期末成绩的分布上，19-20学年学生的优秀率达到33.5%，显著高于18-19学年学生15%的优秀率。该结果有力地证明了引入翻转教学对教学效果的提升。

图4 纵向对比：同一教师采用翻转教学前后的授课效果

其次，我们对19-20学年采用翻转教学的班级(简称实验班)和采用传统教学的班级(简称对照班)的期末成绩进行了横向比较，实验班和对照班的学生来源相同，结果如图5所示。

可以看出，实验班的优良率显著高于只采用传统教学的对照班。(郭一珺等文)

图5 横向对比：同一轮次实验班与普通班的期末成绩比较

4 结语

本文面向理论性强、公式推导多的专业基础课，针对基础和能力存在较大差异的学生群体，提出了一种合理可行的翻转教学实践方案。实践结果表明，所提翻转教学方案提高了学生的学习参与度和主动性，获得了显著优于传统教学的授课效果。一方面，所设计的课前学习指引环节和课后交流反馈环节，使所提方案既能了解不同学生的学习程度和个性，又能调动不同层次学生参与学习的积极性，从而获得良好的差异化教学效果；另一方面，通过对课堂中不同翻转角色的设计，所提方案既能尊重个人选择，又能鼓励个性发展，达到不拘一格培养人才的最终目的。

本文对差异化翻转教学进行了初步探索，所提翻转教学方案对课程和学生特点相似的其他专业课程具有借鉴作用，未来我们将向着更精准的差异化和智能化教学继续努力。