理工类实验课程线上教学的改革与实践——以“信号与系统实验”为例＊

孙雅芃，李玉杰

（南开大学滨海学院，天津 300270）

2020 年初，突如其来的新型冠状病毒肺炎疫情给中国高等教育带来了空前的影响。教育部发布了《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，在“停课不停教、停课不停学”的号召下，全国高校在极短时间内从线下教学变道切入到线上教学[1-2]。这次全面线上教学既是对中国高等教育互联网+教育改革成果的一次全面大检阅，更为今后线上教学改革继续深入奠定了丰富的实践基础和思想观念基础[3-4]。

在各类课程中，高校理工类实验课程是特殊的存在。与理论课程不同，实验课程现有慕课资源少，且课程专业性强、内容范围广、探索性强、实践性强[5-7]。如何在保证教学效果的基础上，完成传统观念中不适于线上教学的实验课程，是对每位实验教师的考验。本文以“信号与系统实验”为例，对理工类实验课程线上教学进行改革，并应用到实际教学过程中。实践表明，改革后学生课堂参与度明显提高，师生互动明显增强，学生的各项能力得到了提升，取得了良好的教学效果。

1 课程介绍

“信号与系统实验”是电子信息类、自动化类、电气类等专业的核心课程，是“信号与系统”的配套实验课，也是“通信原理”“数字信号处理”的先导课程。该课程具有较强的实践性，知识点多、新概念多、难度大。传统的实验课程授课模式为线下授课+实验操作，但在疫情的影响下，与理论课相比，线上实验课教学更容易受空间、时间以及资源设备等方面的影响。为保证线上教学质量，教学团队以现代信息化手段服务教育教学全过程作为教学改革的理念[8]，借助云班课、钉钉直播、Multisim 仿真平台完成授课。从课前导学、课中实践、课后拓展、评价方式4 个方面进行改革，提高学生的课堂参与度，从而促进教学效率与效果的提升。传统实验授课模式与智慧教学新型课程模式对比如图1 所示。

图1 传统实验授课模式与智慧教学新型课程模式对比

2 课程设计

2.1 数字化资源+仿真平台，打造智慧教学新型课程

理工类实验课线上教学难点主要有以下2 个：现有资源少，需教师重新建立完备的教学资源；课程实践性强，应选用合适的仿真平台。

云班课是一款智慧教学助手APP，教师可根据需求建立班课，管理学生、分享资源、布置批改作业、组织讨论答疑、开展教学互动。借助云班课，教学团队完整搭建了数字化教学资源，包括课程教材、教学视频（理论讲解与仿真演示）、电子课件、拓展资料、课后思考等内容。

Multisim 是美国国家仪器（NⅠ）有限公司推出的仿真工具，适用于模拟/数字电路板的设计，它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力[9]。借助Multisim 软件可搭建与线下实验类似的仿真环境。教学团队共搭建了8个模块供教学使用，分别为常用信号分类与观察、连续时间系统的模拟、无失真传输系统、信号的分解及合成、抽样定理与信号恢复、有源/无源滤波器、信号的调制解调、FDM 频分复用。在实际教学中，8 个模块分6 次课程完成。“信号与系统实验”部分数字化教学资源如图2 所示。

图2 “信号与系统实验”部分数字化教学资源展示

2.2 改革教学过程，从“师生互动”到“生生互动”

教学团队以云班课教学平台为依托，借助钉钉直播，打造互联网+课程的新型教学模式，从课前导学、课中实践、课后拓展3 个阶段进行“全在线”的教学改革，以学生为主、教师为辅的方式，引导并监督学生完成学习任务，并对学生进行个性化教学，课程流程如图3 所示。

图3 智慧教学新型课程下的“信号与系统实验“课程流程

课前导学环节：根据“信号与系统实验”教学进度安排，课前1 d 通过云班课平台向学生推送教学资源，并设立相关教学任务点，要求学生登录云班课完成自学任务，并获取相应任务点。通过课前导学环节，帮助学生回忆相关知识点，方便课堂教学。

课中实践环节：线上采用钉钉直播进行授课，设置签到环节。根据课前导学环节了解学生的学习进度和掌握的知识点情况，教师通过直播，讲解本次实验所需的理论知识，并进行实验仿真演示，提出实验要求。同时，将教学资源包通过云班课平台推送给学生，方便学生进行回看。课后，学生开始自主进行实验仿真。鼓励学生将实验过程中遇到的问题发布到云班课群中，教师引导学生进行研讨，从传统的“师生互动”过渡到学生参与感更强的“生生互动”。在直播过程中，为保证教学质量，教师会分2 次连麦学生，检验学生的学习进度。第1 次连麦主要考察学生搭建的仿真电路，第2 次连麦则要求学生展示仿真结果，并进行分析。在连麦过程中，教师会对每位学生的仿真电路提出个性化问题，如果仿真有错误，教师也会及时给予指正。这种因材施教的方式极大程度提高了学生的学习效果，也充分调动了学生主动探究问题的积极性。

课后拓展环节：课后，学生整理实验内容，并按要求完成实验报告。教师则利用云班课平台对学生完成的实验报告进行评阅。

2.3 完善评价体系，促进学生发展

根据“信号与系统实验”线上教学的特点，教学团队建立了多方位、多角度、全过程式的考核方式，注重对学生综合能力的考核。设置了评分标准，使考核评价环节更客观。

考核评价分为4 部分：考勤签到、任务点学习、课堂互动、实验报告、期末考试所占权重分别为10%、10%、30%、30%、20%。其中，考勤签到和任务点学习成绩由云班课平台自动导出，课堂互动、实验报告按次计分，评分标准分别如表1、表2 所示。期末考试分小组进行，开考后教师发布题目并开启直播，学生按完成顺序依次单独与教师连麦，教师检查学生实验完成情况并提问。考试结束后，学生提交相应的实验报告。教师根据学生实验速度、提问回答情况和实验报告情况给予综合评定，评分标准与表1、表2相同。

表1 课堂互动评分标准

表2 实验报告评分标准

3 改革成果

相较于传统的教学模式，线上教学时教师能快速对学生的问题进行解答，使学生的注意力更集中，也更容易参与到讨论中。连麦检测实验成果、课堂研讨都以学生为主体，大大提高了学生的学习兴趣，提高了学生分析问题和解决问题的能力。

同时，进行教学改革后，过程性学习效果明显增强，一方面，课堂上学生的参与度高，强化了学生对知识点的掌握，提高了学生的实践能力；另一方面，评价方式更注重过程考核，这也对学生的学习起到了监督、促进作用。

4 总结

本文以“信号与系统实验”为例，讨论了理工类实验课程线上教学的方法。基于钉钉直播、云班课与Multisim 仿真软件，建立集网络课堂与数字化资源为一体的智慧教学新型课程，并根据线上教学的特点，改革教学过程与评价方式，将授课重点由“是什么”转移到了“为什么”。改进传统单向灌输、验证为主的教学方式，采用线上教学法、任务引领式教学法，鼓励学生进行问题研讨，从师生互动到生生互动，从而提高学生分析问题和解决问题的能力，具有良好的实践意义。