翻轉課堂在Matlab仿真技術教學中的設計與實踐

喬世坤， 朱 莉， 董光輝

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

0 引 言

實踐教學是高等教育本科生培養的重要組成部分，是培養創新精神與實踐能力的重要環節[1]，各高校都在不斷改革、加強并完善實踐教學建設，如加大實踐環節的比重、實施創新學分、改革實踐教學的考核方式等[1-2]。

我校通信工程專業人才培養方案基于工程實踐能力培養的要求，將Matlab仿真技術課程設置為獨立實驗課程，目的是加強實踐環節，使學生高效、快速地掌握Matlab仿真技術，培養學生的實踐能力，并為后續課程的學習奠定基礎。自翻轉課堂教學模式傳入我國，倍受高校教師的關注，國內很多高校進行了基于此模式的教學研究，取得了良好的教學效果[2-8]。Matlab仿真技術課程引入翻轉課堂教學模式的幾點考慮。

(1) Matlab仿真技術課程的教學目標需要翻轉課堂教學模式。為加強實踐能力培養，本專業人才培養方案對Matlab仿真技術課程進行了調整，設置為獨立實驗課程，由32學時理論+16學時實驗調整為32學時實驗的學時安排。按傳統的教學模式組織實驗教學，先講解后實驗，講解深入透徹占用學時必然多，留給學生完成實驗時間就少，背離了強化實驗教學的初衷，反之，理論講解太少，學生對教學內容很難理解到位，教學效果也不理想。為了學生有更多時間進行實踐，并鍛煉獨立思考解決問題的能力，翻轉課堂教學模式提供了很好的解決辦法。

(2) Matlab仿真技術課程的教學內容適用于翻轉課堂教學模式。Matlab仿真技術課程雖然教學內容知識點多，但可以劃分為多個教學模塊，易于實現知識碎片化，且可實現漸進式教學安排，適于學生課下在寬松的學習環境下按自己喜歡的方式進行教學內容的學習。同時，Matlab獨特的程序設計技巧、Simulink仿真模型的復雜設置、Matlab/Simulink靈活多樣的仿真應用等，具有一定的難度，學生在課程學習過程中離不開教師的指導與解惑。這需要學生的自主學習與教師的講解有效地結合，切實適用翻轉課堂教學模式。

(3) 實現個性化學習與培養獨立學習能力需要翻轉課堂教學模式[8]。學生不同的知識水平，不同的發展方向，對課程學習有著不同的要求，翻轉課堂教學模式可實現因材施教的教學要求，強調的是個性化學習與個性化指導。科技進步日新月異，課堂知識的學習不是最終目的，培養學生獨立解決問題的實踐能力是關鍵，翻轉課堂教學模式倡導自主學習和自主探究，這些有助于學生獨立學習能力與實踐創新能力的培養[3]。

(4) 現有教學條件滿足翻轉課堂教學模式要求。本校已建設網絡教學平臺，視頻課件制作設備齊全，教學終端數量充實，具備實施翻轉課堂的硬件條件。

1 教學設計

翻轉課堂教學模式是對傳統的課堂教學內容進行翻轉，學生個體在課前進行自主學習，節省下的課堂教學時間學生進行個性化學習，指導老師進行個性化指導，學生在課堂上完成知識的內化[10-13]。

我國教育技術專家何克抗教授提出“主導—主體”教學理念，強調教師是學習的主導者，學生是學習的主體[14-15]。翻轉課堂教學模式對教師提出了比傳統教學模式更高的要求，教師要根據所教授課程的目的、性質、特點，學生的知識水平、接受能力等諸多因素進行課程教學的系統級設計，統籌全局，對整個課程的教學實施進行整體規劃，教師在翻轉課程中的作用更加重要[14-15]。現對Matlab仿真技術課程教學進行如下分析設計。

1.1 課前準備與任務設計

教師根據教學目標，合理布置學生的課前自主學習內容[11]，學生進行自主學習。

(1) 在課堂教學前，教師要搜集、篩選、組織、制作、整理學習資源，包括視頻，PPT、文檔、例程等，在學校網絡教學平臺上進行Matlab仿真技術課程建設，見圖1。其中最重要的是制作高質量的授課視頻，筆者認為學生利用視頻進行Matlab仿真技術課前自主學習是最適宜的，Matlab軟件講解與演示操作的視頻克服了傳統視頻過多無關信息的干擾，使學生更容易專注學習內容。

圖1 網絡教學平臺上“Matlab仿真技術”課程建設

(2) 教師布置課前學習任務時，要體現個性化與層次性要求。學生的學習主動性，自主學習能力，自我控制能力各不相同，不能一概而論，設計滿足不同學習要求的課前學習任務，有必學、選學內容之分，內容安排由易到難，循序漸進地引導學生完成學習內容。

(3) 教師依據具體學習任務決定是否要求學生完成課前小測試。小測試宜易不宜難，滿足學生的成就感與自信心，學生提交后，教師及時批閱課前小測試，掌握學生的自主學習情況。

(4) 學生根據自己的學習習慣、知識水平，選擇最適合最喜歡的學習方法進行自主學習，按教師安排完成課前學習任務。

(5) 學生還可以借助網絡教學平臺Matlab仿真技術課程的討論專區、QQ、微信等進行協作學習。

1.2 課堂活動設計

課堂教學是學生知識內化的關鍵環節，學生個性化學習，教師個性化指導。

(1) 在課堂教學中，Matlab仿真技術安排的實驗內容有必做題、選作題、思考題。

(2) 在學習過程中，學生最需要幫助的時候是解決問題過程中遇到困難的時候[14]，學生進行個性化學習，教師則對學生進行個性化指導。

(3) 鼓勵并引導學生獨立完成必做題，對偏難的選作題、擴展性的思考題鼓勵學生交流，展開課堂討論，教師進行必要的指導，對完成效果好的同學或小組進行表揚，調動學生積極性。

(4) 教師依據指導中所觀察到的學習情況，對學生普遍存在的問題、難點、重點進行必要的講解，課前碎片化的學習，更需要老師課堂上幫助疏理知識點之間銜接關系與總結課程內容，翻轉課堂實質是一種混合式教學模式[9、14]，教師要依據實際情況因地置宜，靈活掌握。

(5) 不定期地要求學生隨堂在線以作業的形式提交實驗結果數據，這樣做的目的一方面督促每一位同學都要完成教學內容，杜絕“依賴”情況存在，另一方面也作為成績考核的一部分。

1.3 課后任務設計

課后學生總結學習內容，完成實驗報告，參加在線測試，全部課程結束后還要完成應用設計作業。教師繼續答疑解惑，批改報告、作業，評定測試成績。

(1) 學生對完成的實驗內容進行疏理總結，完成實驗報告，為減輕學生負擔，并使學生更關注實驗內容，實驗報告格式做了調整，將報告設計成類似試卷形式，學生僅僅需要完成實驗數據、結果分析、實驗總結部分，實驗總結要求學生總結學習難點、問題，使教師盡可能多地了解學生學習狀況。

(2) 教師根據Matlab仿真技術教學進度安排在線測試，學生參加在線測試。

(3) Matlab仿真技術課程一項重要的教學目的是掌握Matlab/Simulink應用方法，在課堂教學完成后，要求同學完成應用設計作業，鍛煉學生應用Matlab/Simulink解決實際問題的能力，培養學生自主探究學習的能力與工程實踐能力。

1.4 數據分析與總結

教師對課程實施中的數據進行分析與總結，并不斷改進教學。

(1) 教學過程中，教師要關注匯總學生測試、實驗報告中出現問題，反饋指導學生。

(2) 學校網絡教學平臺能夠生成反映學生自然情況下的自主學習軌跡數據，教師通過數據分析可以了解學生的學習狀態、效率、效果，據此適度合理調整安排教學活動，不斷改進教學方法[10]。

1.5 成績考評設計

教師綜合考核學生成績，對成績的客觀評價能夠對學生的學習動力起到很好的促進作用。

Matlab仿真技術課程對學生解決問題的設計、操作及結果的考評是考核學生學習能力與學習效果的最直接、最客觀的有效辦法，在網絡教學平臺的支持下，開展對考試題目進行設計操作的在線測試。Matlab仿真技術課程依據在線測試、隨堂提交作業、實驗報告質量、應用設計作業、期末考試綜合評定學生成績。

2 教學實施

針對我校2015通信工程專業4個班級進行了Matlab仿真技術課程翻轉課堂建設。課程教學大綱安排了12個實驗項目，其中，Matlab基礎部分實驗項目包括：基礎與入門、程序設計基礎、圖形繪制、數值計算、符號運算、程序設計、Simulink仿真基礎、Simulink仿真應用共8個項目16學時，面向通信工程專業應用實驗項目包括：電子電路仿真(包括數字邏輯電路仿真)、信號與系統仿真、數字信號的產生與基本運算、脈沖編碼調制仿真實驗共4個項目16學時。

2.1 課前學習安排

教師發布課前學習任務，提供給學生學習資料，包括最重要的Matlab仿真技術課程錄屏視頻，為方便學生利用碎片時間學習，每段視頻時間為5～15 min，為保護學生的學習熱情，每堂課總視頻時間不超過40 min，讓學生盡可能高效地完成課前學習[16]。在內容安排上有必學與選學之分，例如：數值計算實驗項目中，Matlab在線性代數中的應用、數據分析與統計、多項式運算等部分都劃分了必學內容與選學內容。

2.2 課堂活動實施

在課堂教學中，對于必做實驗內容部分，鼓勵學生獨立完成，教師進行個性化指導。對于共性難點問題進行必要講解，如常微分方程的數值求解、離散序列運算、PCM脈沖編碼等內容。鼓勵有較高學習要求并學有余地的學生，嘗試完成選做題、思考題，如較復雜的程序設計、數據分析處理、Simulink仿真設計問題，教師要給予關注、指導與鼓勵。

在整個實驗教學過程中，安排了3次要求學生在學校網絡課程平臺上隨堂提交實驗數據及結果，涉及的實驗內容有：數值計算實驗中擬合與插值部分，Simulink仿真應用實驗中連續系統3種仿真模型與Van del Pol方程模型的搭建部分，信號與系統實驗中的線性時不變系統的時域與頻域分析部分，預先并未告訴學生。

2.3 課后任務布置

課后要求學生按時提交實驗報告，參加課程在線測試。教師及時批閱在線測試試卷，批改學生實驗報告，并對測試、實驗報告中出現的問題反饋指導學生改正。

在全部課堂教學完成后，教師布置應用設計作業，提供多個貼近實際應用的小設計題目，如迭代程序設計、回歸問題、數字圖像處理、電路分析、數據統計、動畫制作等，學生自主選擇完成設計題目。

在課程的整個學習過程中，在網絡教學平臺Matlab仿真技術課程的討論專區、QQ、微信上都是師生、學生交流互助學習的平臺。教師與學生在討論專區發起討論問題，促進學習。

2.4 成績綜合考評

在“Matlab仿真技術”課程成績評定中，隨堂提交作業占總評成績10%，在線測試占30%，實驗報告完成質量占20%，應用設計作業占5%，期末筆試占35%，成績占比如圖2所示，全面、公平、客觀地評價了學生的成績。

圖2 課程成績占比圖

在整個實驗教學中，安排3次在線測試，如圖3所示。在完成程序設計基本、繪圖、數值計算等有關Matlab基礎知識的學習后進行第1次在線測試，完成Simulink基礎與應用、符號運算部分內容的學習后安排第2次，完成Matlab/Simulink在通信中應用部分的學習后執行第3次在線測試。

圖3 在線測試安排

3 效果分析

Matlab仿真技術課程采用了翻轉課堂教學模式，從執行的情況看，學生們基本上都能夠完成課前的自主學習，達到了節省課堂時間的目的，課堂上，同學們都能夠積極主動進行實驗，針對實驗內容提出多種多樣的解決問題的方案與方法，實現了個性化的學習，教師則針對不同學生的各種不同指導需求進行答疑解惑，實現了個性化指導。

網絡教學平臺為翻轉課堂的實施提供了條件，教師從網絡平臺上獲取了更好的學習軌跡數據，對教學活動的實施把控更加準確，在線測試與應用設計作業起到了鞏固已學知識，加強實踐能力鍛煉與評測學生成績的作用。翻轉課堂對學生學習能力與實踐能力的提升也使學生獲得了更多的成就感與自信心，如很多同學在課程學習的同時就應用Matlab積極參加學校數學建模比賽。

2015級通信工程專業4個班級，共計93人選修，考核成績優良率占60%，與2014級課程教學相比，成績有所提高，更重要的是增加了更多的課程教學內容，課程考核更加全面，客觀、靈活。從實際教學效果看，Matlab仿真技術課程采用翻轉課堂教學模式，調動了學生學習積極性，培養了學生獨立學習與合作探究能力，提高了學生的實踐創新能力，取得了預期的良好教學效果。

4 結 語

翻轉課堂教學模式在教師掌控全局的主導下，學生由被動接受者變成了主動學習者，體現了學生的主體作用。翻轉課堂所倡導的自主學習與協作探究，符合人類的認知規律，并能夠滿足因材施教，個性化教學培養需要。翻轉課堂為高等教學實踐教學提出了新方式與新思路，值得進一步研究與探討。