工程背景導向反饋型翻轉課堂在信號分析與處理中的應用

趙靜

摘要：針對信號分析與處理課程的特點，本文提出以工程背景為導向，讓學生自己動手編制程序實現某些關鍵知識點，并將其應用于實際信號的處理與分析中。這樣不僅加深了學生對知識點的理解，也提高了他們解決實際問題的能力。同時，教學設計中增加了例題講解、師生互動、多媒體播放、總結陳詞、討論會、辯論賽等多個環節，鼓勵盡可能多的學生參與到課堂教學中來，增加了課堂的趣味性和實用性，解決了學生學習風氣差、上課注意力不集中等問題，提高了課堂的效率。

關鍵詞：翻轉課堂;信號分析;工程背景;實用性

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）12-0097-04

一、翻轉課堂的定義

翻轉課堂將傳統課堂中學生與教師之間教與學的關系進行扭轉，把老師從一味輸出知識的角色中解放出來，采取刺激和調動學生在學習過程中主觀能動性的方式，使學生在學習中能夠以更好地方式去獲得知識、應用知識。通過翻轉課堂這種形式，教學質量才能被從根本上提高，學科知識才能被更好地傳承[1]。

翻轉課堂（Flipped Classroom）[2]重新調整課堂內外的時間，重新定義教學模式，把學習的決定權從老師的手中交到學生手中，讓學生按照自己的學習進度在課余時間自學，然后在課堂上講解，再由教師解決學生的疑問。具體來說就是在課前將各種教學資源提供給學生進行自主學習，在課堂上學生在教師的支持和幫助下將以前需要在課外做的家庭作業在課堂上完成。在該教學模式中，將傳統的課堂直接翻轉到了課前進行，翻轉課堂的核心是它翻轉了傳統的教學活動場地，所以這種教學模式叫做翻轉課堂。這種教育模式下，學生學習更加自由選擇，充分利用時間，把課堂從一個傳授知識的角色變成師生談論問題，解決問題的角色，極大地提高了學習效率[3]。

與傳統教學方式相比，翻轉課堂的教學以學生為教學主體，以學生自主學習為教學目的，以學生作為教學活動的中心，在課堂教學中提高學生分析和解決問題的能力，教師則負責調動教學資源為學生的學習提供幫助，加強學生對實際問題的決策能力[4]。

翻轉課堂的優勢在于它完全顛覆了以往老師在講臺講，學生被動聽課、被動學習的教學模式，該模式使教與學分離脫節，不能融合成一個有機的整體，且在這個過程中老師角色分量比較重。而翻轉課堂增加了學習中的互動，減少教育的不公平，最大的好處就是全面提升了課堂的互動，具體表現在教師和學生之間以及學生與學生之間，新成立的學習小組之間的交流探討，更加適應新形勢下課堂教學改革的需要[5]。而老師在關鍵時刻充當指導的角色，可以強化學生是主人翁，是學習主體的地位，當然這也要求老師有角色轉變的觀念，這種教學模式更要求老師能和學生打成一片，即學生愿意相信老師，主動讓老師檢查自己的知識掌握情況，給予及時地反饋[6]。

二、教學設計

《信號分析與處理》課程是地球物理、勘查技術與工程等石油勘探類專業的一門必修專業基礎課，該課程具有內容抽象、數學公式多、工程應用性強等特點。本文依據《信號分析與處理》課程的特點，分析了翻轉課堂教學模式的可行性和該教學方法在教學過程中的實施策略。

在傳統教學模式中，以教師的“教”為中心，學生是在教師的指導下進行被動地學習，側重于數學公式的記憶和使用，導致培養的學生欠缺對數學概念與工程含義的理解[7]。在學習過程中學生普遍存在畏難情緒，進而大大降低學生的學習興趣和熱情。而翻轉課堂教學法則是以學習者為中心的主動學習，打破傳統教學領域的學習架構，使學習者主動參與到學習活動中。

根據課堂的實時反應，翻轉課堂的高效性不言而喻。對于學生而言，若能調動起其學習的積極性和主動性，便是事半而功倍。翻轉課堂則是對癥下藥的解決了此問題，所以這種方法才能被越來越多的學校采納和應用。

如何利用這種先進的教學理論和方法實施對傳統課程的教學改革，在這類具有較強理論性和實用性的課程中培養學生的綜合理解能力、創新思維能力、專業科學素養，是當前高等院校課程建設和改革的重要內容之一。本文重點闡述了依據《信號分析與處理》課程特點分析翻轉課堂式教學的可行性和翻轉課堂式教學方法在該課程教學過程中的實施策略。

（一）課前自主預習

翻轉課堂是以學生為中心的主動學習，注重培養學生利用互聯網等其他外部資源條件的自主學習能力。為了學生自主學習的需要，首先需要設計課前自主學習計劃單。將教材及大綱中的教學難點、重點等知識點分配給各個小組，讓每個小組解決一個到兩個知識點。這種分配任務到組，以問題為導向的方式，使學生在自學中有一定的目的性，培養學生獨立思考的能力。除了利用互聯網外，教師可制作合適的微課視頻，結合本專業的特點，闡述其物理和工程上的意義，可以加強學生的記憶，更好地理解知識點的內容。以勘查技術與工程專業為例，微課中可以展示信號理論在地震勘探中的應用，另一方面也可以增強學生學習本專業的信心，完成大學工科教學任務及目標。

（二）課上教與學的融合

《信號分析與處理》對數學與物理知識的要求比較高，為了在規定的教學時間內完成教學大綱規定的教學任務，需要提高上課的效率。課前預習時，將每個知識點分配給一到兩個小組。教師首先將本節課的內容進行串講，遇到重點、難點時讓學生上講臺講解。教師對學生的學習狀態進行分析，查漏補缺，并對學生未講解清楚的地方進行加強。小組搭配時注意優勢互補，既要調動學生的積極性又不讓部分學生產生依賴心理。設立一個組長，將任務再細化到組內成員，培養協作探究能力，最后匯總各自的學習心得，讓每個學生都參與進來。課堂上選派代表進行課堂交流發言，也可去講臺利用多媒體進行匯報。匯報過程中，教師引導學生深入理解教材，拋出學習中存在的問題，師生一起共同發現問題和解決問題。每個知識點由一到兩個小組進行講解，第一個小組講解完后，其他小組進行查漏補缺。

（三）工程背景導向

《信號分析與處理》具有極其廣泛的實際應用，在各個領域都發揮著作用。傳統教學中，課堂上過分強調公式的應用及性質的推導，忽視了其工程背景。我們將課堂教學與該課程的課程設計相結合，強調實際應用的重要性，鼓勵學生在課堂上展示編程成果。以理論知識為指導實現軟件的編制，在編程實現中加強對理論知識的理解。

（四）課后復習鞏固

課堂上所學的知識需要及時鞏固才能消化吸收，最終為自己所用。我們每節課都會布置少量的練習題或者實踐題讓同學們完成。在完成過程中通過互聯網答疑解惑，比如通過QQ群或者微信群，征集同學們在課后復習中遇到的問題。可通過發布語音或視頻的方式解答同學們的疑問，也可在課堂上解決問題。

三、實踐

我們將提出的工程背景導向反饋型翻轉課堂應用于勘查資源與工程專業的信號分析與處理課程中。大學生在大學期間學習的課程很多，然而這些課程的作用并不在課程本身。把這些知識看作一種“載體”或一種工具，可能更為合適。我們學習的目的并不在于學了多少知識，而在于學會怎樣去學，這也許才是教育的本質所在。我們現在所接受的知識是為了讓我們通過擁有它能提高自己的學習能力。大學老師在上課時更應該注重對學生學習能力的培養，而不應該像中學老師那樣“填鴨式”灌輸。教師應該將最基本的知識進行融會貫通，條理清晰地給學生講清楚，而對重點、難點知識應稍作提示，讓學生自己課下學習，然后在課堂上分享心得，教師從旁輔助。

因為學生的接受能力參差不齊，所以我們的翻轉課堂并不能完完全全地照搬他人模式，而是應該根據自己的實際情況，規劃出具有自己特色的翻轉課堂，才能真正解決問題。在信號分析與處理課堂上，分組學習是一個好的方案，我們可以將重難點進行劃分，讓每個組去承擔不同的學習任務，然后以小組為單位進行講述，這樣既可以避免老師上課的滿堂灌，也能增加同學們的課堂參與度，起到課堂翻轉的作用。同時，以小組形式進行學習和總結，同學之間相互監督、互相進步，更能進一步促進學習，提高同學們的學習積極性。實踐中有以下幾點教學設計。

（一）溫故知新

上課前預留十分鐘準備時間，隨機從三個班抽一個班，每個班五個或者六個小組，每個小組推出一人講解本節課要講的主要內容。同時，再抽一個班，講解上一節課的內容。講解的內容類似于標題的形式，一方面是溫故而知新，另一方面是讓同學們對課程的邏輯有整體的認知。

（二） 分配到組

每節課教師講授本節課的整體思路，將重點、難點和編程算例進行劃分并分配到每個小組。下節課的課堂上，教師高屋建瓴地講解本節課的梗概并發布下次課程的任務，然后每個小組對重點、難點及示例的自習情況進行討論。因為每個學生性格和能力不同，而導致他們的理解程度不同，有部分同學可能會因為上臺講課不如其他學生而產生對課程的反感，甚至有可能會打擊他們對學習的自信，所以我們除了演講環節，還設計了書面報告等環節。

（三）教師的輔助

翻轉課堂中教師的任務非但沒有減輕，反而對教師提出了更高的要求，不僅需要牢固掌握所授課程的知識點，還需要進行創新性的教學設計。教師在翻轉課堂中起輔助和穿針引線的作用，首先需要將知識點串連起來，其次要針對各個小組的任務完成情況對知識點進行完善和補充，幫助同學們理解。學生預習或自習時難免有學習不全面、理解不到位的地方，教師需要在課堂上及時答疑解惑才能發揮翻轉課堂的優勢。

（四）教師與學生的互動

為了防止小組中有的同學渾水摸魚以及依賴其他同學的情況，提高課堂學習氣氛，教師需要多與學生互動，激發學生的學習興趣。圖1為某手機APP的應用界面，可以實現用手機點名、測驗、評分等功能，實現互動的同時盡量減少學生在課堂上玩手機、睡覺、聊天等現象。

（五）例題講解

對知識點的理解還需要在例題演算中進行加強。教師可講解一些典型例題，讓學生觸類旁通地自己練習。為了充分利用課堂和課下的時間，教師可在本堂課結束時發布例題任務，讓每個小組認領這些任務，然后下次上課時派代表在黑板上講解例題。

（六）激發學生興趣

45或50分鐘的課堂上，難以保證學生思想一直高度集中，可以在下課前5—10分鐘播放信號處理的實驗記錄片，講解信號分析發展史等。還可以播放跟本學科有關的新發現、黑科技或者生活中跟本學科有關的事物和原理，或者介紹課本上相關知識背后的科學家的故事，讓學生長知識的同時又能長見識，使學生明白科研的過程，激發學生的遠大理想和抱負，并讓同學們理解該學科是什么，應該研究些什么，它在科學整體發展中有哪些任務，應該起到什么樣的作用，這門課在生活中的重要地位等，使同學們對本學科更有興趣。

（七）信號分析的工程應用

為了讓學生學以致用，提高學習的興趣及動手能力，我們將該課程與另一門名為《信號分析與處理課程設計》的課程相融合，在授課的過程中，對相關知識點進行編程實現以加深同學們的印象。教師在課堂上示范幾個經典案例，然后布置任務，讓小組成員熟悉編程語言并實現簡單模型。例如針對幾種常用信號及其傅里葉變換、FFT在地震勘探中的應用等知識點，鼓勵學生自己編程實現。以下是實現吉布斯效應的程序示例：

n_max=[3 5 11 31];

N=length（n_max）;

t=-0.5：0.001：1;

w=2*pi;

for k=1：N

x=0.5;

for n=1：2：n_max（k）

bn=2.*sin（pi*n/2）/pi*n;

x=x+bn*cos（w*n*t）;

end

subplot（N，1，k）;plot（t，x）;xlabel（'t'）;ylabel（'partial sum'）;

axis（[min（t） max（x） -0.5 1.25]）;text（-0.2，0.4，['max.har.='，num2str（n_max（k））]）;

end

圖2是對吉布斯效應的圖解。通過該實例，同學們對吉布斯效應有了更深刻的認識。小組成員需要講解他們編程的思路，解釋程序實現的結果，以便在共享中實現共贏。

（八）課堂總結

課程結束前留幾分鐘時間用于課堂總結，該部分教學設計較為靈活，可以是小組間的討論，可以讓學生自由發言。也可以提交一份課堂總結，50—100字，精簡地闡述關于本節課的學習體會和內容等。

（九）討論會/辯論賽

對于某些有爭議性的問題，可以采取討論會或者辯論賽的形式。學生可以自己發現問題，教師也可以提前布置討論會的題目，讓學生課下準備。實踐中我們發布過的討論會題目有“如何用FFT求取IFFT？”“傅里葉變換的優缺點總結”等。

（十）獎懲制度

對于學生在課堂上的參與度，我們采取鼓勵多于強制的措施，學生在課堂上的討論及發言、編程實現及提交的作業等，均給予平時成績加分的獎勵，最終的期末成績是平時成績和試卷成績的綜合。翻轉課堂固然優點頗多，然而不足還是存在的，比如，班級里每個同學的自學能力、接受能力以及自覺性都不相同，對于自學能力強的學生，這種方式無疑給他們提供了更加自由的學習空間，有益無害。而對于想要學習卻自學能力不足的學生，少了老師的引導會大大降低他們的學習效率，更有甚者，會挫傷他們的學習自信心，有些時候事倍卻功半。對于那種完全不愛學習的學生而言，這種方式無疑是為他們創造了一個沒有壓迫的天堂，沒有了老師的壓力，他們會越發放縱自己不去學習，這樣，翻轉課堂會成為害其的毒藥。教師需要甄別每個同學的情況，對于前兩種情況，我們盡量將自學能力強的和自學能力差的同學組成一個學習組，組內成員互幫互助提高學習效率。對于第三種情況，我們給那些不愛學習的同學稍許壓迫感，抽查他們回答問題，如果這節課答不上來，則給他們布置課后作業，下節課繼續抽查他們。對于其他大多數同學，我們鼓勵每個同學能參與到課堂上，以包容和相互理解的態度，對稍微遜色的同學給予懲罰，例如罰他在課間講個小故事等。

（十一）競賽項目

多鼓勵學生參加與信號理論有關的競賽，如“互聯網+”、創新創業等激發學生學習能力和創造能力的競賽。

四、結論

工程背景導向反饋型翻轉課堂教學模式在信號與系統課堂中能否順利實施一方面取決于教師的職業素養與專業能力，另一方面學生自主學習的方法與習慣以及學習資源的配置情況也是關鍵因素。我們根據翻轉課堂在信號分析與處理中的實際應用情況，因地制宜地提出了以工程背景為導向，鼓勵學生動手編程，將所學知識應用于實際信號的處理中。這樣不僅加深了學生對所學知識的認知，且鍛煉了學生的動手能力。此外，我們通過分組，采取以組為單位的預習、重難點分析、討論、總結發言等一系列環節，并建立有效的獎懲機制，大大提高了學習的風氣及效率。該理論及實踐有望建立一套適用于高等院校勘查技術與工程專業的《信號分析與處理》課程的翻轉課堂教學法，使學生不僅能掌握理論知識，而且能運用這些理論知識提高解決實際問題的能力，形成從實際問題到理論分析，再到解決實際問題的良性循環。

參考文獻：

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[7]Jiang Jingang，Zhang Yongde，Du Haiyan et al.，Design and Application of Flipped Classroom Teaching Model[C]，The 11th International Conference on Computer Science & Education，2016.

The Application of Engineering Background Guided Feedback Flipped Classroom in Signal Analysis and Processing

ZHAO Jing

（Xi'an Shiyou University，Xi'an，Shaanxi，710065，China）

Abstract：According to the characteristics of the course of signal analysis and processing，this paper puts forward the engineering background orientation，so that students can make their own program to realize some key knowledge points，and apply it to the processing and analysis of actual signals.This not only deepens students 'understanding of knowledge points，but also improves their ability to solve practical problems.At the same time，the teaching design has added such links as example presentations，teacher-student interaction，multimedia playback，closing arguments，seminars，and debate competitions，encouraging as many students as possible to participate in classroom teaching，which has increased the interest and practicality of the classroom.The problem of poor students 'learning atmosphere and lack of concentration in class were solved，and the efficiency of the classroom was improved.

Key words：flipped classroom;signal analysis;engineering background;practicality