理工類實驗課程線上教學的改革與實踐
——以“信號與系統實驗”為例＊

孫雅芃，李玉杰

（南開大學濱海學院，天津 300270）

2020 年初，突如其來的新型冠狀病毒肺炎疫情給中國高等教育帶來了空前的影響。教育部發布了《關于在疫情防控期間做好普通高等學校在線教學組織與管理工作的指導意見》，在“停課不停教、停課不停學”的號召下，全國高校在極短時間內從線下教學變道切入到線上教學[1-2]。這次全面線上教學既是對中國高等教育互聯網+教育改革成果的一次全面大檢閱，更為今后線上教學改革繼續深入奠定了豐富的實踐基礎和思想觀念基礎[3-4]。

在各類課程中，高校理工類實驗課程是特殊的存在。與理論課程不同，實驗課程現有慕課資源少，且課程專業性強、內容范圍廣、探索性強、實踐性強[5-7]。如何在保證教學效果的基礎上，完成傳統觀念中不適于線上教學的實驗課程，是對每位實驗教師的考驗。本文以“信號與系統實驗”為例，對理工類實驗課程線上教學進行改革，并應用到實際教學過程中。實踐表明，改革后學生課堂參與度明顯提高，師生互動明顯增強，學生的各項能力得到了提升，取得了良好的教學效果。

1 課程介紹

“信號與系統實驗”是電子信息類、自動化類、電氣類等專業的核心課程，是“信號與系統”的配套實驗課，也是“通信原理”“數字信號處理”的先導課程。該課程具有較強的實踐性，知識點多、新概念多、難度大。傳統的實驗課程授課模式為線下授課+實驗操作，但在疫情的影響下，與理論課相比，線上實驗課教學更容易受空間、時間以及資源設備等方面的影響。為保證線上教學質量，教學團隊以現代信息化手段服務教育教學全過程作為教學改革的理念[8]，借助云班課、釘釘直播、Multisim 仿真平臺完成授課。從課前導學、課中實踐、課后拓展、評價方式4 個方面進行改革，提高學生的課堂參與度，從而促進教學效率與效果的提升。傳統實驗授課模式與智慧教學新型課程模式對比如圖1 所示。

圖1 傳統實驗授課模式與智慧教學新型課程模式對比

2 課程設計

2.1 數字化資源+仿真平臺，打造智慧教學新型課程

理工類實驗課線上教學難點主要有以下2 個：現有資源少，需教師重新建立完備的教學資源；課程實踐性強，應選用合適的仿真平臺。

云班課是一款智慧教學助手APP，教師可根據需求建立班課，管理學生、分享資源、布置批改作業、組織討論答疑、開展教學互動。借助云班課，教學團隊完整搭建了數字化教學資源，包括課程教材、教學視頻（理論講解與仿真演示）、電子課件、拓展資料、課后思考等內容。

Multisim 是美國國家儀器（NⅠ）有限公司推出的仿真工具，適用于模擬/數字電路板的設計，它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力[9]。借助Multisim 軟件可搭建與線下實驗類似的仿真環境。教學團隊共搭建了8個模塊供教學使用，分別為常用信號分類與觀察、連續時間系統的模擬、無失真傳輸系統、信號的分解及合成、抽樣定理與信號恢復、有源/無源濾波器、信號的調制解調、FDM 頻分復用。在實際教學中，8 個模塊分6 次課程完成。“信號與系統實驗”部分數字化教學資源如圖2 所示。

圖2 “信號與系統實驗”部分數字化教學資源展示

2.2 改革教學過程，從“師生互動”到“生生互動”

教學團隊以云班課教學平臺為依托，借助釘釘直播，打造互聯網+課程的新型教學模式，從課前導學、課中實踐、課后拓展3 個階段進行“全在線”的教學改革，以學生為主、教師為輔的方式，引導并監督學生完成學習任務，并對學生進行個性化教學，課程流程如圖3 所示。

圖3 智慧教學新型課程下的“信號與系統實驗“課程流程

課前導學環節：根據“信號與系統實驗”教學進度安排，課前1 d 通過云班課平臺向學生推送教學資源，并設立相關教學任務點，要求學生登錄云班課完成自學任務，并獲取相應任務點。通過課前導學環節，幫助學生回憶相關知識點，方便課堂教學。

課中實踐環節：線上采用釘釘直播進行授課，設置簽到環節。根據課前導學環節了解學生的學習進度和掌握的知識點情況，教師通過直播，講解本次實驗所需的理論知識，并進行實驗仿真演示，提出實驗要求。同時，將教學資源包通過云班課平臺推送給學生，方便學生進行回看。課后，學生開始自主進行實驗仿真。鼓勵學生將實驗過程中遇到的問題發布到云班課群中，教師引導學生進行研討，從傳統的“師生互動”過渡到學生參與感更強的“生生互動”。在直播過程中，為保證教學質量，教師會分2 次連麥學生，檢驗學生的學習進度。第1 次連麥主要考察學生搭建的仿真電路，第2 次連麥則要求學生展示仿真結果，并進行分析。在連麥過程中，教師會對每位學生的仿真電路提出個性化問題，如果仿真有錯誤，教師也會及時給予指正。這種因材施教的方式極大程度提高了學生的學習效果，也充分調動了學生主動探究問題的積極性。

課后拓展環節：課后，學生整理實驗內容，并按要求完成實驗報告。教師則利用云班課平臺對學生完成的實驗報告進行評閱。

2.3 完善評價體系，促進學生發展

根據“信號與系統實驗”線上教學的特點，教學團隊建立了多方位、多角度、全過程式的考核方式，注重對學生綜合能力的考核。設置了評分標準，使考核評價環節更客觀。

考核評價分為4 部分：考勤簽到、任務點學習、課堂互動、實驗報告、期末考試所占權重分別為10%、10%、30%、30%、20%。其中，考勤簽到和任務點學習成績由云班課平臺自動導出，課堂互動、實驗報告按次計分，評分標準分別如表1、表2 所示。期末考試分小組進行，開考后教師發布題目并開啟直播，學生按完成順序依次單獨與教師連麥，教師檢查學生實驗完成情況并提問。考試結束后，學生提交相應的實驗報告。教師根據學生實驗速度、提問回答情況和實驗報告情況給予綜合評定，評分標準與表1、表2相同。

表1 課堂互動評分標準

表2 實驗報告評分標準

3 改革成果

相較于傳統的教學模式，線上教學時教師能快速對學生的問題進行解答，使學生的注意力更集中，也更容易參與到討論中。連麥檢測實驗成果、課堂研討都以學生為主體，大大提高了學生的學習興趣，提高了學生分析問題和解決問題的能力。

同時，進行教學改革后，過程性學習效果明顯增強，一方面，課堂上學生的參與度高，強化了學生對知識點的掌握，提高了學生的實踐能力；另一方面，評價方式更注重過程考核，這也對學生的學習起到了監督、促進作用。

4 總結

本文以“信號與系統實驗”為例，討論了理工類實驗課程線上教學的方法。基于釘釘直播、云班課與Multisim 仿真軟件，建立集網絡課堂與數字化資源為一體的智慧教學新型課程，并根據線上教學的特點，改革教學過程與評價方式，將授課重點由“是什么”轉移到了“為什么”。改進傳統單向灌輸、驗證為主的教學方式，采用線上教學法、任務引領式教學法，鼓勵學生進行問題研討，從師生互動到生生互動，從而提高學生分析問題和解決問題的能力，具有良好的實踐意義。