BOPPPS教學模式在信號與系統實驗教學中的應用

摘 要：隨著教育改革的不斷深入，為順應新時期的發展需求，特別是針對信號與系統實驗教學中學生參與度不高的問題，將BOPPPS教學模式融入混合式教學中。以“信號卷積”實驗為例，探討BOPPPS模式在“信號與系統”實驗教學中的應用效果。這一探索不僅有效提升了教師的教學水平，也為教育改革注入了新的活力，為培養具有創新思維的新一代學生奠定了堅實基礎。這種整合教學模式的成功經驗為更廣泛的實驗教育提供了有益的參考，促進了學生在實踐中更積極地參與，從而為教育體系的不斷創新貢獻了積極力量。

關鍵詞：信號與系統；BOPPPS；混合式教學；信號卷積；實驗教學；創新思維

中圖分類號：TP39；G642.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）12-0-03

0 引 言

“信號與系統”課程是通信工程和電子信息工程等電子信息類專業的學科基礎課程，該課程涵蓋了各種信號處理和系統分析的基本原理，其概念通常較為抽象[1]。如何有效地傳授這門復雜的課程知識，以確保學生的參與度和理解度，一直是教學過程中面臨的挑戰。傳統的教學方法通常以講授為主，學生被動地接受知識。然而，這種教學方法常常導致學生的學習興趣不高，對課程內容的理解有限，難以將理論知識應用于實際問題的解決，而信號與系統的實驗教學是幫助學生理解知識點和培養創新思維和問題解決能力的重要環節。在現代教育中，教學方法的選擇對于學生的學習成果至關重要。教師需要不斷探索和采用新的教學方法，以提高教育質量，使學生更好地理解和應用所學知識。BOPPPS教學模式是一種在教育領域備受認可的教學方法[2-3]，它具有6個關鍵階段，包括導入（Bridge-in）、目標（Object）、前測（Pre-assessment）、參與式學習（Participatory learning）、后測（Post-assessment）和總結（Summary），能幫助教師更好地引導學生的學習過程。通過將BOPPPS教學模式與信號與系統實驗教學相結合，可以更好地滿足學生的學習需求，培養學生解決問題的能力和創新思維。此外，BOPPPS教學模式還有助于激發學生的學習興趣，促進他們參與和互動，從而提高課堂氛圍和學習體驗。

1 信號與系統實驗教學的現狀

實驗教學在“信號與系統”課程中的重要性不容忽視，是學生將理論知識與實際應用相結合的重要機會。通過實驗，學生能夠體驗信號生成、傳輸和處理的過程，從而更好地理解它們在不同應用領域中的重要性。此外，實驗教學還有助于培養學生的實驗設計能力、數據分析技能和解決實際問題的能力[4]。然而，傳統的信號與系統實驗教學存在一些問題，如學生被動地接受知識，實驗案例單一，學生參與度不高，理論知識與實際應用之間的聯系不明顯，難以培養學生的批判性思維和問題解決技能等[5-7]。在傳統的實驗教學中，教師通常是知識的傳授者，學生被動地接受信息。這種教學方式往往難以激發學生的學習興趣和動力，因為學生沒有機會參與到教學過程中。因此，需要采用新的教育策略和方法來改進信號與系統實驗教學，提升學生的學習動力和學習成績。BOPPPS教學模式強調以學生為中心，注重互動性和實效性，為信號與系統實驗教學提供了一種創新的方法，這種模式的核心思想是將學生置于學習的中心位置，讓他們成為知識的創造者和共享者，而不僅僅是被動的知識接受者。通過這種模式，教師可以提高學生的學習興趣，促進他們更好地理解和應用課程內容，培養他們的批判性思維和問題解決能力。

2 BOPPPS教學模式的特點

BOPPPS模型是一種用于規劃和設計課堂教學過程的教育模型，將教學過程劃分為6個關鍵階段，每個階段代表了不同的教學活動和目標[8-9]。該模型的目的是幫助教師更好地組織和講授教學內容，以促進學生的學習和參與。

（1）導入。這個階段的目標是引入新的教學主題，建立學生先前知識與新知識之間的聯系。可以通過引經據典、新聞報道、播放簡短影片等方式實現，讓學生明白為什么這個主題很重要，為什么值得學習。

（2）目標。在這個階段，教師明確地闡述教學目標，即期望學生在本課中學到的知識和技能。這有助于學生了解他們的學習方向，并通過提供清晰的教學目標來衡量學習成果。

（3）前測。在這個階段，教師進行先前評估，通過小測驗等方式了解學生在該主題上的已有知識和技能水平，調整課程的難易與進度，讓課程目標更加清晰。

（4）參與式學習。這個階段應重點關注如何激發學生的參與和互動興趣。通過小組討論、問題解答、案例研究、實驗等，以鼓勵學生積極參與課堂討論，從而使學生主動學習、深入思考、強化印象。

（5）后測。這個階段，教師可以提供練習題、案例分析、項目任務等，讓學生鞏固和應用所學知識，通過實踐加強學習效果，促進能力發展。

（6）總結。在最后一個階段，教師對本課的重要概念和關鍵信息進行總結，并檢查是否達到了教學目標，可以通過問答、回顧關鍵點或小測驗來實現。總結有助于學生鞏固所學知識，并為下一堂課或主題的學習做準備。

BOPPPS模型的設計目的是為了提高教學質量，鼓勵學生積極參與，并促進他們的深度理解和能力發展。教師可以根據具體的課程和學生需求來調整和定制每個階段的內容。

3 BOPPPS教學法應用方案設計

信號卷積在信號處理領域對系統響應分析、信號濾波、信號特征提取、圖像處理等方面有著至關重要的作用[10]，根據BOPPPS教學模式的6個階段，以“信號與系統”課程的卷積實驗為例，將實驗教學過程設計如下。

（1）導入（B）。在導入本實驗內容時，應從身邊的實際應用場景去考慮，讓學生產生好奇心。例如，詢問學生在生活中是否遇到過語音識別軟件因周圍存在噪聲導致無法正確識別語音信號；在光線不好的條件下拍出來的照片比較模糊，而手機中的相機是如何識別人臉或者景物呢？從學生常見的生活現象引入信號卷積，讓學生了解卷積的重要性，引入實驗中要探討的問題，促使學生更主動地參與到后續的實驗中。

在實驗環節，以引入圖像的模糊去除為例，詢問學生是否遇到過在白天和夜晚拍照會出現清晰度不一致，或者相機晃動導致拍攝的照片模糊的情況。利用信號卷積可以對圖片進行模糊去除、降噪或增強圖像的特定特征。通過展示實例，幫助學生理解信號卷積在圖像處理中的應用。

（2）學習目標（O）。學習目標是BOPPPS教學設計模型的靈魂，簡潔清晰的教學目標可以讓學生了解到通過課堂學習需要達到的效果。在信號卷積實驗中，實驗目標就是使學生理解卷積的基本概念、掌握卷積運算的步驟、熟悉實驗操作。預期效果是希望學生能將理論與實踐進行對比分析，深化對信號卷積的理解，并明白其應用前景。

（3）前測（P1）。在導入實驗內容之后，為掌握學生的實驗預習情況，要求學生進行線上實驗操作，通過后臺實驗數據監測學生是否提前預習，借助數據分析在線下實驗環節對學生進行有針對性的輔導。

（4）參與式學習（P2）。在線下的實驗過程中，通過組織小組活動，讓學生更積極地參與信號與系統實驗。實驗的重點是利用實驗箱完成信號的自卷積和系統卷積實驗。首先，學生被分成小組，教師扮演指導者和引導者的角色，為學生提供必要的指導，確保實驗順利進行。在小組中，學生將共同討論實驗的設計、參數的選擇以及實驗過程中可能遇到的問題。實驗涉及調整不同的參數，例如采用不同類型的信號進行卷積或者改變占空比等。這樣的設計有助于測試實驗數據是否與理論計算值一致，同時培養學生分析實驗結果和比較理論計算的能力。通過這個過程，學生不僅了解了信號與系統的理論知識，還能親身體驗實驗操作，增強對課程內容的理解。此外，借助小組協作的方式，學生在解決問題和討論過程中還能培養團隊合作和溝通的技能。

（5）后測（P3）。在后測階段，學生將通過多層次的對比分析，結合動手計算、線上實驗（理想結果如圖1（a）），線下實驗（實際結果如圖1（b）），深入探討實驗結果的相同點和不同點。

分析過程不僅有助于鞏固學生在實驗中所學的知識，還能促使他們將理論應用到實際中。首先，通過動手計算，學生將有機會深入理解實驗設計的數學基礎，并通過比對理論計算和實際實驗結果，評估理論模型的準確性和適用性。其次，線上實驗提供了一個理想的模擬環境，使學生能夠在虛擬場景中觀察和分析理論模型。這種在線環境不僅增加了實驗的靈活性，也為學生提供了一個更廣闊的學術空間，使他們能夠在探索中不斷加深對理論模型的理解。最后，通過線下實驗獲得的實際結果，學生能夠直接觀察到真實情境中的數據和現象。通過比對線下實驗結果和理論模型，學生可以深入分析實驗的局限性、誤差來源，以及可能存在的不確定性。這種對比分析有助于培養學生的批判性思維以及解決問題的能力，使他們能夠在未來的工作或研究中更加獨立地應用所學知識。

（6）總結（S）。從卷積的概念、原理、作用和應用等方面進行總結和回顧，深化學生對這一主題的理解，通過思維導圖幫助學生將這些概念有機地鏈接起來，形成更為完整和清晰的認知結構。同時鼓勵學生查閱相關案例和項目，并嘗試應用卷積操作完成小型項目，以實際操作加深對卷積原理的理解。

4 BOPPPS教學模式在實驗教學改革中的思考

BOPPPS教學模式為實驗教學改革提供了啟發性的思考和指導，特別適用于各學科和實驗教學場景。該模式突出了學生參與、互動性和實效性，為提升學習體驗提供了可參考的框架。在實驗教學改革中，首要任務是明確實驗的整體目標和背景，使學生了解實驗的目的及其與課程的關聯，可以通過強調實驗與通信、信號處理等實際應用的關聯來增強學生的實際認識，從而激發學生的興趣。其次，可以采用小測驗檢測學生的準備程度，評估學生的基礎知識掌握程度，以調整實驗的難度和深度。鼓勵學生參與實驗設計、數據收集和分析，促使他們更深入地理解信號與系統的原理。創建富有挑戰性和啟發性的實驗任務，激發學生的好奇心和創造力。在實驗結束后，進行后續評估十分關鍵。通過回顧學生的學習成果，檢查是否達到學習目標，并及時提供反饋，有助于評估實驗的效果，決定是否進行相應的教學調整。最后，通過總結和回顧實驗的關鍵概念，將理論知識與實際應用聯系起來，有助于學生更好地理解課程內容的實際意義。鼓勵學生分享見解和經驗，促進深入理解，從而實現實驗教學效果的全面提升。

采用BOPPPS教學模式，學生在實驗課程中表現積極。該模式強調任務構建和問題解決的過程，激勵學生積極思考并互動，從而使他們更主動地參與實驗。這對于提升學生的學習興趣至關重要。通過前測，學生能夠有效識別自己的知識漏洞，有助于進行更具針對性的學習。參與式學習使學生能夠看到所學知識在實際應用中的價值，有助于他們提升解決實際問題的能力。這種積極的學習體驗不僅提高了學生對課程內容的興趣，還激發了他們更深入地學習和應用知識的愿望。后測有助于學生逐步分析和解決問題，從而提高他們解決問題的能力，并培養其批判性思維。

盡管BOPPPS教學模式在信號與系統實驗教學中表現出明顯的優勢，但也存在一些潛在挑戰：實施BOPPPS模式需要更多的時間來準備，需要精心設計任務和預測學生的問題解決過程；不同學生對BOPPPS模式的反應有所不同，一些學生可能對這種主動學習方法更感興趣，而另一些學生可能需要更多的指導和支持，因此需要靈活調整教學策略以滿足不同學生的需求；教師可能需要接受培訓，以更好地理解和實施BOPPPS教學模式，包括培訓教育者如何構建任務、制定學習目標和提供有效的解釋。

5 結 語

BOPPPS教學模式為實驗教學改革提供了有益的框架，強調教師在教學中更多地擔任指導者和引導者的角色。這種模式有助于提高學生的參與度，使他們能夠更好地理解實驗的目的和意義，并在自主解決問題和提出問題的過程中培養批判性思維和問題解決能力。通過這種方式，學生不再被動接受知識，而是能夠主動探索和發現。在信號與系統實驗中，應用BOPPPS教學模式可以幫助學生更深入地理解課程內容，激發他們的學習動力。實驗教育改革還需重視實驗的設計和評估，以確保教學取得積極成果。通過這樣的教學模式，學生在實驗過程中能夠更全面地參與學習，促使他們在課程中取得更加持久且可持續的學習成效。

參考文獻

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基金項目：2021年度河南省一流本科專業建設點立項“通信工程”（教高[2022] 332號）；2020年度河南省高等學校優秀基層教學組織建設“中原工學院通信工程系”（教高[2020] 393號）；2020年度校級一流本科專業建設點立項“通信工程”（中工教 [2020] 18號）；河南省本科高等學校精品在線開放課程“信號與系統”（教高[2021]474號）；中原工學院“信號與系統”一流本科課程（中工教[2021]48號）；中原工學院教學改革研究與實踐重點項目：新工科背景下通信工程專業創新人才的研究性教學改革與實踐（2024ZGJGLX024）；新工科背景下以專業認證為導向的信號與系統課程建設探索與實踐（2024ZGJGLX033）

作者簡介：蔡文靜（1992—），女，碩士，實驗師，研究方向為智能視覺信息處理。

楊 蕾（1979—），女，博士，教授，研究方向為智能視覺信息處理。

宋曉煒（1978—），男，博士，教授，研究方向為智能視覺信息處理。