應用型高校專業(yè)基礎課的教學模式改革與實踐

武曄 萬永革 顧觀文 孫守才

摘要：為培養(yǎng)符合工程教育認證的人才，結(jié)合地球物理學專業(yè)特點，在深入分析“數(shù)字信號處理”課程特點和我校學生實際情況的基礎上，提出并構(gòu)建了面向行業(yè)的“仿真實驗微平臺+雨課堂+SPOC”的“多維一體”應用型高校專業(yè)基礎課的教學模式。教學實踐結(jié)果表明，該教學模式不僅能讓學生的基礎知識扎實，而且能有效提高學生的自主學習能力和拓展專業(yè)應用。

關(guān)鍵詞：工程教育專業(yè)認證；教學模式；專業(yè)基礎課；數(shù)字信號處理

工程教育專業(yè)認證“以學習成果為導向”和“以學生發(fā)展為中心”的教育理念深入中國工程教育[1]，工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，是實現(xiàn)工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。其核心就是以學生為中心，確認工科專業(yè)畢業(yè)生達到行業(yè)認可的既定質(zhì)量標準要求，以提高學生的學習能力、實踐能力和培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神為目的，以培養(yǎng)目標和畢業(yè)出口要求為導向的合格性評價方法。以畢業(yè)出口為導向，自然要求切實提高學生的工程實踐能力，掌握行業(yè)最新工程技術(shù)和發(fā)展動態(tài)[2]。

致力于教學模式的研究，?不僅具有促進教育科學進一步豐富和完善的理論意義，?而且亦具有指導教學改革和教學實踐的現(xiàn)實意義[3-4]。深入對專業(yè)基礎課程的理論教學和實踐教學兩方面進行改革和完善，探索建立一套有效的、符合地球物理學科應用型人才培養(yǎng)目標的教學模式，培養(yǎng)“基礎理論扎實、適應能力和動手能力強、肯于吃苦和綜合素質(zhì)高”的學生，以滿足經(jīng)濟社會和用人單位對人才工程實踐能力的需求，既反映了高校當代人才培養(yǎng)的目標，同時對未來經(jīng)濟社會的發(fā)展具有深遠的意義。

本文首先以地球物理學科基礎課“數(shù)字信號處理”課程為例，深入分析學科基礎課教學中普遍存在的問題，進而闡述為提高學生學習能力而實施的教學改革與實踐。

1?地球物理專業(yè)特點和“數(shù)字信號處理”課程特點

1.1?地球物理學專業(yè)在人才培養(yǎng)方面存在的矛盾

當前地球物理學專業(yè)在人才培養(yǎng)方面存在兩個明顯的矛盾，一是最近幾年，隨著地學行業(yè)的變革，行業(yè)需求人才數(shù)量大大降低，造成學生對專業(yè)失去信心，畢業(yè)后跳槽現(xiàn)象較為嚴重；二是當今相當部分的大學生從小到大生活在優(yōu)越的家庭環(huán)境，而地學工作往往需要在條件比較艱苦的野外進行，造成部分學生對專業(yè)缺乏熱情，進而對專業(yè)課程失去了學習的興趣。

1.2?基礎課“數(shù)字信號處理”普遍存在的問題

數(shù)字信號處理課程是地球物理學專業(yè)人才培養(yǎng)方案課程體系中一門重要的專業(yè)基礎課，該課程無論從教學內(nèi)容，還是從教學目的來看，都是一門理論與實踐并重的課程。本課程的先修課為高等數(shù)學、線性代數(shù)、數(shù)學物理方法等課程，后續(xù)課程為數(shù)字地震分析、地震預測概論、地球物理數(shù)據(jù)處理及解釋等課程（地球物理學專業(yè)理論課程教學大綱匯編，2011）。通過多年的教學實踐，發(fā)現(xiàn)該課程存在以下幾個特點：

1.2.1?理論性強，晦澀難懂

不僅概念抽象，而且公式推導性質(zhì)證明繁瑣，被公認為是大學課程中最難的課程之一。課堂理論教學方面，為了讓學生更好的理解原理，引入MATLAB進行仿真，起到了較好的作用，然而，對于初學者來說，對枯燥的程序代碼很陌生，教師需要在課堂對程序代碼作一番解釋，占用了較多時間，往往出現(xiàn)教學內(nèi)容講授不完下課鈴聲就響了；實驗教學在機房進行，對于初學者，一半以上的學生對用程序?qū)崿F(xiàn)算法有較大困難，而課上時間有限，很難獨立完成編寫程序，時間一長，畏難情緒自然產(chǎn)生，極大地降低了學生的動手實踐能力，而自主探索學習能力很難得到訓練和提高。

1.2.2?學習路徑單一

學生與教師的溝通交流局限在課堂，課程中設置的實驗教學環(huán)節(jié)具有時間和空間的極大限制，比如現(xiàn)在的實驗教學大多是按照授課計劃在開學前制定，學生在指定的時間段到指定的實驗室上課，課上教師進行講解并示范，學生模仿操作，這種方式有利于對學生對教學的管理，但是這種教學方式極大地限制了學生的自主學習能力，使得學生在未來的學習和工作中如果遇到問題，由于缺乏再學習能力，導致無法分析解決實際中遇到的問題，也就是極大地缺乏工程實踐能力，因此也就不能令用人單位滿意，直接影響學生未來在工作崗位和深造的持續(xù)學習和發(fā)展。

地球物理專業(yè)基礎課普遍存在上述問題，為了提高學生的自主學習能力、工程實踐能力和創(chuàng)新能力，在“微教育”理念指導下，對專業(yè)基礎課程“數(shù)字信號處理”進行了持續(xù)不斷的改革建設，建立了?“仿真實驗微平臺+雨課堂+SPOC”的教學模式。

2?地球物理專業(yè)基礎課“數(shù)字信號處理”課程的改革與實踐

2.1?補充建設優(yōu)質(zhì)微課資源

無論是翻轉(zhuǎn)課堂教學，還是線上線下混合式教學，都需要大量適合本專業(yè)學生特點的教學資源，因而建設優(yōu)質(zhì)微課資源是教學深度改革的第一步。本課程從2019年課程開啟金課建設，補充建設了大量優(yōu)質(zhì)教學資源。包括：陸續(xù)錄制了覆蓋外文版教學大綱包括的所有知識點講解視頻76個、習題講解視頻10個；新增可以發(fā)布在雨課堂平臺的課后測14個、實驗測14個、試卷庫；自主開發(fā)微基礎實驗系統(tǒng)20個、微開放專業(yè)實驗項目平臺4個，實驗包括基礎驗證性實驗、綜合性實驗和專業(yè)領域應用實驗，層次和比例關(guān)系見圖1所示；自主開發(fā)與教材章節(jié)配套的外文教材單詞學習微系統(tǒng)54個。建設完備的微資源，為實現(xiàn)學生自主學習提供了必要的基礎要素。特別的，自主開發(fā)數(shù)字信號處理+地球物理仿真實驗教學輔助系統(tǒng)平臺，將不同層次的實驗項目以仿真實驗模塊形式進行呈現(xiàn)。學生通過對實驗項目的選擇，實現(xiàn)教學內(nèi)容的開放；學生可以在課外時間完成基礎驗證實驗、自主探究實驗和小組合作實驗，強化第二課堂的學習，形成“理論教學、實驗教學和自主研學”三位一體的立體化開放式教學模式，構(gòu)成該教學模式的教學資源見表1所示。

2.2?構(gòu)建“仿真實驗微平臺+雨課堂+SPOC”的突破時空限制的多維教學活動模式

課程組結(jié)合地球物理學專業(yè)特點，提出“數(shù)字信號處理”專業(yè)基礎課的“仿真實驗微平臺+雨課堂+SPOC”的教學模式，該模式的具體內(nèi)涵體現(xiàn)在以下兩方面：

2.2.1?仿真實驗微平臺提升學生的自主學習能力、實踐動手能力和創(chuàng)新能力

自主開發(fā)的仿真實驗教學輔助系統(tǒng)微平臺與傳統(tǒng)的實驗室實驗有機結(jié)合，形成一體的實驗教學體系。傳統(tǒng)基于實驗室的實驗由于受時空所限，主要做基礎驗證性實驗，而綜合和創(chuàng)新設計性實驗很難完成。通過仿真實驗教學輔助系統(tǒng)，可以在第二課堂將帶有專業(yè)領域創(chuàng)新設計性實驗開放給學生，讓學生了解數(shù)字信號處理方法在學科領域中的應用，從而打破學科壁壘，使學生建立學科交叉解決問題的創(chuàng)新思維。

自主開發(fā)的地球物理仿真實驗教學平臺在教學工作中發(fā)揮三個作用，第一，應用在課堂教學中，方便教師進行演示，有效把控各個教學環(huán)節(jié)；第二，應用在第二課堂，也就是在課下學生通過該教學系統(tǒng)，交互式的反復修改程序代碼參數(shù)，快捷觀察計算結(jié)果的不同，一方面可以加深對知識結(jié)構(gòu)的自建，另一方面可以讓學生對程序不陌生，熟悉程序設計思路，而且學生在使用系統(tǒng)過程中，容易發(fā)現(xiàn)自己不理解的問題，可以通過線上實時答疑，大大提高學習效率，學生不僅能告別畏難學習情緒，而且學習興趣逐漸變濃；第三，系統(tǒng)中不僅包括演示驗證性實驗，而且包括綜合性、設計性、應用性實驗，此類實驗設置為選做項目，以往此類實驗都是面向?qū)W有余力的學生進行開放，現(xiàn)在通過學生自選，借助仿真系統(tǒng)，所有學生都可以選做，切實提高所有學生的自主探索學習能力。借助仿真實驗教學平臺系統(tǒng)，從認識感受——原理方法——綜合探索——設計創(chuàng)新，循序漸進，使學生的創(chuàng)新意識和實驗技能逐漸提高；并將課內(nèi)實驗延伸至課外自主探究學習，使學生的自主研學能力得到提高，可以有力推動實驗教學的改革與發(fā)展，對工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高具有重要作用和意義。

除了覆蓋教學大綱的外文微教學視頻，更重要的是自主開發(fā)建設了微基礎實驗仿真平臺20個，基于專業(yè)測震和地球物理探測數(shù)據(jù)的微開放實驗項目平臺4個，外文教材單詞微學習系統(tǒng)54個，其中關(guān)于經(jīng)驗模態(tài)分解的微開放實驗平臺，如圖所示。基于這些微資源，教師安排設計教學計劃，將資源發(fā)布在SPOC平臺，為實現(xiàn)學生的自主學習提供了問題啟發(fā)和渠道。

2.2.2?“雨課堂+SPOC”平臺保障信息教學環(huán)境多樣化

“雨課堂+SPOC”平臺有效將第一課堂與第二課堂的學習有機結(jié)合起來，如圖3所示，第一課堂教學活動的理論教學部分在多媒體教室，基于雨課堂智慧教學平臺上課，課后仔細分析學生的差異，對有困難的學生及時面對面溝通交流，排除學習困難的因素；實驗教學在計算機教室，第二課堂教學活動基于“雨課堂+SPOC”網(wǎng)絡教學平臺、釘釘平臺等教學環(huán)境。整個教學活動過程對于學生來說，完全不受時空的限定，讓學生不在教室可以進行第一課堂的學習，隨時隨地進行第二課堂的學習，教室和學生的交流突破了時空的限制。“雨課堂+SPOC”的教學模式，有助于建立學生的學習自信。課程教學過程中，學生遇到疑問，隨時與教師交流，在教師循循善誘的啟發(fā)引導下，學生茅塞頓開，大大提高了學生的學習熱情，自信心大增，讓學生切實體會到學習是一個經(jīng)歷，只有親身動手做，才能發(fā)現(xiàn)問題是什么，如何解決問題，克服學習困難心理，養(yǎng)成堅忍不拔的意志，才能在學習的過程中真正有所收獲，在學習的過程中不斷成長成人。

結(jié)語

教學實踐表明，新的教學模式的建立，有效促進了學生學習能力的提高。雙語教學對于我們二類本科院校學生來說，由于英語應用能力不強，畏難心理非常強，從近5年的雙語教學實踐來看，以期中考試為分界，期中考試前學生感覺學習非常困難，理論知識點難理解，實驗程序設計困難，而在期中考試后，通過仔細觀察學生的學習狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)上課聽課比之前認真，實驗課時寫程序能力大大提高，這些現(xiàn)象充分說明教學改革之路的有效性、重要性和正確性，反過來堅定了教師的教學改革信念，繼續(xù)勇往直前深入推進教學改革，切實提高教育教學質(zhì)量，落實為黨育人，為國育才的教學目標。

參考文獻：

[1]蘇寶勝.“新工科”背景下民辦高校專業(yè)建設與教學改革——以青島濱海學院土木工程專業(yè)建設為例[J].教育觀察，2017，6（23）：72-74.

[2]馬見青，邵廣周.基于工程教育認證的大學課程考核模式探索——以長安大學“地球物理反演概論”為例[J].大學教育，2019，12.

[3]甄德山.?教學模式及其管理淺議[J].天津師大學報，1984（5）.

[4]柳海民.略論教學過程模式研究的意義[J].東北師大學報（?教育版），1988（4）.

基金項目：河北省高等教育教學改革研究與實踐項目（2021GJJG485）；防災科技學院教育研究與教學改革項目（JY2020A01、JY2021A03）；河北省高等學校科學技術(shù)研究項目（ZC2021213）；中央高校基本科研業(yè)務費專項（ZY20215136）

作者簡介：武曄（1975—??），女，內(nèi)蒙古集寧人，碩士，副教授，主要從事勘探地球物理和信號處理方面的教學及科研工作。

*通訊作者：萬永革（1967—??），男，博士，教授，主要從事地震學和信號處理方面的教學及科研工作。