面向創新實踐的混合式教學法應用
——以“現代通信系統原理”課程為例

□ 劉曉莉 肖軍華 王碧云

隨著我國智能電網建設的推進和能源互聯網研究的發展，信息與通信技術在電力工業的“源-網-荷”各部分將發揮更加重要的作用?！艾F代通信系統原理”課程是武漢大學電氣工程專業本科生的選修課，1.5學分，27學時。該課程不僅理論性較強，而且對學生熟練運用理論知識進行分析、設計和開發的實踐能力要求也較高。在傳統教學模式下，一方面由于學時限制，該課程的任課教師難以通過短暫的課堂時間與學生進行充分溝通交流來掌握學生的學習進展情況，不能很好地對學生的學習進行跟蹤管理，并及時地提供指導與幫助，導致很多學生學習這門課程后感到內容偏難，不會應用。另一方面，當今互聯網、大數據時代通信和信息技術飛速發展，新理論和新應用層出不窮，亟須學生建構相關知識的自主學習能力，并加強學生之間的協作和互動，以拓展思維方式，提升知識運用能力。因此，任課教師需要探索更有效的教學方式來促進學生對本課程內容的學習掌握，進一步有機融合信息通信技術與電氣專業知識，努力培養學生的整體素養、綜合能力和專業崗位勝任力。

一、基于學科本體分析的教學內容整合

“現代通信系統原理”課程的學習不應僅將教學目標定位于如“通信系統一般模型”“香農信道容量公式”等知識內容的記憶，教師授課的任務也不僅是將教材內容簡單映射到學生的大腦當中，授課的結果不能僅僅滿足于學生能對所學知識的復述或重復，而應該以學生為中心，由教師啟發學生共同主動、積極地完成教學過程，使學生能夠建立新學知識、已學知識、所掌握的知識簇之間的關聯，做到融會貫通，進一步掌握解決問題的體系及應用方法，并轉換為解決問題的能力。

從學科本體分析的角度出發進行教學內容整合，不僅可以充分考慮課程中所有知識點之間的關聯，而且學生能夠在學習每個知識點的基礎上形成所需技能。針對“現代通信系統原理”所屬的信息學科和授課學生所屬的電氣工程專業，授課教師需要深入、系統、全面地分析和挖掘該課程所要教授的知識，對應這些知識要培養的學生能力，要形成這些能力需要學生掌握的基礎應用方法和決策性方法等。為此，可將“現代通信系統原理”課程學科本體分為概念層、方法層和控制層三個層次，如圖1（P31）所示。其中，概念層集中于描述性的概念知識，主要是構成學科的基本概念、基本規律的屬性及聯系的描述性內容，包括通信系統模型、性能指標等；方法層包括與解決具體概念知識相對應的規律與操作規程，或者解決某些類別問題的方法和步驟，其中既包括方法性的知識，也包括對應的能力，如信號與頻譜分析等；控制層是對多種概念層本體、方法層本體在不同情境和條件下進行組合和應用的知識與能力，包括模擬調制系統、正弦載波數字調制系統等內容。

圖1 課程學科本體分層結構

依據圖1的“現代通信系統原理”課程的學科本體分層結構，對不同層次、不同類型的知識點應采用不同的教學方法。

第一，概念性知識是對客觀世界的認識，主要是以文字、符號等方式將事物的屬性、內在規律、事物之間的關系等描述出來的知識，其教學的關鍵是還原知識的本來面目，讓學生通過多種感官獲得知識、體驗知識。除了課堂講解，主要采用以實際生活學習中的常見現象為例的方式，幫助學生理解內容，掌握概念。例如，在講授調制概念時，如果僅說“調制就是將基帶信號加載到高頻載波上進行傳輸的過程”，即使附加圖解，學生也較難理解。但是，如果將調制過程比作貨物通過車輛運輸過程，貨物好比基帶信號，貨車好比高頻載波，高速公路好比信道，學生不僅馬上理解了概念，而且可以舉一反三，牢固掌握。

第二，方法性知識及操作能力需要提供解決問題的方法，轉化需要應用方法的環境，其教學的關鍵是營造有效的環境，使學生有機會系統應用方法、解決問題、理解和體驗方法，形成解決問題的能力。例如，授課教師可以安排學生在學習了香農信道容量公式后，利用該公式中各物理量之間的關系分析和比較調頻系統和幅度調制系統的性能，并說明通信系統有效性和可靠性之間的關系。

第三，控制性知識及駕馭能力包括分解問題、選擇方法、集成結果、調度過程、獲得新知、抽取信息等方法與能力，關鍵是設計好問題體系，通過問題驅動學生，訓練學生系統而深入地駕馭、應用知識的能力。例如，在講授數字載波調制系統內容時，針對專業特點要求學生完成設計題：針對低壓電力載波通信信道干擾多、信道帶寬有限的情況，設計一種調制方式，使得在保證一定誤碼率的前提下，獲得較高的信道利用率。

二、混合式教學方法實踐

混合式學習一般是指多種學習方式的混合，特別是指在線學習和面對面的課堂學習的有效組合?？紤]到電氣工程專業本科生的通信基礎知識有限，為高效利用課上時間，課程組結合“現代通信系統原理”課程特點和圖1所示的該學科本體分層結構，首先對在線學習和面對面的課堂學習的交互內容進行設計，以充分體現以學生為中心的教學過程中學生的自主性與創造性，同時發揮教師引導、啟發、掌控的作用，使課程在教學交互中達到最優效果。其次，利用在線學習的豐富課程資源、友好交互和課外拓展協作、交流、討論，通過翻轉課堂形式提供給學生有效的個性化支持與快樂的學習體驗。最后，課堂內更集中于讓學生探討課前在線學習中遇到的問題，教師提供指導及對重要知識點的講解。

1.交互內容設計。在“現代通信系統原理”課程混合式教學設計中，按照圖1所示的課程本體分層結構，將交互內容設計分為經驗性、針對性和創新性三個設計層次。概念層內容一般根據經驗選擇交互內容：授課教師根據自己一節課的教學設計和安排，認為哪些環節和步驟可以應用就使用。例如，針對香農信道容量公式這一重要概念設計了擴頻通信系統、調頻系統等多個交互內容，使學生在理解基本概念的基礎上學習應用香農信道容量公式設計通信系統的方法；方法層內容一般采用針對性設計，授課教師根據一節課的教學設計和安排，分析每一個教與學步驟，準確找出整合點，按照整合點選擇合適的技術支撐方式開展應用；控制層內容一般采用創新性設計，在研究一節課最佳的學習方式與方法、構思理想學習過程的基礎上，找出內容整合點，并選擇合適的技術支撐方式和軟件開展應用。例如，將模擬信號數字化、基帶傳輸系統和正弦載波數字調制系統三章內容整合，要求學生利用所學理論知識和Matlab軟件設計并仿真實現一個語音信號發收系統。

2.翻轉課堂應用。電氣工程專業以專業選修課形式開設“現代通信系統原理”課程，學時少。盡管先修課程有“信號與系統”，但是相比電子與信息專業的學生，本專業學生在“概率論與數理統計”“隨機信號分析”等方面的相關數學背景知識有限，在講授和學習“信號與頻譜”章節中功率譜與自相關函數的關系、平穩隨機過程等內容時，學生難以理解和掌握。為此，通過翻轉課堂，課前要求學生預習如自相關函數等指定的參考資料和在網上搜集的素材，并回答要求掌握的相關知識點問題，課上針對學生回答問題的情況給予分析和講解，并提出延伸問題讓學生進一步思考和加深理解，以提高學生應用相關知識分析和解決實際工程問題的能力。此外，現代通信系統某些概念在日常生活中應用廣泛，如自相關函數概念在4G手機、WiFi路由器中普遍應用。因此，針對類似應用廣泛的知識點設計課后思考和上機練習作業題幫助學生加深理解。通過課前、課上、課后的認識、理解、鞏固的混合式教學過程，學生不僅全面理解和掌握了相關概念，而且能靈活運用，有效提升了學生的專業素養和理論聯系實際的能力。

為進一步幫助學生理解、掌握和鞏固所學知識，針對“現代通信系統原理”課程內容較抽象、實踐性強的特點，一方面，課程組利用學生已知的Matlab軟件在課前編寫制作部分微課程，課上通過翻轉課堂講解相關內容，并鼓勵學生對微課程提出意見和建議、參與微課程的制作。這樣的交互設計不僅對學生理解和掌握課程內容大有幫助，而且通過參與多樣的學習方式，提升了學生對Matlab等軟件的熟練運用能力，讓學生在多樣的教學交互中進一步培養和拓展了自己的學習能力和實踐能力。另一方面，在“現代通信系統原理”課程的教學實踐中，課程組建立了QQ互動平臺，學生可以在平臺上下載課件、共享學習心得、課前課后答疑反饋；課堂教學中利用“微助教”完成簽到、課堂問答等。借助這些信息化教學手段，豐富了教學內容、活躍了教學過程，使得學生的參與度大大增強，學生普遍反映上課更加有趣和富有吸引力。

3.教學效果評價。從基于學科本體分析的教學內容整合出發，課程組進一步構建了基于QQ、微信等信息化教學平臺，包括課程內容重點與難點講授、課程資源的收集整理、微課程的設計與開發、學習動機的激發、課堂討論交流答疑、小組協作研究課題、學習活動的選擇和設計等。相應地，教學效果評價不僅關注學生的課程學習成績，而且從多方面發現和發展學生能力，從多個方面開展評價，將討論與交流、拓展學習、課堂學習測評、基于項目作業的協作學習和指導等都記入課程總評成績。在教學實踐中，以總成績滿分100分計，課外作業、工程設計問題、討論與交流、拓展學習、課堂測評、小測驗以及期末考試分別占比為5分、10分、5分、5分、10分、25分、40分。

通過上述對“現代通信系統原理”課程教學內容進一步整合和混合式教學方式的有機應用，學生的學習興趣和課堂參與度顯著提高。學生選課人數、總評成績及教學效果評價得分等均穩步提升。

三、結論

針對電氣工程專業選修課程“現代通信系統原理”學時少、學生相關背景知識有限的情況，基于學科本體分析對教學內容進行了整合優化，借助混合式教學方法使線上－線下、課前/課中/課后的教學有機結合。實踐表明：混合式教學方式的應用激發了學生自主學習該課程及相關知識的興趣，提高了學生多方面的能力，培養了學生創新實踐、團結協作的多元復合能力，達到了更好的教學效果。但是，在教學實踐中也發現了混合式教學中的一些不足，如為了使課堂效果吸引眼球而引入大量網絡語言，導致教授效果偏于形式而忽略了基本概念和內容。因此，如何更好地利用混合式教學來改善傳統教學中的一些弊端，還需要不斷實踐和改進。

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