基于ARCS動機模型的信號與系統網絡實驗課堂的構建

周小云

摘 要：高校實驗課程的教學質量是高校從教者日益關注的一個問題。在“信號與系統”實驗課程教學設計中，以ARCS 動機模型四要素（注意、關聯、自信、滿足）激發和維持學習者的學習動機，采用MATLAB仿真軟件和中國大學MOOC平臺校內SPOC，嘗試構建網絡實驗課堂。比較前后的教學效果、學生學習興趣及動手能力有較大提升。

關鍵詞：ARCS動機模型；信號與系統實驗；教學設計；網絡實驗課堂

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）07-0039-03

一、問題的提出

“信號與系統”是高校工科類一門重要的專業基礎課程。其應用非常廣泛，但該課程理論性強，學習難度大，其傳統的課程實驗更為抽象晦澀，學生一方面提不起興趣，另一方面難以理解和應用。以下是一個對傳統信號與系統實驗課的調查統計表。

二、問題的分析與解決

上述調查表明，學生在實驗過程中覺得趣味性強和收獲較大的非常少，只占到了2%，而可參與同伴的討論也只有2%，不到四成的學生能對基本概念和分析方法了解清楚。因此，采用合適的方法來提高實驗課程的趣味性和參與度是關鍵。主要采用了以下三種方式。

（一）使用ARCS動機模型增強學生的興趣和自信

研究表明，學生學習成績中16%～20%甚至30%的差異，是由學習動機造成的[1]。ARCS 模型由美國佛羅里達大學的約翰·凱勒教授在1983年提出。他將動機作為學習的核心因素，主張以學習動機的激發與保持為線索進行教學設計，總結出四個基本要素：注意（Attention）、相關 （Relevance）、自信（Confidence）、滿足（Satisfaction）。注意、相關、自信和滿足的四個英文單詞的首字母便組合成一個ARCS模型[2]。這四個基本要素基本上可以作為我們設計活動的一個支架，來指導我們進行相關活動和策略的設計。在“信號與系統”實驗課程的教學設計中，可精選融合實驗知識點的情境，結合此四要素層層遞進：首先引入情境，拋出任務，引起注意力；然后分析問題，讓學生體驗實驗任務與自身學習和生活的相關性；接著巧設討論題，安排小組遞進式討論，激發學生完成任務的自信心；最后優秀作品展示，讓學生從中獲得滿足感。

（二）使用MATLAB仿真軟件提升實驗直觀度

“信號與系統”實驗課程涉及了大量抽象零散的知識點，如信號的頻譜，信號的帶寬，系統的頻率響應等。傳統的實驗教學大多采用實驗箱配合示波器，只能進行一些簡單的信號和波形演示，形式單一且不直觀，而MATLAB仿真軟件具有強大的數據處理和圖像處理功能，可以方便快捷地分析各類信號特點以及系統特性。運用MATLAB，使學生易于接受抽象的理論，更深刻地理解實驗內容。

（三）使用中國大學MOOC平臺校內SPOC提高學習能動性

網絡課堂的發展與普及對現代教育起到了深遠的影響。中國大學MOOC平臺校內SPOC給學生學習提供更多的自主性和參與的方式，“信號與系統”網絡實驗課堂主要由課堂講解、主題討論、提交報告、拓展應用等模塊組成。課堂講解模塊由教師課前上傳實驗相關的視頻、文檔等資料，方便學生反復根據自身需要觀看并全程在線提示；主題討論模塊方便興趣小組集中討論，解決問題，提高參與度；提交報告模塊可形成電子實驗報告，作品展示可讓更多的學生看到更好的作品并實現隨機小組互評；拓展應用模塊分為課后管理和實踐創新兩部分，課后管理主要包含實驗報告評判、課后答疑，針對學生在實驗中產生的創新思維還可聯系校內電子創新實驗室進行更深層次的研究。

三、教學實施過程

下面以“信號與系統”課程的一個實驗為例介紹具體的教學實施過程。

（一）引入情境，引起注意力

德國一位學者有過一個精辟的比喻：將15克鹽放在你的面前，無論如何你也難以下咽。但當將15克鹽放入一碗美味可口的湯中，你在享用佳肴時，就將15克鹽全部吸收了。情境之于知識，猶如湯之于鹽。鹽溶于湯中，才能被吸收；知識需要溶于情境之中，才能顯示出活力和美感。

此次實驗課的第一個環節則是觀看上傳至網絡課堂的香港影片《無間道》中有關莫爾斯碼的片段，并提示學生仔細觀察，注意影片里所發出的神秘信號。通過電影片段將此次課程所講授的內容引出，引人入勝。影片中港方臥底陳永仁通過莫爾斯碼巧妙地給上司傳遞信息：情況有變，真正的交貨地點在……借用此情境，信號y（t）含有關鍵的地點信息，我們要完成的任務就是從該信號中破譯出黑幫的真正交貨地點。

（二）分析問題，體驗相關性

學生看完視頻后興趣盎然。ARCS動機模型第二個要素是相關，使學習者體驗到學習活動的切身性，將學習者的注意力轉化為求知的欲望，從而達到維持注意力強化動機的目的。這里的關聯性即是用已學過的理論知識來解決現在這個應用問題，來破譯黑幫交貨的真正地點。

此時教師可對任務進行簡單的分析，并對所獲得的數據進行簡單的介紹。

引導學生觀看網絡課堂上的第二個講解視頻，視頻中首先引導觀察莫爾斯碼表，發現表中的基本元素只有兩個：一個為點，一個為下劃線，分別稱之為dot、dash。大家所關心的中文電碼則先由莫爾斯碼表示數字，再由4個數字的組合來表示漢字。

接著引導觀察數據形式：y（t）=x1（t）cos（2πf1t）+x2（t）cos（2πf2t）+x3（t）sin（2πf2t）+x4（t）sin（2πf1t）

簡單介紹datamod.mat數據文件中的各個變量af，bf，dash，dot，f1，f2，t，y1，y2，y3，其中y1，y2，y3都形與y。

教師使用matlab仿真工具直觀展示部分變量的波形圖。圖像形式歷來比普通的文字有感染力。仿真工具的使用省去了大量的計算時間，可使思維集中在分析方法上，并且網絡課堂視頻的形式可方便學生反復觀看，照顧不同學習進度的學生，讓學生有更大的自主性。

此番講解后，學生覺得這個有趣的問題確實和自己先前所學密切相關，能利用所學解決問題，學習動機繼續保持。

（三）小組遞進式討論，激發自信心

ARCS動機模型第三個要素是自信。學習者將注意力集中到學習活動上，并產生了相關的切身性體驗，這并不代表學習就一定能夠繼續下去，學習過程中的困難很可能成為學習者中斷學習的重要原因，這時就需要學習者具有能夠幫助自己克服困難，跨越阻礙的動力，需要建立“經過自己的努力，我能夠完成，能夠達到”的信心。

在上課之前學生自由組合，每3人組成一個興趣小組。研究表明團隊有助于學習的持續性。

同時教師一直提供在線支持，不斷地進行提示，甚至把問題步驟化，一步一步地走。此次實驗中，教師提供前續課程中用到的仿真函數，可方便觀測數據中各變量的波形圖。提供濾波器系統，也可自行使用仿真工具設計。并把任務步驟化，以思考問題形式給出，同時顯示在網絡課堂的主題討論板塊，明確討論主題。

問題1：系統的功能。（低通，高通還是帶通？或者別的什么功能？）

問題2：是不是所有的dash dot組合都能基本保持

原狀通過此系統。（可用MATLAB仿真試試）

問題3：dash dot及組合的信號帶寬是多少？

問題4：如何從y1中分離出x1，x2，x3，x4（有可能用到低通濾波器），并展示分離后的波形圖。

通過引導，部分小組也可在無從下手的境況中進入有序狀態。組內討論后若還有疑問可以發帖咨詢，倡導小組之間通過主題討論區互相答疑，回帖數及點贊數都能統計加分，教師也視情況適當參與。

（四）優秀作品展示，獲得滿足感

ARCS動機模型第四個要素是滿足，也就是學生的成就感。“當我做完此應用或實驗后，我會覺得我做得很不錯，我學的知識很有用?！绷硗馑麜X得：“這確實是自己努力的結果，只要我努力了，就能得到這樣的成果，就能夠實現自己的目標，變成自己想要的樣子?！边@就是學生需要建立的滿足感。

各小組邊討論，邊記錄成電子實驗報告，逐個解決問題直至得出最后的破譯方案。

1個小時后教師在線給出破譯的交貨地點為龍鼓灘。

各小組對照后可以根據自身情況查錯，有異議可與其他正確破譯的小組討論，各小組都可以把討論情況記錄在實驗報告上并提交電子版到網絡課堂上。

這樣線上線下的互動一直在持續，學生能感覺到來自同伴的鼓勵及教師的關注！

破譯成功完成后，思維發散，安排各小組去進一步分析此數據的組成規律，思考若要傳遞“我愛你”三個漢字，此數據該如何組合？（提示：反觀成功破譯的龍鼓灘）

各小組在理解方案及數據規律后，可編輯成其他的秘密漢字信息傳送到網絡課堂的討論板塊，各小組間相互破譯，并依據正確的漢字信息及成功的破譯，在網絡課堂的作品展示板塊進行展示（標明信息提供小組及成功破譯小組）。此過程中，教師給予肯定與鼓勵，并在網絡課堂瀏覽參與討論板塊，上傳可展示作品，若有新的創意還可聯系校內電子創新實驗室進行更深層次的研究。

此實驗課程結束后，學生們是興奮并滿足的。

ARCS 動機策略注意動機的激發和維持，借助一系列策略，強化和維持學習者的興趣，還特別重視學習的趣味性，以達到提高教學質量的目的。在網絡實驗課堂模式下融合ARCS 動機模型的這一教學設計理念對于高校實驗課程的教學設計具有較大的借鑒意義。表2為實驗課程結束后的調查問卷總結。從表中可以看出基于ARCS動機模型的網絡課堂實驗教學有利于改變教學中“學習者學習動機水平逐漸減弱”的現狀，提高教學效果。

參考文獻：

[1]張祖忻.如何將動機原理整合于教學設計過程——談約 翰·凱勒教授的動機系統學說[J].開放教育研究，2003，（2）.

[2]趙琰.信號與系統實驗教學改革初探[J].實驗室科學， 2010，（4）.