翻轉(zhuǎn)課堂在“Matlab與通信系統(tǒng)仿真”教學(xué)中的實踐

張 昱， 彭 宏， 盧為黨

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院， 浙江 杭州 310023)

0 引言

“Matlab與通信系統(tǒng)仿真”是我校通信工程專業(yè)的一門專業(yè)選修課，是在“通信原理”等理論課程的基礎(chǔ)上，重點傳授使用Matlab軟件仿真分析通信系統(tǒng)模塊性能的專業(yè)技能。

Matlab軟件教學(xué)是通信工程本科培養(yǎng)中非常重要的一環(huán)。Matlab本身提供了數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言以及可視化交互式環(huán)境，其具有編程語言及語法簡單直觀、繪圖簡便、矩陣及數(shù)組運算高效等優(yōu)點。此外，Matlab具有豐富的函數(shù)庫，包括矩陣運算、信號處理、繪圖等，以及豐富的數(shù)學(xué)優(yōu)化函數(shù)和工具箱。對于通信工程專業(yè)教學(xué)，Matlab在“通信原理”、“信號與系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”等課程中可以作為有效的教學(xué)輔助工具[1][2]。此外，它也是對于電子信息類本科畢業(yè)設(shè)計以及研究生階段科研工作的常用科學(xué)工具。

目前，我校“Matlab與通信系統(tǒng)仿真”課程教學(xué)主要由教師為主體的課堂教學(xué)環(huán)節(jié)以及學(xué)生實驗環(huán)節(jié)構(gòu)成。由于該課程課堂教學(xué)環(huán)節(jié)課時有限，而以教師講授為主的教學(xué)模式不利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以及培養(yǎng)其獨立思考能力，因此部分學(xué)生經(jīng)過課堂教學(xué)環(huán)節(jié)后對于仿真思路掌握仍不夠充分，繼而影響實驗環(huán)節(jié)教學(xué)，最終導(dǎo)致整體教學(xué)效果不夠理想。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)理念是在教學(xué)過程中“以學(xué)生為中心”，將部分學(xué)習(xí)任務(wù)放在課前，課內(nèi)注重知識內(nèi)化，其相較于傳統(tǒng)教學(xué)方法，更有利于引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)[3]。國內(nèi)高校電子信息類專業(yè)課程的實施案例表明其能夠有效提升教學(xué)效果[4]～[7]。

本文分析了“Matlab與通信系統(tǒng)仿真”課程教學(xué)現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式構(gòu)建與具體實施過程。學(xué)生期末成績分布以及學(xué)生問卷反饋表明，翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用于本課程教學(xué)獲得了較好的教學(xué)效果。

1 “Matlab與通信系統(tǒng)仿真”教學(xué)現(xiàn)狀分析

“Matlab與通信系統(tǒng)仿真”課程屬于軟件工具教學(xué)課程，針對我校通信工程大三學(xué)生開設(shè)。在專業(yè)培養(yǎng)方案中為32學(xué)時，其中課堂以及實驗教學(xué)環(huán)節(jié)各16學(xué)時相互交替。因此，該課程的課堂教學(xué)時間是非常有限的。需要注意的是，教師不僅僅需要講授Matlab的基本編程語言和語法，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生使用Matlab來進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真的思路，這就要求將Matlab編程知識與通信工程專業(yè)知識教授有機結(jié)合，對課堂教學(xué)提出了很高的要求。以往該課程的教學(xué)模式是在課堂教學(xué)階段教師根據(jù)上次實驗學(xué)生報告情況講解實驗普遍疑點和困難點，再向?qū)W生講授Matlab編程語言、語法、基礎(chǔ)專業(yè)知識以及系統(tǒng)仿真實例，在實驗教學(xué)中由學(xué)生上機編程，教師指導(dǎo)。然而，筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，該教學(xué)模式依然存在著一些問題。

“Matlab與通信系統(tǒng)仿真”課程的目的是讓學(xué)生掌握Matlab編程語言，培養(yǎng)基本的通信系統(tǒng)仿真能力，前置課程是“通信原理”、“信號與系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”等通信專業(yè)類課程。通過總結(jié)往年的授課過程，筆者發(fā)現(xiàn)由于學(xué)生在大一、大二學(xué)習(xí)過基礎(chǔ)編程語言類課程，都具備一定的C以及C++編程語言基礎(chǔ)，在理解Matlab編程語言和語法方面并沒有太大問題。然而由于學(xué)生對于通信原理、信號與系統(tǒng)的知識概念及原理理解層次不齊，或已經(jīng)有所遺忘，因此教師在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)不僅需要講解Matlab的編程語言，還需要講解通信系統(tǒng)相關(guān)概念與原理，這樣反而壓縮了通信系統(tǒng)仿真實例講解的時間，也使得學(xué)生課堂參與討論的時間非常有限，而這一部分內(nèi)容是學(xué)生掌握Matlab仿真的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。另一方面，大部分時間由教師單向講授編程實例的講課模式，不利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，部分學(xué)生課堂參與度不高，教學(xué)效果打折扣。在實驗環(huán)節(jié)中，由于部分學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果不佳、沒有課后消化，對仿真思路理解不到位，也有部分學(xué)生反映“上課能聽懂，自己動手仿真卻沒有思路”，經(jīng)常出現(xiàn)課內(nèi)無法完成實驗的情況。因此，最終教學(xué)效果不夠理想。

從上述教學(xué)現(xiàn)狀可以看出，“Matlab與通信系統(tǒng)仿真”課程中Matlab基本編程語言、語法知識部分對于有一定編程基礎(chǔ)的學(xué)生來說是可以較為輕松地獨立學(xué)習(xí)的，另一方面，通信系統(tǒng)仿真所需要的通信工程專業(yè)知識本不應(yīng)該在課堂上講解，而應(yīng)該在課前由學(xué)生根據(jù)自身情況回顧、查漏補缺。在課堂環(huán)節(jié)應(yīng)該注重的是使用Matlab軟件進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真的思路培養(yǎng)與知識內(nèi)化。比較好的方式應(yīng)該是學(xué)生研討與教師講授相結(jié)合，這樣可以有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的能力，更好地掌握仿真編程思路。由此看來，翻轉(zhuǎn)課堂模式非常適合Matlab課程的教學(xué)。Matlab中的編程語法基礎(chǔ)以及系統(tǒng)仿真中相應(yīng)的前置專業(yè)知識點可以由學(xué)生在課前學(xué)習(xí)，在課堂教學(xué)中可以主要側(cè)重仿真實例研討，通過學(xué)生報告、研討，教師講授、答疑等方式進(jìn)行。因此可以有效提升課堂教學(xué)效率。

2 基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式構(gòu)建與實施

基于翻轉(zhuǎn)課堂理念的“Matlab與通信系統(tǒng)仿真”課程教學(xué)模式如圖1所示，主要分為三個教學(xué)模塊。

(1)課前學(xué)習(xí)：教師根據(jù)授課內(nèi)容以及學(xué)生前置課程基礎(chǔ)，準(zhǔn)備課前學(xué)習(xí)資料，包括相應(yīng)知識點微視頻、配套學(xué)習(xí)資料等；學(xué)生預(yù)先學(xué)習(xí)課前資料完成任務(wù)；教師根據(jù)學(xué)生提交的課前學(xué)習(xí)成果調(diào)整課堂授課研討內(nèi)容。

(2)課堂及實驗教學(xué)：教師引導(dǎo)、組織學(xué)生匯報、討論課前學(xué)習(xí)成果、前一次課內(nèi)實驗以及進(jìn)行本次課仿真實例講解和研討。在實驗教學(xué)中，布置實驗內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生實驗。

圖1 “Matlab與通信系統(tǒng)仿真”課程教學(xué)模式

(3)課后反饋以及考核評價：教師根據(jù)學(xué)生實驗完成情況、實驗報告、問題以及反饋等調(diào)整課程內(nèi)容。根據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式建立課程考核評價體系。

在整個課程學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生以學(xué)習(xí)小組的形式進(jìn)行學(xué)習(xí)，一般小組成員為2-3人，由學(xué)生自行分組。學(xué)習(xí)小組有利于基礎(chǔ)不一的學(xué)生之間互相討論、幫助和督促。

2.1 課前學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)

課前學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，教師首先需要根據(jù)本次課教學(xué)內(nèi)容設(shè)計課前學(xué)習(xí)內(nèi)容，一般包括兩部分：一是下次課所使用到的Matlab編程語法和函數(shù)用法知識點，這一部分內(nèi)容一般集中在整個課程的前半段，課程后半段由于學(xué)生對Matlab已經(jīng)比較熟悉，這一部分可以縮減；第二部分為下次課仿真實例所需要的專業(yè)背景知識點，主要為本課程前置專業(yè)基礎(chǔ)課知識，比如對于通信系統(tǒng)的基帶信號仿真這一課程內(nèi)容，需要的知識點即為“OOK，2FSK，2PSK的調(diào)制與相干解調(diào)原理”。需要注意，專業(yè)背景知識點不需要特別詳細(xì)，只需要起到“提綱”作用，讓學(xué)生明了下次課所需知識點，根據(jù)自己掌握情況，查漏補缺。

上述學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計參考國內(nèi)外優(yōu)秀的Matlab編程基礎(chǔ)教材以及通信系統(tǒng)Matlab仿真教材，比如“Matlab programming”、“現(xiàn)代通信系統(tǒng)(Matlab版)”、“通信原理基于Matlab的計算機仿真”等。教師制作并發(fā)布供多種形式的課前學(xué)習(xí)資料，包括錄制微視頻(課件錄屏)、準(zhǔn)備課件以及文檔。考慮到學(xué)生課前學(xué)習(xí)時間不宜過長，錄制的每個短視頻在10分鐘左右。課前學(xué)習(xí)資料通過課程微信群以及校內(nèi)超星線上平臺發(fā)布，便于學(xué)生取用學(xué)習(xí)。

為了督促學(xué)生切實地完成課前學(xué)習(xí)，教師還需要布置課前學(xué)習(xí)小課題，要求學(xué)生在課前完成并提交課題成果，包括文檔、仿真代碼等，并在課堂環(huán)節(jié)進(jìn)行小組匯報。要求完成的學(xué)習(xí)任務(wù)一般為Matlab報告、課前學(xué)習(xí)報告中出現(xiàn)的共性問題、以及當(dāng)前課堂匯報的內(nèi)容(包括專業(yè)知識點、仿真代碼)進(jìn)行提問、答疑等交互，以達(dá)到引導(dǎo)各組學(xué)生討論，糾正學(xué)生知識理解錯誤，以及啟發(fā)學(xué)生仿真編程思路的作用。學(xué)生報告以小組的形式展開，原則上每位組員都要上臺就某一點作報告，這樣可以起到督促每位同學(xué)認(rèn)真準(zhǔn)備匯報，理解課堂以及實驗內(nèi)容的作用，避免了組員不參與匯報“渾水摸魚”的情況。這一階段控制在20分鐘左右。

2.2 課堂及實驗教學(xué)

之后進(jìn)入第二階段，由教師對本次課堂教學(xué)主要內(nèi)容以兩到三個Matlab仿真實例的形式進(jìn)行講解，組織各組學(xué)生學(xué)習(xí)與研討。例如可以對于仿真思路，課件上的部分代碼解釋等進(jìn)行提問和小組討論。經(jīng)過課前學(xué)習(xí)以及第一個環(huán)節(jié)，學(xué)生應(yīng)該對本次課程內(nèi)容有一定的基礎(chǔ)和理解，可以研討較為復(fù)雜的仿真實例。仿真實例從國內(nèi)外優(yōu)秀教材中選取或改進(jìn)，便于學(xué)生理解和強化相專業(yè)關(guān)知識點以及Matlab通信系統(tǒng)仿真的思路。例如對于第二講“信號與線性系統(tǒng)”，選取的仿真實例為“正反傅里葉變換的Matlab實現(xiàn)”以及“信號通過帶通系統(tǒng)仿真”。可以看出圖2中的課前學(xué)習(xí)對于幫助學(xué)生學(xué)習(xí)上述仿真實例是很有幫助的。

實驗環(huán)節(jié)的學(xué)生實驗內(nèi)容一般從課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的仿真實例出發(fā)，在原理、系統(tǒng)、仿真代碼上有一定變化或進(jìn)一步加深。此外，每次實驗會布置具有拓展性、挑戰(zhàn)性的額外仿真任務(wù)，包括當(dāng)前通信專業(yè)前沿研究方向，供基礎(chǔ)較好的學(xué)習(xí)小組完成。以此達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生Matlab編程能力，培養(yǎng)編程仿真思路的目的，同時，對于基礎(chǔ)不同的學(xué)習(xí)小組，也能有所區(qū)分。

2.3 學(xué)生反饋和課程考核評價

課后教師根據(jù)學(xué)生的課前學(xué)習(xí)報告、課堂匯報、實驗報告等，分析學(xué)生對知識點和仿真思路掌握情況，據(jù)此調(diào)整之后的教學(xué)內(nèi)容。此外，利用微信群、線上教學(xué)平臺等可以隨時與學(xué)生討論、答疑，收集學(xué)生的反饋意見，實時改進(jìn)教學(xué)。在學(xué)期末，教師設(shè)計教學(xué)效果問卷，讓學(xué)生填寫后，收集問卷，分析教學(xué)模式效果，進(jìn)一步修正、完善教學(xué)模式。

圖2 校內(nèi)線上教學(xué)平臺課前學(xué)習(xí)頁面

另一方面，由于學(xué)生在課前學(xué)習(xí)上花費了精力，也為了督促、鼓勵學(xué)生進(jìn)行課前學(xué)習(xí)，傳統(tǒng)教學(xué)模式中僅僅基于學(xué)生課堂表現(xiàn)、實驗表現(xiàn)以及期末上機考察的評價體系不再適用，需要對學(xué)生課前學(xué)習(xí)成果亦進(jìn)行評價。在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下課程考核評價體系如表1所示。平時成績分為課前學(xué)習(xí)、課堂表現(xiàn)以及實驗表現(xiàn)，對于學(xué)生提交的課前學(xué)習(xí)成果、課堂小組匯報及討論、實驗報告進(jìn)行評價，適當(dāng)降低期末上機考察的分?jǐn)?shù)比重，體現(xiàn)過程性考核理念。

表1 “Matlab與通信系統(tǒng)仿真”總評成績構(gòu)成

3 實施效果

筆者于2018/19學(xué)年第二學(xué)期對于“Matlab與通信系統(tǒng)仿真”課程的一個教學(xué)班(通信工程16級)實施了上述基于翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，其實施效果如下。

3.1 學(xué)習(xí)成績分析

圖3展示了采用本教學(xué)模式的學(xué)生期末上機考察成績分布與上一學(xué)年教學(xué)班的對比圖。從圖中可以看出，表現(xiàn)優(yōu)秀以及良好的學(xué)生數(shù)高于上一學(xué)年，而表現(xiàn)一般以及上機考察未通過的學(xué)生數(shù)低于上一學(xué)年，反映了本文教學(xué)模式的實施有利于學(xué)生掌握仿真編程思路和方法。

圖3 期末上機成績對比

3.2 學(xué)生反饋分析

筆者在期末采用問卷星向?qū)W生發(fā)放線上問卷，統(tǒng)計學(xué)生對于各教學(xué)環(huán)節(jié)對學(xué)習(xí)幫助程度的看法，以此分析教學(xué)效果。問卷結(jié)果如表2所示。

從問卷結(jié)果可以看出，學(xué)生總體對翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式較為滿意，認(rèn)為對本課程的學(xué)習(xí)有所幫助。這里值得注意的是對于第三項“由學(xué)生講解課前作業(yè)與實驗結(jié)果”，學(xué)生認(rèn)為對其學(xué)習(xí)幫助程度明顯低于其他教學(xué)環(huán)節(jié)，但是結(jié)合第二項“課前準(zhǔn)備課堂匯報”統(tǒng)計結(jié)果來看，課前準(zhǔn)備課堂匯報能很好地督促學(xué)生課前學(xué)習(xí)，但課堂匯報環(huán)節(jié)教學(xué)效果還不夠理想，原因是輪到基礎(chǔ)較差學(xué)習(xí)小組的課堂匯報時，由于小組成員知識理解、仿真思路掌握不到位，對其他同學(xué)幫助不大。針對這類情況，應(yīng)該由教師更多地參與講解、答疑等，或鼓勵其他學(xué)習(xí)小組補充匯報，相信能提升該環(huán)節(jié)教學(xué)效果。

表2 教學(xué)效果問卷調(diào)查統(tǒng)計表

4 結(jié)語

本文討論了“Matlab與通信系統(tǒng)仿真”課程教學(xué)現(xiàn)狀，提出了將翻轉(zhuǎn)課堂模式應(yīng)用于該課程教學(xué)中的教學(xué)模式。(張 昱等文)

從實施效果來看，翻轉(zhuǎn)課堂有利于調(diào)動學(xué)生積極性，提升課堂教學(xué)環(huán)節(jié)效率，能更有效地培養(yǎng)學(xué)生編程仿真思路。本文可以為其他編程仿真類課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式設(shè)計和實施提供很好的借鑒。