基于線上線下混合式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式探索與實踐

汪楓 劉潤華 唐文輝 張琳 周偉彬

關(guān)鍵詞：線上線下;翻轉(zhuǎn)課堂;統(tǒng)計信號處理;教學(xué)設(shè)計

在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式下，學(xué)員被動學(xué)習(xí)，課堂參與度低，互動少，不能吸引學(xué)員的興趣，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)教學(xué)的質(zhì)量和效果較差。軍校學(xué)員學(xué)習(xí)時間緊、內(nèi)容多，如何使學(xué)員全面、高質(zhì)量地獲取知識是軍隊院校現(xiàn)代課堂教學(xué)需要解決的一個問題。

線上教學(xué)模式突破了傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式在時間和空間上的限制，實現(xiàn)了課程內(nèi)容和資源的開放，便于學(xué)員利用碎片化時間進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)。而翻轉(zhuǎn)課堂是一個將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教員轉(zhuǎn)移到學(xué)員的大學(xué)教學(xué)新方式，其核心是使學(xué)員真正成為學(xué)習(xí)的主體。基于線上線下混合式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的主要特征是：學(xué)員自由選擇時間完成線上在線課程的學(xué)習(xí)任務(wù)，然后將自己不理解的問題記錄下來。線下課堂教學(xué)時間用于檢查線上學(xué)習(xí)情況和解決問題、講解難以理解的概念和拓展應(yīng)用、編程實現(xiàn)理論教學(xué)內(nèi)容并開展討論。教學(xué)內(nèi)容的講解不再占用線下課堂時間，使教員有更多時間與學(xué)員進(jìn)行一對一的溝通交流，由學(xué)員輪流講解線上學(xué)習(xí)內(nèi)容。這種混合式教學(xué)模式進(jìn)一步培養(yǎng)了研究生學(xué)員的自主學(xué)習(xí)能力、交流合作能力、口頭表達(dá)能力、理論算法編程仿真能力等，符合軍校研究生學(xué)員能力素質(zhì)培養(yǎng)要求。

2020年，軍隊院校加速了開展線上教學(xué)的步伐，我院研究生課程“統(tǒng)計信號處理”課程教學(xué)團(tuán)隊積極嘗試開展線上教學(xué)，并取得較好的教學(xué)效果。而線上教學(xué)的引入，明顯增強(qiáng)了學(xué)員的參與性與自主性，同時也提高了學(xué)員的積極性，為傳統(tǒng)教學(xué)注入了新的活力。因此在去年開展線上教學(xué)的基礎(chǔ)上，今年針對“統(tǒng)計信號處理”中部分內(nèi)容積極開展了基于線上線下混合式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的探索，下面從統(tǒng)計信號處理課程分析人手，結(jié)合統(tǒng)計信號處理課程內(nèi)容特點提出哪些內(nèi)容適合采用線上線下混合式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，并以“標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波應(yīng)用實例”這一典型教學(xué)案例，展示基于線上線下混合式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的課堂教學(xué)設(shè)計與實踐。

一、統(tǒng)計信號處理課程分析

“統(tǒng)計信號處理”課程是一門數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，理論性較強(qiáng)的基礎(chǔ)課程。在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，大量的公式推導(dǎo)使得傳統(tǒng)的課堂教學(xué)變得枯燥無味，很難使學(xué)員長時間的集中精力認(rèn)真聽講，學(xué)員普遍反映學(xué)習(xí)困難，趣味性不高，積極性不好調(diào)動。下面進(jìn)行詳細(xì)分析。

（一）課程基本信息

（1）課程名稱：統(tǒng)計信號處理。

（2）課程屬性：空軍預(yù)警學(xué)院研究生必修課，線上線下混合課程。

（3）線上課程：軍事職業(yè)教育平臺在線開放課程，國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院羅鵬飛教授開設(shè)的“統(tǒng)計信號處理”。

（二）課程教學(xué)目標(biāo)

通過本課程的教學(xué)，使本學(xué)科專業(yè)碩士研究生建立隨機(jī)信號統(tǒng)計處理方法的基本概念，掌握扎實的統(tǒng)計信號處理理論基礎(chǔ)，具備用統(tǒng)計的方法研究分析隨機(jī)信號處理問題的能力和解決工程技術(shù)問題的能力。為本學(xué)科專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)《現(xiàn)代雷達(dá)信號處理》《陣列信號處理》等后續(xù)課程以及進(jìn)行課題研究提供理論支撐、分析解決問題方法指導(dǎo)。

（三）課程學(xué)情分析

本門課程授課對象為2020級信息與通信工程相關(guān)研究方向6名學(xué)員。根據(jù)本期班學(xué)員情況看，主要有以下特點：

一是學(xué)員內(nèi)在動力足，學(xué)習(xí)積極性、主動性高。研究生學(xué)員相對于本科、大專學(xué)員最大的特點是有內(nèi)在的學(xué)習(xí)需求與動力，聽課注意力集中，能夠積極與教員互動。

二是先期課程基礎(chǔ)較好，與本課程要求基本相符。學(xué)員學(xué)習(xí)了“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”兩門先期課程，具備用變換的思想處理信號問題;學(xué)員學(xué)習(xí)了“數(shù)理統(tǒng)計”與“隨機(jī)過程”兩門課程，具備一定的統(tǒng)計思維能力。

三是利用Maflab仿真編程能力較弱。絕大多數(shù)學(xué)員沒有參加數(shù)學(xué)建模，不具備利用Matlab編程仿真能力。

（四）教學(xué)方法

本課程的核心內(nèi)容是解決信號檢測與估計問題，課程內(nèi)容具有理論性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)、實踐性強(qiáng)等特點。因此，在教學(xué)過程中，針對知識理論性強(qiáng)，采用優(yōu)質(zhì)在線開放課程資源，利用線上學(xué)習(xí)解決基本知識的掌握，課堂上重點解決學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，從而加深對知識的理解。針對知識綜合性強(qiáng)，應(yīng)力圖做到適當(dāng)結(jié)合前期所學(xué)基礎(chǔ)知識，加強(qiáng)課堂教學(xué)設(shè)計，力求引導(dǎo)學(xué)員自主利用前期基礎(chǔ)知識綜合分析在統(tǒng)計信號處理中的具體問題，從而不斷提高學(xué)員分析問題解決問題的能力。針對知識實踐性強(qiáng)，應(yīng)力圖做到結(jié)合實際應(yīng)用，將仿真編程貫穿整個教學(xué)環(huán)節(jié)，盡量多用直觀仿真結(jié)果說明問題、分析解決問題，降低知識理解的相對難度。

課堂教學(xué)中針對不同內(nèi)容模塊，結(jié)合在線開放課程資源、學(xué)員專業(yè)研究方向需求，緊扣教學(xué)目標(biāo)，研究匹配學(xué)員特點的教學(xué)策略設(shè)計。針對不同教學(xué)內(nèi)容，分別采取“啟發(fā)引導(dǎo)”“翻轉(zhuǎn)課堂”和“理實結(jié)合”的方法。

1.啟發(fā)引導(dǎo)

針對課程中理論性較強(qiáng)的基礎(chǔ)知識部分，采取啟發(fā)引導(dǎo)的教學(xué)方法，按照“導(dǎo)、做、思、評”四步開展教學(xué)。“導(dǎo)”就是引導(dǎo)，是啟發(fā)學(xué)生思考的講解，“導(dǎo)”要整體設(shè)計、把握要點，起到點睛的作用，“導(dǎo)”要貫穿教學(xué)的始終，開始導(dǎo)課要緊扣主題、引人人勝，中間導(dǎo)課要環(huán)環(huán)相扣，最后的導(dǎo)課要啟迪思考。“做”就是針對一些難以理解的知識點通過做仿真、做動畫等方式輔助，可以由教員課前做好，也可以在課堂上學(xué)員親自參與動手做一些仿真實驗。“思”就是思考，是學(xué)員在教員的引導(dǎo)啟發(fā)下對教學(xué)內(nèi)容的深入思考。“評”就是講評和總結(jié)，教員通過“評”梳理總結(jié)、同化新知，把新知識納入學(xué)員原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中。

2.翻轉(zhuǎn)課堂

針對課程中部分綜合應(yīng)用性較強(qiáng)內(nèi)容，采取翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法能提高學(xué)員課堂參與度，同時提升教學(xué)效益。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法以“三主”為核心開展教學(xué)，課前研學(xué)、課中討論、課后歸納突出“學(xué)員主體”，教員巧設(shè)疑問、層層追問、精準(zhǔn)小結(jié)體現(xiàn)“教員主導(dǎo)”，課堂討論緊扣課堂目標(biāo)、緊扣原理應(yīng)用、緊扣錯誤辨析抓住“問題主軸”。

一是教員主導(dǎo)。課前：教員利用網(wǎng)絡(luò)平臺，上傳資源，發(fā)布任務(wù);課中：課堂中教員采取問題牽引、問題啟發(fā)、類比歸納的教學(xué)方法組織教學(xué);課后：教學(xué)團(tuán)隊研討交流、總結(jié)反思、優(yōu)化教學(xué)設(shè)計。二是學(xué)員主體。課前：學(xué)員自主學(xué)習(xí)，自主探索;課中，學(xué)員根據(jù)課前準(zhǔn)備和思考積極參與教學(xué)活動;課后獨立完成思考題，以達(dá)到全面掌握的目標(biāo)。三是問題主軸。學(xué)員巧用網(wǎng)絡(luò)平臺討論區(qū)等，教員收集問題并精準(zhǔn)把脈，從而在備課時做到有的放矢，為課堂討論提供依據(jù)。

3.理實結(jié)合

針對課程中部分內(nèi)容實踐性強(qiáng)的特點，采用理實結(jié)合教學(xué)方法。結(jié)合學(xué)員不同專業(yè)研究方向，將檢測和估計理論問題化解為實際應(yīng)用問題，引導(dǎo)學(xué)員針對實際應(yīng)用，編程仿真加深對課程內(nèi)容的理解，化抽象為形象，讓學(xué)員學(xué)懂學(xué)會并能學(xué)以致用。

二、基于線上線下混合式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式典型教學(xué)案例探析

下面以教學(xué)時長約為45分鐘左右的“標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波應(yīng)用實例”為例，采用BOPPPS教學(xué)模式組織基于線上線下混合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，主要的教學(xué)流程設(shè)計如下：

（一）導(dǎo)入（Bridge-in）——教員引導(dǎo)，PPT、視頻輔助展示

以雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的視頻引入，介紹雷達(dá)航跡處理流程，引出本次課教學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)kalman濾波在雷達(dá)目標(biāo)跟蹤中應(yīng)用。

（二）教學(xué)目標(biāo)（0bjective）——PPT展示

1.知識目標(biāo)

理解卡爾曼濾波在雷達(dá)目標(biāo)跟蹤中應(yīng)用，能寫出兩坐標(biāo)雷達(dá)對勻速直線運動目標(biāo)跟蹤的狀態(tài)方程和觀測方程。

2.能力目標(biāo)

能夠編程實現(xiàn)兩坐標(biāo)雷達(dá)對勻速直線目標(biāo)跟蹤濾波，提高學(xué)員仿真編程能力。

3.情感與素質(zhì)目標(biāo)

通過探究目標(biāo)跟蹤實現(xiàn)過程，培養(yǎng)學(xué)員用統(tǒng)計學(xué)思維去判斷。

為順利開展后續(xù)的課堂教學(xué)活動，利用前測環(huán)節(jié)進(jìn)一步了解學(xué)員對前期知識掌握情況。

（三）前測（Pre-assessment）——檢查學(xué)員線上自學(xué)情況

（1）課前：布置線上學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)習(xí)在線開放課程“統(tǒng)計信號處理”6.5節(jié)：要求：寫出兩坐標(biāo)雷達(dá)對勻速直線運動目標(biāo)的狀態(tài)方程、觀測方程;寫出狀態(tài)矢量的初值、均方誤差陣的初值。

（2）課中：檢查學(xué)習(xí)情況，指定1名學(xué)員寫出勻速直線運動目標(biāo)狀態(tài)方程、1名學(xué)員寫出兩坐標(biāo)雷達(dá)的觀測方程、1名學(xué)員寫出狀態(tài)矢量的初值、1名學(xué)員均方誤差陣的初值。

通過前測，學(xué)員已經(jīng)掌握兩坐標(biāo)雷達(dá)對勻速直線運動目標(biāo)跟蹤的基本知識。下面可以進(jìn)行“參與式學(xué)習(xí)”。

（四）參與式學(xué)習(xí)（Participatory-Learning）——編程仿真

1.分析討論仿真條件和要求

（1）仿真條件分析：教員引導(dǎo)學(xué)員討論前測環(huán)節(jié)中給出的四個公式中初值的給定依據(jù)。例如：仿真樣本時間間隔T根據(jù)雷達(dá)常規(guī)轉(zhuǎn)速給定;觀測誤差根據(jù)現(xiàn)役典型雷達(dá)裝備技術(shù)指標(biāo)測距和測角精度給定。

（2）仿真要求：飛機(jī)類目標(biāo)運動速度為音速;目標(biāo)個數(shù)1個，跟蹤次數(shù)50次以上;蒙特卡洛仿真次數(shù)100次以上;結(jié)果輸出：分別畫出目標(biāo)真實航跡、測量值、預(yù)測值和濾波值，統(tǒng)計并畫出跟蹤結(jié)果的均方誤差值。

2.Matlab編程實現(xiàn)目標(biāo)跟蹤

（1）仿真流程分析：目標(biāo)點跡仿真、濾波初值給定、濾波算法遞推、仿真結(jié)果輸出。

（2）指導(dǎo)學(xué)員完成編程。

3.仿真結(jié)果展示與分享

根據(jù)學(xué)員仿真參數(shù)不同，指定學(xué)員分享仿真結(jié)果，討論初值給定參數(shù)對標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波結(jié)果的影響。

至此，新知識已經(jīng)學(xué)習(xí)完畢，接下來要檢測教學(xué)效果。“后測環(huán)節(jié)”可以拓展到三坐標(biāo)雷達(dá)對勻加速運動目標(biāo)的跟蹤。

（五）后測（Post-assessment）——三坐標(biāo)雷達(dá)勻加速直線運動目標(biāo)跟蹤

（1）狀態(tài)方程與觀測方程。引導(dǎo)學(xué)員對比分析得到勻加速直線運動的狀態(tài)方程、三坐標(biāo)雷達(dá)的觀測方程。

（2）初值給定。采用三點起始方法，得到位置、速度和加速度的初值;直接給出濾波均方誤差初值，具體公式推導(dǎo)過程課后推導(dǎo)。

（3）分組完成仿真。

（六）總結(jié)（Summary）——PPT展示

1.總結(jié)本堂課教學(xué)內(nèi)容

兩個方程建立：狀態(tài)方程、觀測方程。

兩個初值給定：狀態(tài)初值、均方誤差初值。

兩組迭代循環(huán)：狀態(tài)估計一預(yù)測、濾波均方誤差一預(yù)測均方誤差。

2.引出下堂課教學(xué)內(nèi)容

針對非勻速直線運動目標(biāo)情況，需要采取擴(kuò)展Kalman濾波算法，即為下節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容。

三、基于混合式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式教學(xué)效果分析與總結(jié)

通過對“標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波應(yīng)用實例”的課堂教學(xué)設(shè)計案例可以看出，該課堂強(qiáng)調(diào)的是通過合理選擇教學(xué)內(nèi)容和優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)安排，有機(jī)地將學(xué)員線上在線開放課程自學(xué)和線下課堂編程與討論融人課堂中;最大限度地激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的熱情，最后將學(xué)員變?yōu)檎n堂的主角，而教員只是負(fù)責(zé)引導(dǎo)學(xué)員學(xué)習(xí)的配角。

教學(xué)效果主要體現(xiàn)在對學(xué)員和對教員的影響兩個方面，對學(xué)員的影響主要有以下四點：

（1）通過創(chuàng)造一個自由平等、和諧融洽的課堂氛圍，鼓勵學(xué)員積極參與課堂討論，自主完成編程仿真，相互幫助查找代碼問題，交流仿真結(jié)果呈現(xiàn)方式，極大增強(qiáng)了學(xué)員在課堂學(xué)習(xí)的積極性。

（2）通過分享展示仿真結(jié)果，提升學(xué)員個人的口頭表達(dá)能力和思辨能力。

（3）分組完成后測環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)員團(tuán)隊協(xié)作能力及集體榮譽(yù)感。

（4）通過對標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波算法的推導(dǎo)和仿真實現(xiàn)，加深了學(xué)員對實際雷達(dá)裝備輸出情報質(zhì)量的理解，提高學(xué)員崗位任職能力。

對教員的影響主要有以下兩點：

（1）教員技能的提升。課前對BOPPPS六個教學(xué)環(huán)節(jié)的精心設(shè)計;課中熱情飽滿、積極引導(dǎo)學(xué)員;課后給學(xué)員提供及時線上反饋和答疑，同時對自己的教學(xué)進(jìn)行科學(xué)的反思與分析。這一系列的教學(xué)活動提高了教員在各方面的教學(xué)能力，讓教員的教學(xué)效果得到質(zhì)的提升。

（2）對“教學(xué)”的重新認(rèn)識。有教有學(xué)才是教學(xué)，因此課堂中不僅要做到有“教”，而且也要有“學(xué)”。要做到“有教有學(xué)”，從教員的角度來講，教員不僅能認(rèn)真?zhèn)湔n，積極創(chuàng)造條件讓學(xué)員學(xué)習(xí)（教員教）;同時也能激發(fā)學(xué)員的參與熱情，讓學(xué)員能做到“知無不言，妙不可言”，從而教員也能從學(xué)員身上學(xué)到新的知識或理念（教員學(xué)）。從學(xué)員的角度來講，教員不僅要努力讓學(xué)員做到能“學(xué)”，而且也能“教”。因此在課堂中應(yīng)積極創(chuàng)造“學(xué)員發(fā)言、學(xué)員講課、學(xué)員辨析、學(xué)員糾錯”等環(huán)節(jié)和機(jī)會（學(xué)員教），從而讓學(xué)員通過自己的努力，利用好自己的學(xué)科專業(yè)背景優(yōu)勢，給其他專業(yè)的學(xué)員和教員提供一個不一樣的視野和見解，做到學(xué)員能“教”的狀態(tài)。

四、基于線上線下混合式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的優(yōu)勢與面臨的挑戰(zhàn)

翻轉(zhuǎn)課堂的發(fā)展得益于信息化時代的到來，線上教學(xué)模式在各大軍校廣泛實施。傳統(tǒng)的規(guī)范化課堂教學(xué)很難適應(yīng)社會發(fā)展和學(xué)員的個性化需求，也推動我們運用基于線上線下混合式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式開展教學(xué)。其主要優(yōu)勢表現(xiàn)在以下兩個方面。

一是培養(yǎng)學(xué)員主動學(xué)習(xí)能力，提高課堂教學(xué)質(zhì)量。翻轉(zhuǎn)課堂顛覆了傳統(tǒng)課堂采用講授式的被動學(xué)習(xí)方法，而是采取構(gòu)建主義學(xué)習(xí)、問題導(dǎo)向和理實結(jié)合學(xué)習(xí)為主，輔以講授式的教學(xué)策略。這使得傳統(tǒng)課堂中被動式的學(xué)習(xí)模式得到改變，學(xué)員不再依賴于接受學(xué)習(xí)，而是對知識進(jìn)行自主的探索，教員與學(xué)員、學(xué)員與學(xué)員的互動在翻轉(zhuǎn)課堂里變得自然而且高效。翻轉(zhuǎn)課堂賦予了學(xué)員更多的學(xué)習(xí)控制權(quán)，學(xué)員通過自主調(diào)配學(xué)習(xí)時間，在完成教學(xué)目標(biāo)的同時也使自己的特殊要求得到滿足，促使學(xué)員的自主學(xué)習(xí)能力進(jìn)一步提高，也符合軍隊院校研究生教育的特點。

二是進(jìn)一步豐富教學(xué)方法，促進(jìn)教學(xué)模式改革。基于線上線下混合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式將傳統(tǒng)的教學(xué)觀念徹底推翻，學(xué)員通過網(wǎng)絡(luò)共享更多的優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，真正實現(xiàn)對不同學(xué)員的因材施教，充分滿足他們的個性化需求。教學(xué)從滿堂灌到協(xié)作學(xué)習(xí)、共享學(xué)習(xí)，促進(jìn)教與學(xué)的共同發(fā)展，更是有利于學(xué)員從“知識學(xué)習(xí)”向“知識應(yīng)用”的轉(zhuǎn)換。

但在實際教學(xué)過程中，這種教學(xué)模式也存在不小的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

一是課堂形式化問題出現(xiàn)。部分學(xué)員自己自制力不高，加上沒有教員的監(jiān)督，線上自學(xué)效果較差，在課堂討論中參與機(jī)會就少，可能導(dǎo)致一堂課下來，學(xué)員的上課效率比較低。

二是知識碎片化問題嚴(yán)重。傳統(tǒng)教學(xué)模式下，教員只需采取PPT和講解就能流暢的完成教學(xué)內(nèi)容的傳授，而在翻轉(zhuǎn)課堂中，教員將教學(xué)內(nèi)容劃分為視頻、文本和課件等多種形式呈現(xiàn)給學(xué)員，整體、系統(tǒng)化的知識點被分割，導(dǎo)致學(xué)員容易忽視知識的連貫性和完整性;而且翻轉(zhuǎn)課堂將教學(xué)過程分為線上自學(xué)和線下探究兩個部分，線上學(xué)習(xí)過程中教員答疑不可避免存在滯后性，使得知識碎片化問題更加嚴(yán)重。

五、結(jié)語

基于線上線下混合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式可以有效地提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)員學(xué)會主動探索知識。一旦他們積極參與知識的獲取，就有利于知識網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、問題分析與解決、溝通與合作等各項能力的培養(yǎng)，從而使學(xué)員的學(xué)習(xí)效果得到一定程度的提高。此外，也有助于提高教員的教學(xué)能力，在翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)實踐過程中，教學(xué)資源準(zhǔn)備和教學(xué)流程的設(shè)計對教員教學(xué)能力提出更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。