基于線上線下混合式翻轉課堂教學模式探索與實踐

汪楓 劉潤華 唐文輝 張琳 周偉彬

關鍵詞：線上線下;翻轉課堂;統計信號處理;教學設計

在傳統的課堂教學模式下，學員被動學習，課堂參與度低，互動少，不能吸引學員的興趣，從而導致傳統教學的質量和效果較差。軍校學員學習時間緊、內容多，如何使學員全面、高質量地獲取知識是軍隊院校現代課堂教學需要解決的一個問題。

線上教學模式突破了傳統課堂教學模式在時間和空間上的限制，實現了課程內容和資源的開放，便于學員利用碎片化時間進行反復學習。而翻轉課堂是一個將學習的決定權從教員轉移到學員的大學教學新方式，其核心是使學員真正成為學習的主體。基于線上線下混合式翻轉課堂教學模式的主要特征是：學員自由選擇時間完成線上在線課程的學習任務，然后將自己不理解的問題記錄下來。線下課堂教學時間用于檢查線上學習情況和解決問題、講解難以理解的概念和拓展應用、編程實現理論教學內容并開展討論。教學內容的講解不再占用線下課堂時間，使教員有更多時間與學員進行一對一的溝通交流，由學員輪流講解線上學習內容。這種混合式教學模式進一步培養了研究生學員的自主學習能力、交流合作能力、口頭表達能力、理論算法編程仿真能力等，符合軍校研究生學員能力素質培養要求。

2020年，軍隊院校加速了開展線上教學的步伐，我院研究生課程“統計信號處理”課程教學團隊積極嘗試開展線上教學，并取得較好的教學效果。而線上教學的引入，明顯增強了學員的參與性與自主性，同時也提高了學員的積極性，為傳統教學注入了新的活力。因此在去年開展線上教學的基礎上，今年針對“統計信號處理”中部分內容積極開展了基于線上線下混合式翻轉課堂教學模式的探索，下面從統計信號處理課程分析人手，結合統計信號處理課程內容特點提出哪些內容適合采用線上線下混合式翻轉課堂教學模式，并以“標準Kalman濾波應用實例”這一典型教學案例，展示基于線上線下混合式翻轉課堂教學模式的課堂教學設計與實踐。

一、統計信號處理課程分析

“統計信號處理”課程是一門數學基礎要求高，理論性較強的基礎課程。在傳統教學過程中，大量的公式推導使得傳統的課堂教學變得枯燥無味，很難使學員長時間的集中精力認真聽講，學員普遍反映學習困難，趣味性不高，積極性不好調動。下面進行詳細分析。

（一）課程基本信息

（1）課程名稱：統計信號處理。

（2）課程屬性：空軍預警學院研究生必修課，線上線下混合課程。

（3）線上課程：軍事職業教育平臺在線開放課程，國防科技大學電子科學學院羅鵬飛教授開設的“統計信號處理”。

（二）課程教學目標

通過本課程的教學，使本學科專業碩士研究生建立隨機信號統計處理方法的基本概念，掌握扎實的統計信號處理理論基礎，具備用統計的方法研究分析隨機信號處理問題的能力和解決工程技術問題的能力。為本學科專業學生學習《現代雷達信號處理》《陣列信號處理》等后續課程以及進行課題研究提供理論支撐、分析解決問題方法指導。

（三）課程學情分析

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

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

二是先期課程基礎較好，與本課程要求基本相符。學員學習了“信號與系統”“數字信號處理”兩門先期課程，具備用變換的思想處理信號問題;學員學習了“數理統計”與“隨機過程”兩門課程，具備一定的統計思維能力。

三是利用Maflab仿真編程能力較弱。絕大多數學員沒有參加數學建模，不具備利用Matlab編程仿真能力。

（四）教學方法

本課程的核心內容是解決信號檢測與估計問題，課程內容具有理論性強、綜合性強、實踐性強等特點。因此，在教學過程中，針對知識理論性強，采用優質在線開放課程資源，利用線上學習解決基本知識的掌握，課堂上重點解決學習過程中發現的問題，從而加深對知識的理解。針對知識綜合性強，應力圖做到適當結合前期所學基礎知識，加強課堂教學設計，力求引導學員自主利用前期基礎知識綜合分析在統計信號處理中的具體問題，從而不斷提高學員分析問題解決問題的能力。針對知識實踐性強，應力圖做到結合實際應用，將仿真編程貫穿整個教學環節，盡量多用直觀仿真結果說明問題、分析解決問題，降低知識理解的相對難度。

課堂教學中針對不同內容模塊，結合在線開放課程資源、學員專業研究方向需求，緊扣教學目標，研究匹配學員特點的教學策略設計。針對不同教學內容，分別采取“啟發引導”“翻轉課堂”和“理實結合”的方法。

1.啟發引導

針對課程中理論性較強的基礎知識部分，采取啟發引導的教學方法，按照“導、做、思、評”四步開展教學。“導”就是引導，是啟發學生思考的講解，“導”要整體設計、把握要點，起到點睛的作用，“導”要貫穿教學的始終，開始導課要緊扣主題、引人人勝，中間導課要環環相扣，最后的導課要啟迪思考。“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，也可以在課堂上學員親自參與動手做一些仿真實驗。“思”就是思考，是學員在教員的引導啟發下對教學內容的深入思考。“評”就是講評和總結，教員通過“評”梳理總結、同化新知，把新知識納入學員原有的認知結構中。

2.翻轉課堂

針對課程中部分綜合應用性較強內容，采取翻轉課堂教學方法能提高學員課堂參與度，同時提升教學效益。翻轉課堂教學法以“三主”為核心開展教學，課前研學、課中討論、課后歸納突出“學員主體”，教員巧設疑問、層層追問、精準小結體現“教員主導”，課堂討論緊扣課堂目標、緊扣原理應用、緊扣錯誤辨析抓住“問題主軸”。

一是教員主導。課前：教員利用網絡平臺，上傳資源，發布任務;課中：課堂中教員采取問題牽引、問題啟發、類比歸納的教學方法組織教學;課后：教學團隊研討交流、總結反思、優化教學設計。二是學員主體。課前：學員自主學習，自主探索;課中，學員根據課前準備和思考積極參與教學活動;課后獨立完成思考題，以達到全面掌握的目標。三是問題主軸。學員巧用網絡平臺討論區等，教員收集問題并精準把脈，從而在備課時做到有的放矢，為課堂討論提供依據。

3.理實結合

針對課程中部分內容實踐性強的特點，采用理實結合教學方法。結合學員不同專業研究方向，將檢測和估計理論問題化解為實際應用問題，引導學員針對實際應用，編程仿真加深對課程內容的理解，化抽象為形象，讓學員學懂學會并能學以致用。

二、基于線上線下混合式翻轉課堂教學模式典型教學案例探析

下面以教學時長約為45分鐘左右的“標準Kalman濾波應用實例”為例，采用BOPPPS教學模式組織基于線上線下混合的翻轉課堂教學，主要的教學流程設計如下：

（一）導入（Bridge-in）——教員引導，PPT、視頻輔助展示

以雷達跟蹤目標的視頻引入，介紹雷達航跡處理流程，引出本次課教學內容標準kalman濾波在雷達目標跟蹤中應用。

（二）教學目標（0bjective）——PPT展示

1.知識目標

理解卡爾曼濾波在雷達目標跟蹤中應用，能寫出兩坐標雷達對勻速直線運動目標跟蹤的狀態方程和觀測方程。

2.能力目標

能夠編程實現兩坐標雷達對勻速直線目標跟蹤濾波，提高學員仿真編程能力。

3.情感與素質目標

通過探究目標跟蹤實現過程，培養學員用統計學思維去判斷。

為順利開展后續的課堂教學活動，利用前測環節進一步了解學員對前期知識掌握情況。

（三）前測（Pre-assessment）——檢查學員線上自學情況

（1）課前：布置線上學習任務，學習在線開放課程“統計信號處理”6.5節：要求：寫出兩坐標雷達對勻速直線運動目標的狀態方程、觀測方程;寫出狀態矢量的初值、均方誤差陣的初值。

（2）課中：檢查學習情況，指定1名學員寫出勻速直線運動目標狀態方程、1名學員寫出兩坐標雷達的觀測方程、1名學員寫出狀態矢量的初值、1名學員均方誤差陣的初值。

通過前測，學員已經掌握兩坐標雷達對勻速直線運動目標跟蹤的基本知識。下面可以進行“參與式學習”。

（四）參與式學習（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：教員引導學員討論前測環節中給出的四個公式中初值的給定依據。例如：仿真樣本時間間隔T根據雷達常規轉速給定;觀測誤差根據現役典型雷達裝備技術指標測距和測角精度給定。

（2）仿真要求：飛機類目標運動速度為音速;目標個數1個，跟蹤次數50次以上;蒙特卡洛仿真次數100次以上;結果輸出：分別畫出目標真實航跡、測量值、預測值和濾波值，統計并畫出跟蹤結果的均方誤差值。

2.Matlab編程實現目標跟蹤

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

（2）指導學員完成編程。

3.仿真結果展示與分享

根據學員仿真參數不同，指定學員分享仿真結果，討論初值給定參數對標準Kalman濾波結果的影響。

至此，新知識已經學習完畢，接下來要檢測教學效果。“后測環節”可以拓展到三坐標雷達對勻加速運動目標的跟蹤。

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

（1）狀態方程與觀測方程。引導學員對比分析得到勻加速直線運動的狀態方程、三坐標雷達的觀測方程。

（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，具體公式推導過程課后推導。

（3）分組完成仿真。

（六）總結（Summary）——PPT展示

1.總結本堂課教學內容

兩個方程建立：狀態方程、觀測方程。

兩個初值給定：狀態初值、均方誤差初值。

兩組迭代循環：狀態估計一預測、濾波均方誤差一預測均方誤差。

2.引出下堂課教學內容

針對非勻速直線運動目標情況，需要采取擴展Kalman濾波算法，即為下節課的教學內容。

三、基于混合式翻轉課堂教學模式教學效果分析與總結

通過對“標準Kalman濾波應用實例”的課堂教學設計案例可以看出，該課堂強調的是通過合理選擇教學內容和優化教學環節安排，有機地將學員線上在線開放課程自學和線下課堂編程與討論融人課堂中;最大限度地激發學員學習的熱情，最后將學員變為課堂的主角，而教員只是負責引導學員學習的配角。

教學效果主要體現在對學員和對教員的影響兩個方面，對學員的影響主要有以下四點：

（1）通過創造一個自由平等、和諧融洽的課堂氛圍，鼓勵學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，交流仿真結果呈現方式，極大增強了學員在課堂學習的積極性。

（2）通過分享展示仿真結果，提升學員個人的口頭表達能力和思辨能力。

（3）分組完成后測環節，增強學員團隊協作能力及集體榮譽感。

（4）通過對標準Kalman濾波算法的推導和仿真實現，加深了學員對實際雷達裝備輸出情報質量的理解，提高學員崗位任職能力。

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六個教學環節的精心設計;課中熱情飽滿、積極引導學員;課后給學員提供及時線上反饋和答疑，同時對自己的教學進行科學的反思與分析。這一系列的教學活動提高了教員在各方面的教學能力，讓教員的教學效果得到質的提升。

（2）對“教學”的重新認識。有教有學才是教學，因此課堂中不僅要做到有“教”，而且也要有“學”。要做到“有教有學”，從教員的角度來講，教員不僅能認真備課，積極創造條件讓學員學習（教員教）;同時也能激發學員的參與熱情，讓學員能做到“知無不言，妙不可言”，從而教員也能從學員身上學到新的知識或理念（教員學）。從學員的角度來講，教員不僅要努力讓學員做到能“學”，而且也能“教”。因此在課堂中應積極創造“學員發言、學員講課、學員辨析、學員糾錯”等環節和機會（學員教），從而讓學員通過自己的努力，利用好自己的學科專業背景優勢，給其他專業的學員和教員提供一個不一樣的視野和見解，做到學員能“教”的狀態。

四、基于線上線下混合式翻轉課堂教學模式的優勢與面臨的挑戰

翻轉課堂的發展得益于信息化時代的到來，線上教學模式在各大軍校廣泛實施。傳統的規范化課堂教學很難適應社會發展和學員的個性化需求，也推動我們運用基于線上線下混合式翻轉課堂教學模式開展教學。其主要優勢表現在以下兩個方面。

一是培養學員主動學習能力，提高課堂教學質量。翻轉課堂顛覆了傳統課堂采用講授式的被動學習方法，而是采取構建主義學習、問題導向和理實結合學習為主，輔以講授式的教學策略。這使得傳統課堂中被動式的學習模式得到改變，學員不再依賴于接受學習，而是對知識進行自主的探索，教員與學員、學員與學員的互動在翻轉課堂里變得自然而且高效。翻轉課堂賦予了學員更多的學習控制權，學員通過自主調配學習時間，在完成教學目標的同時也使自己的特殊要求得到滿足，促使學員的自主學習能力進一步提高，也符合軍隊院校研究生教育的特點。

二是進一步豐富教學方法，促進教學模式改革。基于線上線下混合的翻轉課堂教學模式將傳統的教學觀念徹底推翻，學員通過網絡共享更多的優質教學資源，真正實現對不同學員的因材施教，充分滿足他們的個性化需求。教學從滿堂灌到協作學習、共享學習，促進教與學的共同發展，更是有利于學員從“知識學習”向“知識應用”的轉換。

但在實際教學過程中，這種教學模式也存在不小的挑戰，主要表現在以下兩個方面：

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

二是知識碎片化問題嚴重。傳統教學模式下，教員只需采取PPT和講解就能流暢的完成教學內容的傳授，而在翻轉課堂中，教員將教學內容劃分為視頻、文本和課件等多種形式呈現給學員，整體、系統化的知識點被分割，導致學員容易忽視知識的連貫性和完整性;而且翻轉課堂將教學過程分為線上自學和線下探究兩個部分，線上學習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重。

五、結語

基于線上線下混合的翻轉課堂教學模式可以有效地提高學員的學習興趣，讓學員學會主動探索知識。一旦他們積極參與知識的獲取，就有利于知識網絡構建、問題分析與解決、溝通與合作等各項能力的培養，從而使學員的學習效果得到一定程度的提高。此外，也有助于提高教員的教學能力，在翻轉課堂的教學實踐過程中，教學資源準備和教學流程的設計對教員教學能力提出更為嚴峻的挑戰。