MATLAB課程線上線下混合式教學改革與實踐

吳宏林，王威

（長沙理工大學 計算機與通信工程學院，湖南 長沙）

MATLAB是MATHWORKS公司推出的以科學計算和系統仿真為主的優秀數學軟件，目前已被廣泛應用于數據分析、無線通信、計算機視覺、量化金融與風險管理、控制系統等領域[1-2]。隨著計算機仿真技術的發展，MATLAB語言因簡單靈活、延展性好、內置功能強大等優點，已經逐漸成為科學計算、工程系統仿真、視圖交互系統的首選語言工具，已成為相關專業學生必須掌握的基本技能。MATLAB課程作為高校理工科相關專業普遍開設的重要基礎課程，主要講授MATLAB語言基礎、程序設計、數據圖示、數值計算、符號計算及Simulink仿真等工具，并通過實踐以培養學生求解復雜問題的計算思維能力、算法設計能力、程序編程能力和建模仿真能力，是構建高校學生工程及科研基礎素養的重要組成部分[3-4]。

目前，我校通信、交通運輸、水利、船海、土木等多個專業已開設MATLAB語言及相關應用課程，具有覆蓋面廣、實踐性強且差異大等特點。然而，該課程在教學過程中還存在諸多問題，距離教學目標仍有一定差距。主要體現在：①開設學科專業差異較大，不同專業間及同專業內學生基礎參差不齊，而課程學時短，依靠傳統課堂難以完成教學任務；②知識點多且瑣碎、語法函數較多，課程教學較難組織，傳統的“PPT+講解”教學方式常常讓學生陷入語言語法規則的泥沼，不僅容易喪失學習興趣，且往往容易忽視課程的實踐性；③對學生的考核方式單一，且通常流于形式，學生存在背書、背代碼、高分低能的現象。如何改變MATLAB課程的教學現狀，打造具有“高階性、創新性、挑戰度”的高水平課程，是近年來我們一直關注的問題。而線上線下混合式教學模式將傳統的課堂教學與在線學習的優勢結合起來，能夠充分利用課余時間，有效培養學生的自主學習和探索式學習能力，提高教學效果[5-6]。針對上述問題，結合我校在“金課”打造以及本科一流課程建設中的相關經驗，我們對MATLAB課程的教學進行了“線上+線下”混合式教學模式的改革，結合線上線下對課前、課中及課后的教學進行聯動，以圖最大化課堂效能及教學效果，打造適合地方高校的特色基礎課程。

一 線上線下混合式教學模式的構建

課程組教師針對上述問題，充分發揮自身的專業背景優勢，利用現代信息技術手段積極推進線上課程平臺的建設，打造具有豐富學習資源及實訓資源的線上教學平臺，并積極探索適應課程特點的線上線下混合式教學模式。線上線下混合式教學模式總體構架如圖1所示。

圖1 線上線下混合式教學模式

線上線下混合式教學由課前、課中、課后三個環節組成。課前教師利用在線平臺推送學習資源，學生自主學習，完成知識的傳遞吸收過程，把不懂不會的地方統計下來，教師可以通過平臺大數據進行學情分析，以學定教；課中包括理論與上機實驗，理論課中針對理論性較強的內容及課程重難點采取課堂授課的方式，同時教師可以創建合作探究情境及任務，針對性地開展釋疑解難，學生在協作、探究學習情境中完成知識的內化，打破傳統課堂的填鴨式教學；上機實驗則借助智能實訓平臺打造線上分層實踐任務及實驗，以分層遞進的任務模塊逐步引導學生完成復雜問題的建模與實現，并通過智能實訓平臺對程序設計結果進行在線實時評測，以培養學生求解復雜問題的思維能力及編程建模能力。課后為應用和強化提高，教師根據學科專業特點及學生知識基礎，從生產實踐及科學研究中選取子任務設置為課程綜合實訓任務，通過更具創新性和設計性的綜合實訓以促進知識向能力的轉化。結合線上線下對課前、課中及課后的教學進行聯動，以全面推進MATLAB課程的“線上+線下”混合式教學改革。

二 線上線下混合式教學的組織實施方式

（一） 線上學習資源的建設

線上資源的建設是混合式課程實施的前提與基礎，線上資源的形式、內容組織及質量高低，都直接決定線上教學的開展成效。而課程資源的建設與完善是一個長期的過程，在課程建設初期，我們基于超星爾雅平臺，在平時課程教學積累的教學資料及素材的基礎上，結合網絡優秀教學課程、精品課件及資源，按照MATLAB課程知識點進行分級整合與優化，構建了以微課形式為主的MATLAB課程線上學習資源；隨著課程改革的深入，我們進一步針對知識要點和難點問題，制作了導學課件、作業及章節測試等，并積極完善教學視頻、探究性案例等資源，以充分發揮線上平臺的功用及效能。

（二） 學生課前自主學習

在課前提前安排學生做好線上的自主學習，學生可通過手機客戶端或PC客戶端在課前對課程進行預習。通過知識點分解及微課導學的方式，可盡量控制各知識點教學視頻在十分鐘內，使學生可自由利用碎片化的時間，完成課程資料學習、微課等教學活動。這樣不僅可以節省線下教學中基礎性內容的講解時間，極大提高授課效率，且能在不加重學生額外課程負擔的情況下，鼓勵學生利用閑暇空隙進行學習，提高學生學習的積極性，尤其是對該課程為選修課的學生。另外，通過微課視頻中節點練習測試及學生問題反饋跟蹤學生課前學習情況，線上平臺將練習測試的統計情況反饋給教師，這樣教師就可以掌握線下課程教學的側重點，且結合學生的反饋意見可針對性地對相關知識點展開細致講解，可破除學習中的重難點，提升課堂教學效果。

（三） 根據學情聯動線下理論教學

MATLAB的語法語句頗多且應用靈活，在實施線下理論課程教學時，可根據課前學習情況來針對性地授課。對課程基礎語法的教學，可根據學生線上學習的情況及反饋的問題，在課堂擇要講解。針對邏輯性較強且較難掌握的重難點則采取細致講解，并結合經典問題及運用案例進行闡述分析，通過思維啟發、方案構思及評價等深化學生對知識的理解與掌握。同時，為強化學生的知識運用能力，設計出一些跟實際聯系緊密的探究式情境及任務，引導學生進行問題分析、構思解題方案及編程實現，并通過小組點評及互動討論，針對性地釋疑解難，引導學生知識能力的遷移及轉化。

（四） 依托平臺進行智能實踐

實踐性是MATLAB課程顯著性特點，學生的學習效果及能力的體現最終體現在對實際問題的編程實現及解決上。針對這一特點，在教學過程中，充分利用課內上機實驗，基于頭歌平臺Eudcoder[7]打造了線上智能實踐平臺。在該平臺上根據各章知識點要求，設計了課程的多個實踐案例，每個案例由多個任務組成，任務由淺入深、嵌套遞進，并通過模塊化來逐步引導學生由易到難完成；案例任務的打造由知識點講解示例說明、實踐任務要求與設計、實踐任務自動測試與智能評判等組成，使不同層次、不同專業的學生能在這種遞進任務中，通過平臺的智能實時評測促進學生知識能力的高效轉化。

為檢驗學生對課程知識的掌握效果及綜合運用能力，依托智能平臺發布了一些緊跟工程與科研實踐的大作業。這些大作業大多源于課程組教師工程及科研實踐，教師基于學生學科專業及知識儲備對工程及項目中的子問題進行簡化、抽象，以形成適合不同專業、不同層次學生的多個子問題、子任務，如：專業認證學情分析系統中的形成性評價涉及到的成績分析的各類任務、多目標融合跟蹤中的目標關聯及處理等問題。在課程中期通過網上平臺將大作業發布給學生，學生可自由選擇其中幾個子任務在課后進行設計實現，并借助平臺建立師生、生生交流討論的通道，積極引導學生分析問題、設計方案并編程實現。這種課后綜合實訓，不僅能強化學生對相關知識的理解掌握，且能促使學生積極思考并靈活運用課程所學的知識，從而實現學生知識能力的遷移。

（五） 實施課程綜合評價

從學生課前、課中及課后的多個階段的各項活動表現實施課程評價，打造多元化綜合評價體制。課前學習根據課程視頻觀看情況、訪問次數、練習等情況計入平時成績；課中上機實驗依托智能平臺打造公開透明的實時在線評價方式，利用線上平臺的自動評測及統計分析進行智能管控，讓學生進行限時實踐實驗，記錄學習數據及實訓成績，作為平時成績的一部分，且學生可在線實時查看自己的學習數據及成績排名等情況，極大提高了學生學習的積極性；對課后的綜合大作業通過驗收問答及設計報告來得出個人課題任務表現得分。同時注重線下考核，在期中期末考核中注重運用能力的考核，合理化基本知識點及綜合運用題的考核比例。這種多元化綜合評價機制，不僅有利于充分調動學生的學習積極性，而且也使考核更加公平公正，準確反映學生真實水平。

（六） 課程建設成效

經過近兩年的建設，基本實現了線上線下互動提升的教學模式，如圖2所示。即課前教師利用在線平臺推送學習資源，學生自主學習；課中教師根據學生學習情況，以情境探究及協作任務，針對理論性較強的內容及課程重難點進行釋疑講授，并通過線上平臺的智能實訓，提升學生的實踐能力；課后以綜合實訓任務，積極引導學生去分析問題、設計并實現解決方案，實現對知識的應用提高，促進知識能力的內化。經過兩年建設，課程改革已初見成效，如圖3所示，與前一學年對比2021學年成績優良率明顯提升，課程改革也得到了學生的一致肯定與好評。

圖2 線上線下互動的能力提升模式

圖3 課程成績分布及對比

三 結語

針對MATLAB課程在我校學科專業教學中的復雜性，探討了課程的線上線下混合教學模式。借助信息化手段，打造了線上課程平臺，聯動課前、課中、課后三個教學環節，基本實現了課前自主學習、課中聯動教學及智能實踐、課后綜合提高，讓教師教有所進，學生學有所得。課程的改革是一個持續過程，我們將積極總結教學過程的經驗，在實踐→反饋→改進→實踐的循環中不斷完善課程的混合式教學。