基于O-PIRTAS教學法的生物醫學工程專業《信號與系統》課程教學模式探索

門韶洋，崔曼曼，弓 偉，羅曉牧，王慶香

（廣州中醫藥大學醫學信息工程學院生物醫學工程教研室，廣東 廣州 510006）

0 引言

生物醫學工程（Biomedical Engineering,BME）是一門新興的邊緣交叉學科，它綜合了工程學、生物學、物理學和醫學等多個領域的理論和方法，利用工程技術手段研究并控制人體系統的生理變化[1]。我校廣州中醫藥大學自2014年開始籌備BME專業，至今已初具規模，于2017年發展細化為醫學電子儀器和醫學物理兩個方向，以滿足就業市場對專業化生工人才的需求。我校的BME專業，畢業生大部分將進入醫療儀器相關領域工作或者在BME相關方向進行進一步的研究和深造。然而，無論是對儀器的研發和維護，還是研究層面的再深造，都離不開《信號與系統》的專業基礎知識。同時，《信號與系統》課程不僅是BME本科專業的專業基礎課，而且也是BME學科碩士研究生入學考試的必考科目之一。該課程的學習需要有《高等數學》《線性代數》《大學物理》和《電路分析》等前置課程的理論基礎，前置課程所介紹的大部分概念和分析方法主要應用于信號的提取、恢復、增強和檢測等數字信號處理及醫療儀器的設計等領域。學生們在學習的過程中對一些相似的概念和公式容易混淆，因此，學生往往會將學習重點放在對概念和公式的記憶上，而輕視了對知識點的應用；再加上傳統的教學方法和模式比較單一，這都直接導致了該課程處于“教”“學”兩難的境地[2-3]。

近年來，隨著科學技術的進步，尤其是互聯網、移動通信和數字化技術的快速發展，以慕課（Massive Open Online Course,MOOC）、SPOC（Small Private Online Course）和翻轉課堂（Flipped Classroom）等為代表的基于互聯網技術的新型教學模式應運而生，并且表現出了非常強勁的發展勢頭[4-5]。這些教學模式通過技術手段有效地整合線上和線下的教學資源，對學習者的學習時間和學習空間進行了有效擴張，一方面使得課程資源更容易實現共享，另一方面多種學習方式有機結合更容易激發學生主動學習的積極性，從而進一步促進教學方式的改革。其中，翻轉課堂的教學方法改革尤其突出。其特點表現為以學生為中心、個性化教學、主動學習、混合式教學和全面發展等。相比傳統教學方法，翻轉課堂的教學環節更容易被接受和認可。然而，翻轉課堂的教學模式在實際教學中缺乏可操作性，限制了其實際應用和進一步的推廣發展。為了解決此問題，我們引入了 O-PIRTAS（Objective、Preparation、Instructional video、Review、Test、Activity、Summary）教學方法，其主要包括教學目標、課前準備、教學視頻、視頻回顧、知識測試、活動探究和總結提升[6]。通過在BME專業《信號與系統》課程中的教學實踐，發現此方法能夠有效地提升學生的課程學習效果以及學生對課堂的專注度和認同感。

1 O-PIRTAS教學方法

O-PIRTAS教學方法是基于大量教育心理學研究成果以及大量翻轉課堂教學實踐總結而成的。從教學的角度看，O-PIRTAS教學方法具有理論合理性和實踐可操作性，它提供了一種切實、可行、有效的翻轉課堂模式，解決了翻轉課堂一般模式難以操作的問題[7]。O-PIRTAS教學方法具體實施的七個步驟描述如下：

1.1 Objective──確定教學目標

對于一堂課，教師在選擇了一個主題和內容后，首先要確定的就是教學目標。以布魯姆教育目標分類為例，其將教學目標分為三大領域：認知領域、情感領域和動作技能領域。其中在認知領域內，知識的記憶和理解被稱為初級認知目標，應用、分析、評價、創造被稱為高級認知目標。因此，在確定教學目標的過程中，除了需要明確地確定知識性目標外，還需要思考有沒有哪些相應的能力是更重要的，需要在教學中實現?？傊?，明確教學目標是成功實施O-PIRTAS教學方法的首要環節和先決條件。對教學目標包括知識性目標和能力性目標進行深入的分析，是保障課堂效率高效的必要條件。

1.2 Preparation──課前準備活動

教師設計課前準備與導入活動，是為了提高下一環節視頻學習的有效性，其表現在兩個方面：一方面提高學生學習的興趣和目的；另一方面為了下一步視頻學習打下基礎。實施課前準備活動主要通過相關的探究活動讓學生進行適當的學習和探究，并準備好必要的先前知識（適當回顧前置課程中部分關聯知識），最終激發起學生的學習興趣，改善視頻教學的效果。

1.3 Instructional video──課前教學視頻

課前教學視頻主要是讓學生在課前課外完成對基礎知識點的自學，教學視頻可以是自己錄制的，也可以是他人錄制的。視頻內容主要包括傳統課堂中需要教授的內容，其主要對應于教學目標中的初級認知目標。這一步驟主要采取線上學習的形式，通過學生自學完成。

1.4 Review──課堂視頻回顧

課堂視頻回顧是線下課堂教學的第一步驟，起著承上啟下的作用，連接線上線下的學習，為后面環節的順利開展提供了有力支撐。課堂視頻回顧不是對教學視頻內容的重新講解和分析，而是統籌地幫助學生們回顧內容，理清思路，把握知識結構，并幫助學生們迅速喚醒知識記憶，使自己的注意力集中到課堂上，為之后的問題解決和討論準備好基礎。

1.5 Test──課堂知識測試

課堂知識測試就是教師通過提前設計好的問題來考查學生對教學視頻的學習效果，其主要目的包括兩個方面：一方面檢查學生是否觀看了視頻；另一方面檢查學生是否看懂了視頻。在此步驟中，通過掌握學生的回答情況，教師才能決定是否進行指導、指導什么、指導多少和怎樣指導。這個過程中可以利用一些IT工具，比如雨課堂、課堂派等，來實現課堂測試的即時互動和反饋，進而提高教學效果。

1.6 Activity──課堂活動探究

課堂活動探究需要實現的是目標設定中能力性的高階教學目標。這個過程中教師可以面對面地跟學生交流，主要通過基于問題/項目的學習（Problem/Project based learning）、同伴教學（Peer instruction）和案例教學等模式結合，以達到使學生深層參與課堂學習中的目的。因此，如何設計并組織課堂活動是 O-PITRAS教學方法的靈魂和核心，也是翻轉課堂能否成功的關鍵步驟。

1.7 Summary──課堂總結提升

課堂知識測試和課堂活動探究后，教師需要對整個過程以及教學內容進行總結，達到提升學生的學習和認識的目的。同時，在這個總結的步驟，也可以開始下一個O-PIRTAS教學循環。至此，一個完整的基于O-PIRTAS教學方法的翻轉課堂教學閉環最終形成。

綜上所述，O-PIRTAS教學方法從教學目標（O）的確定，到課前準備活動（P）、課前教學視頻（I）、課堂視頻回顧（R）、課堂知識測試（T）、課堂活動探究（A）、課堂總結提升（S），包括課前、課中和課后，線上和線下，課內和課外，知識能力不同維度。該方法能夠為教師在翻轉課堂的實施中提供實際可行的指導，可操作性強，合理性高，教學效果明顯高于傳統的教學方法。

2 O-PIRTAS教學方法在《信號與系統》教學中的實踐應用

基于 O-PIRTAS教學方法和現有的翻轉課堂的教學案例[8-10]，結合廣州中醫藥大學BME專業的特色，構建O-PIRTAS教學方法下《信號與系統》課程的四個階段：課程目標、課前活動、課堂活動和總結提升，如圖1（P134）所示。其各個階段的主要內容以及與 O-PIRTAS教學方法七步驟的對應關系如表1所示。

圖1 四階段的O-PIRTAS教學方法實施

表1 O-PIRTAS教學方法實施的主要階段和內容

2.1 課程目標

基于我校BME專業本科生培養方案，結合《信號與系統》課程的教學目標和教學內容，依據學生思維發展水平和基礎知識水平，制定合理的教學目標。知識性目標中要求學生記憶和理解基本的概念、定理和一些基本的公式，例如傅里葉變換和拉普拉斯變換的概念和性質等。能力性目標中要求學生能夠應用所學知識到實際工程問題中，并對其進行分析評價，最終形成創新的能力。

2.2 課前活動

教師首先要根據課程目標和內容，布置學生一些探究性的活動（例如在講授信號、信息和消息三者區別時，區分信號具有多種形式、如聲音、圖像、電和光等[11-12]），激發學生學習的興趣；同時自己錄制課前視頻或者準備別人錄好的視頻，引導學生去進行課前視頻的觀看和學習。學生自主在線上進行教學視頻的學習，結合教師布置的任務，主要完成課程目標中的知識性目標。在這個階段，為了促進學生課前線上學習的積極性，我們加入了Partner Learning（每班36人，兩個人一組），每位同學需要跟自己的Partner分享學習成果和討論遇到的問題。

2.3 課堂活動

在教師的引領下，學生先對課前活動的內容進行回顧，理清知識結構和思路。以此將學生的注意力轉移到本節課的內容上。通過口頭測試、書面測試或者雨課堂、課堂派等IT技術的相關功能，了解學生課前視頻觀看的效果，實現跟學生的互動和獲得反饋。再針對課程重點內容進行強調，更重要的是針對存在的問題跟學生討論和交流。在此步驟中，教師和學生進行了面對面的線下討論和互動，主要完成了課程目標中的能力性目標?？偨Y起來，就是進行參與式學習能夠提高學生參與度、增強師生互動和生生討論、開展團隊活動進行合作以及適應多樣化的教學目標。

2.4 總結提升

在課堂活動結束后，教師深入分析整個教學活動過程和教學內容，結合學生課堂反饋的內容，對整個教學方案和教學方法進行優化。同時開始下一個新的教學循環。在這個過程中其實還包括一個后測的過程，主要是為了了解學生學習成效和是否達成教學目標。為了評估學習效果，可以通過下面六種不同層次的效果進行區分：（1）能夠說出學過的概念、術語和事實等；（2）通過組織、比較、翻譯、解釋、描述和陳述主要觀點，表現出對事實和觀點的理解；（3）將學過的知識和技能運用到新的環境；（4）信息處理、推理和為結論提供證據等；（5）按新的方式整合不同信息和解決方案；（6）按照標準對信息、觀點和工作質量作出判斷等。

3 結語

本文結合廣州中醫藥大學的辦學理念、BME專業的專業特色和《信號與系統》的課程特點，將O-PIRTAS教學方法應用到《信號與系統》課程教學中。結合O-PIRTAS教學方法的七步驟，設計了四個階段的教學模式，從課程目標的確定、課前活動、課堂活動，到總結提升。教學實施的過程和結果表明，基于O-PIRTAS的教學方法能夠在《信號與課程》中實施簡單、易操作，并且明顯地提升了學生學習的主動性，同時實現了能力性目標，極大地提升了學生的應用能力、分析能力和創造能力，為學生進一步的學習和發展起到了積極的作用。