應用型高校專業基礎課的教學模式改革與實踐

武曄 萬永革 顧觀文 孫守才

摘要：為培養符合工程教育認證的人才，結合地球物理學專業特點，在深入分析“數字信號處理”課程特點和我校學生實際情況的基礎上，提出并構建了面向行業的“仿真實驗微平臺+雨課堂+SPOC”的“多維一體”應用型高校專業基礎課的教學模式。教學實踐結果表明，該教學模式不僅能讓學生的基礎知識扎實，而且能有效提高學生的自主學習能力和拓展專業應用。

關鍵詞：工程教育專業認證；教學模式；專業基礎課；數字信號處理

工程教育專業認證“以學習成果為導向”和“以學生發展為中心”的教育理念深入中國工程教育[1]，工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。其核心就是以學生為中心，確認工科專業畢業生達到行業認可的既定質量標準要求，以提高學生的學習能力、實踐能力和培養學生創新精神為目的，以培養目標和畢業出口要求為導向的合格性評價方法。以畢業出口為導向，自然要求切實提高學生的工程實踐能力，掌握行業最新工程技術和發展動態[2]。

致力于教學模式的研究，?不僅具有促進教育科學進一步豐富和完善的理論意義，?而且亦具有指導教學改革和教學實踐的現實意義[3-4]。深入對專業基礎課程的理論教學和實踐教學兩方面進行改革和完善，探索建立一套有效的、符合地球物理學科應用型人才培養目標的教學模式，培養“基礎理論扎實、適應能力和動手能力強、肯于吃苦和綜合素質高”的學生，以滿足經濟社會和用人單位對人才工程實踐能力的需求，既反映了高校當代人才培養的目標，同時對未來經濟社會的發展具有深遠的意義。

本文首先以地球物理學科基礎課“數字信號處理”課程為例，深入分析學科基礎課教學中普遍存在的問題，進而闡述為提高學生學習能力而實施的教學改革與實踐。

1?地球物理專業特點和“數字信號處理”課程特點

1.1?地球物理學專業在人才培養方面存在的矛盾

當前地球物理學專業在人才培養方面存在兩個明顯的矛盾，一是最近幾年，隨著地學行業的變革，行業需求人才數量大大降低，造成學生對專業失去信心，畢業后跳槽現象較為嚴重；二是當今相當部分的大學生從小到大生活在優越的家庭環境，而地學工作往往需要在條件比較艱苦的野外進行，造成部分學生對專業缺乏熱情，進而對專業課程失去了學習的興趣。

1.2?基礎課“數字信號處理”普遍存在的問題

數字信號處理課程是地球物理學專業人才培養方案課程體系中一門重要的專業基礎課，該課程無論從教學內容，還是從教學目的來看，都是一門理論與實踐并重的課程。本課程的先修課為高等數學、線性代數、數學物理方法等課程，后續課程為數字地震分析、地震預測概論、地球物理數據處理及解釋等課程（地球物理學專業理論課程教學大綱匯編，2011）。通過多年的教學實踐，發現該課程存在以下幾個特點：

1.2.1?理論性強，晦澀難懂

不僅概念抽象，而且公式推導性質證明繁瑣，被公認為是大學課程中最難的課程之一。課堂理論教學方面，為了讓學生更好的理解原理，引入MATLAB進行仿真，起到了較好的作用，然而，對于初學者來說，對枯燥的程序代碼很陌生，教師需要在課堂對程序代碼作一番解釋，占用了較多時間，往往出現教學內容講授不完下課鈴聲就響了；實驗教學在機房進行，對于初學者，一半以上的學生對用程序實現算法有較大困難，而課上時間有限，很難獨立完成編寫程序，時間一長，畏難情緒自然產生，極大地降低了學生的動手實踐能力，而自主探索學習能力很難得到訓練和提高。

1.2.2?學習路徑單一

學生與教師的溝通交流局限在課堂，課程中設置的實驗教學環節具有時間和空間的極大限制，比如現在的實驗教學大多是按照授課計劃在開學前制定，學生在指定的時間段到指定的實驗室上課，課上教師進行講解并示范，學生模仿操作，這種方式有利于對學生對教學的管理，但是這種教學方式極大地限制了學生的自主學習能力，使得學生在未來的學習和工作中如果遇到問題，由于缺乏再學習能力，導致無法分析解決實際中遇到的問題，也就是極大地缺乏工程實踐能力，因此也就不能令用人單位滿意，直接影響學生未來在工作崗位和深造的持續學習和發展。

地球物理專業基礎課普遍存在上述問題，為了提高學生的自主學習能力、工程實踐能力和創新能力，在“微教育”理念指導下，對專業基礎課程“數字信號處理”進行了持續不斷的改革建設，建立了?“仿真實驗微平臺+雨課堂+SPOC”的教學模式。

2?地球物理專業基礎課“數字信號處理”課程的改革與實踐

2.1?補充建設優質微課資源

無論是翻轉課堂教學，還是線上線下混合式教學，都需要大量適合本專業學生特點的教學資源，因而建設優質微課資源是教學深度改革的第一步。本課程從2019年課程開啟金課建設，補充建設了大量優質教學資源。包括：陸續錄制了覆蓋外文版教學大綱包括的所有知識點講解視頻76個、習題講解視頻10個；新增可以發布在雨課堂平臺的課后測14個、實驗測14個、試卷庫；自主開發微基礎實驗系統20個、微開放專業實驗項目平臺4個，實驗包括基礎驗證性實驗、綜合性實驗和專業領域應用實驗，層次和比例關系見圖1所示；自主開發與教材章節配套的外文教材單詞學習微系統54個。建設完備的微資源，為實現學生自主學習提供了必要的基礎要素。特別的，自主開發數字信號處理+地球物理仿真實驗教學輔助系統平臺，將不同層次的實驗項目以仿真實驗模塊形式進行呈現。學生通過對實驗項目的選擇，實現教學內容的開放；學生可以在課外時間完成基礎驗證實驗、自主探究實驗和小組合作實驗，強化第二課堂的學習，形成“理論教學、實驗教學和自主研學”三位一體的立體化開放式教學模式，構成該教學模式的教學資源見表1所示。

2.2?構建“仿真實驗微平臺+雨課堂+SPOC”的突破時空限制的多維教學活動模式

課程組結合地球物理學專業特點，提出“數字信號處理”專業基礎課的“仿真實驗微平臺+雨課堂+SPOC”的教學模式，該模式的具體內涵體現在以下兩方面：

2.2.1?仿真實驗微平臺提升學生的自主學習能力、實踐動手能力和創新能力

自主開發的仿真實驗教學輔助系統微平臺與傳統的實驗室實驗有機結合，形成一體的實驗教學體系。傳統基于實驗室的實驗由于受時空所限，主要做基礎驗證性實驗，而綜合和創新設計性實驗很難完成。通過仿真實驗教學輔助系統，可以在第二課堂將帶有專業領域創新設計性實驗開放給學生，讓學生了解數字信號處理方法在學科領域中的應用，從而打破學科壁壘，使學生建立學科交叉解決問題的創新思維。

自主開發的地球物理仿真實驗教學平臺在教學工作中發揮三個作用，第一，應用在課堂教學中，方便教師進行演示，有效把控各個教學環節；第二，應用在第二課堂，也就是在課下學生通過該教學系統，交互式的反復修改程序代碼參數，快捷觀察計算結果的不同，一方面可以加深對知識結構的自建，另一方面可以讓學生對程序不陌生，熟悉程序設計思路，而且學生在使用系統過程中，容易發現自己不理解的問題，可以通過線上實時答疑，大大提高學習效率，學生不僅能告別畏難學習情緒，而且學習興趣逐漸變濃；第三，系統中不僅包括演示驗證性實驗，而且包括綜合性、設計性、應用性實驗，此類實驗設置為選做項目，以往此類實驗都是面向學有余力的學生進行開放，現在通過學生自選，借助仿真系統，所有學生都可以選做，切實提高所有學生的自主探索學習能力。借助仿真實驗教學平臺系統，從認識感受——原理方法——綜合探索——設計創新，循序漸進，使學生的創新意識和實驗技能逐漸提高；并將課內實驗延伸至課外自主探究學習，使學生的自主研學能力得到提高，可以有力推動實驗教學的改革與發展，對工程創新人才培養質量的提高具有重要作用和意義。

除了覆蓋教學大綱的外文微教學視頻，更重要的是自主開發建設了微基礎實驗仿真平臺20個，基于專業測震和地球物理探測數據的微開放實驗項目平臺4個，外文教材單詞微學習系統54個，其中關于經驗模態分解的微開放實驗平臺，如圖所示。基于這些微資源，教師安排設計教學計劃，將資源發布在SPOC平臺，為實現學生的自主學習提供了問題啟發和渠道。

2.2.2?“雨課堂+SPOC”平臺保障信息教學環境多樣化

“雨課堂+SPOC”平臺有效將第一課堂與第二課堂的學習有機結合起來，如圖3所示，第一課堂教學活動的理論教學部分在多媒體教室，基于雨課堂智慧教學平臺上課，課后仔細分析學生的差異，對有困難的學生及時面對面溝通交流，排除學習困難的因素；實驗教學在計算機教室，第二課堂教學活動基于“雨課堂+SPOC”網絡教學平臺、釘釘平臺等教學環境。整個教學活動過程對于學生來說，完全不受時空的限定，讓學生不在教室可以進行第一課堂的學習，隨時隨地進行第二課堂的學習，教室和學生的交流突破了時空的限制。“雨課堂+SPOC”的教學模式，有助于建立學生的學習自信。課程教學過程中，學生遇到疑問，隨時與教師交流，在教師循循善誘的啟發引導下，學生茅塞頓開，大大提高了學生的學習熱情，自信心大增，讓學生切實體會到學習是一個經歷，只有親身動手做，才能發現問題是什么，如何解決問題，克服學習困難心理，養成堅忍不拔的意志，才能在學習的過程中真正有所收獲，在學習的過程中不斷成長成人。

結語

教學實踐表明，新的教學模式的建立，有效促進了學生學習能力的提高。雙語教學對于我們二類本科院校學生來說，由于英語應用能力不強，畏難心理非常強，從近5年的雙語教學實踐來看，以期中考試為分界，期中考試前學生感覺學習非常困難，理論知識點難理解，實驗程序設計困難，而在期中考試后，通過仔細觀察學生的學習狀態，發現上課聽課比之前認真，實驗課時寫程序能力大大提高，這些現象充分說明教學改革之路的有效性、重要性和正確性，反過來堅定了教師的教學改革信念，繼續勇往直前深入推進教學改革，切實提高教育教學質量，落實為黨育人，為國育才的教學目標。

參考文獻：

[1]蘇寶勝.“新工科”背景下民辦高校專業建設與教學改革——以青島濱海學院土木工程專業建設為例[J].教育觀察，2017，6（23）：72-74.

[2]馬見青，邵廣周.基于工程教育認證的大學課程考核模式探索——以長安大學“地球物理反演概論”為例[J].大學教育，2019，12.

[3]甄德山.?教學模式及其管理淺議[J].天津師大學報，1984（5）.

[4]柳海民.略論教學過程模式研究的意義[J].東北師大學報（?教育版），1988（4）.

基金項目：河北省高等教育教學改革研究與實踐項目（2021GJJG485）；防災科技學院教育研究與教學改革項目（JY2020A01、JY2021A03）；河北省高等學校科學技術研究項目（ZC2021213）；中央高校基本科研業務費專項（ZY20215136）

作者簡介：武曄（1975—??），女，內蒙古集寧人，碩士，副教授，主要從事勘探地球物理和信號處理方面的教學及科研工作。

*通訊作者：萬永革（1967—??），男，博士，教授，主要從事地震學和信號處理方面的教學及科研工作。