基于ARCS动机模型的信号与系统网络实验课堂的构建

周小云

摘 要：高校实验课程的教学质量是高校从教者日益关注的一个问题。在“信号与系统”实验课程教学设计中，以ARCS 动机模型四要素（注意、关联、自信、满足）激发和维持学习者的学习动机，采用MATLAB仿真软件和中国大学MOOC平台校内SPOC，尝试构建网络实验课堂。比较前后的教学效果、学生学习兴趣及动手能力有较大提升。

关键词：ARCS动机模型；信号与系统实验；教学设计；网络实验课堂

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2018）07-0039-03

一、问题的提出

“信号与系统”是高校工科类一门重要的专业基础课程。其应用非常广泛，但该课程理论性强，学习难度大，其传统的课程实验更为抽象晦涩，学生一方面提不起兴趣，另一方面难以理解和应用。以下是一个对传统信号与系统实验课的调查统计表。

二、问题的分析与解决

上述调查表明，学生在实验过程中觉得趣味性强和收获较大的非常少，只占到了2%，而可参与同伴的讨论也只有2%，不到四成的学生能对基本概念和分析方法了解清楚。因此，采用合适的方法来提高实验课程的趣味性和参与度是关键。主要采用了以下三种方式。

（一）使用ARCS动机模型增强学生的兴趣和自信

研究表明，学生学习成绩中16%～20%甚至30%的差異，是由学习动机造成的[1]。ARCS 模型由美国佛罗里达大学的约翰·凯勒教授在1983年提出。他将动机作为学习的核心因素，主张以学习动机的激发与保持为线索进行教学设计，总结出四个基本要素：注意（Attention）、相关 （Relevance）、自信（Confidence）、满足（Satisfaction）。注意、相关、自信和满足的四个英文单词的首字母便组合成一个ARCS模型[2]。这四个基本要素基本上可以作为我们设计活动的一个支架，来指导我们进行相关活动和策略的设计。在“信号与系统”实验课程的教学设计中，可精选融合实验知识点的情境，结合此四要素层层递进：首先引入情境，抛出任务，引起注意力；然后分析问题，让学生体验实验任务与自身学习和生活的相关性；接着巧设讨论题，安排小组递进式讨论，激发学生完成任务的自信心；最后优秀作品展示，让学生从中获得满足感。

（二）使用MATLAB仿真软件提升实验直观度

“信号与系统”实验课程涉及了大量抽象零散的知识点，如信号的频谱，信号的带宽，系统的频率响应等。传统的实验教学大多采用实验箱配合示波器，只能进行一些简单的信号和波形演示，形式单一且不直观，而MATLAB仿真软件具有强大的数据处理和图像处理功能，可以方便快捷地分析各类信号特点以及系统特性。运用MATLAB，使学生易于接受抽象的理论，更深刻地理解实验内容。

（三）使用中国大学MOOC平台校内SPOC提高学习能动性

网络课堂的发展与普及对现代教育起到了深远的影响。中国大学MOOC平台校内SPOC给学生学习提供更多的自主性和参与的方式，“信号与系统”网络实验课堂主要由课堂讲解、主题讨论、提交报告、拓展应用等模块组成。课堂讲解模块由教师课前上传实验相关的视频、文档等资料，方便学生反复根据自身需要观看并全程在线提示；主题讨论模块方便兴趣小组集中讨论，解决问题，提高参与度；提交报告模块可形成电子实验报告，作品展示可让更多的学生看到更好的作品并实现随机小组互评；拓展应用模块分为课后管理和实践创新两部分，课后管理主要包含实验报告评判、课后答疑，针对学生在实验中产生的创新思维还可联系校内电子创新实验室进行更深层次的研究。

三、教学实施过程

下面以“信号与系统”课程的一个实验为例介绍具体的教学实施过程。

（一）引入情境，引起注意力

德国一位学者有过一个精辟的比喻：将15克盐放在你的面前，无论如何你也难以下咽。但当将15克盐放入一碗美味可口的汤中，你在享用佳肴时，就将15克盐全部吸收了。情境之于知识，犹如汤之于盐。盐溶于汤中，才能被吸收；知识需要溶于情境之中，才能显示出活力和美感。

此次实验课的第一个环节则是观看上传至网络课堂的香港影片《无间道》中有关莫尔斯码的片段，并提示学生仔细观察，注意影片里所发出的神秘信号。通过电影片段将此次课程所讲授的内容引出，引人入胜。影片中港方卧底陈永仁通过莫尔斯码巧妙地给上司传递信息：情况有变，真正的交货地点在……借用此情境，信号y（t）含有关键的地点信息，我们要完成的任务就是从该信号中破译出黑帮的真正交货地点。

（二）分析问题，体验相关性

学生看完视频后兴趣盎然。ARCS动机模型第二个要素是相关，使学习者体验到学习活动的切身性，将学习者的注意力转化为求知的欲望，从而达到维持注意力强化动机的目的。这里的关联性即是用已学过的理论知识来解决现在这个应用问题，来破译黑帮交货的真正地点。

此时教师可对任务进行简单的分析，并对所获得的数据进行简单的介绍。

引导学生观看网络课堂上的第二个讲解视频，视频中首先引导观察莫尔斯码表，发现表中的基本元素只有两个：一个为点，一个为下划线，分别称之为dot、dash。大家所关心的中文电码则先由莫尔斯码表示数字，再由4个数字的组合来表示汉字。

接着引导观察数据形式：y（t）=x1（t）cos（2πf1t）+x2（t）cos（2πf2t）+x3（t）sin（2πf2t）+x4（t）sin（2πf1t）

简单介绍datamod.mat数据文件中的各个变量af，bf，dash，dot，f1，f2，t，y1，y2，y3，其中y1，y2，y3都形与y。

教师使用matlab仿真工具直观展示部分变量的波形图。图像形式历来比普通的文字有感染力。仿真工具的使用省去了大量的计算时间，可使思维集中在分析方法上，并且网络课堂视频的形式可方便学生反复观看，照顾不同学习进度的学生，让学生有更大的自主性。

此番讲解后，学生觉得这个有趣的问题确实和自己先前所学密切相关，能利用所学解决问题，学习动机继续保持。

（三）小组递进式讨论，激发自信心

ARCS动机模型第三个要素是自信。学习者将注意力集中到学习活动上，并产生了相关的切身性体验，这并不代表学习就一定能够继续下去，学习过程中的困难很可能成为学习者中断学习的重要原因，这时就需要学习者具有能够帮助自己克服困难，跨越阻碍的动力，需要建立“经过自己的努力，我能够完成，能够达到”的信心。

在上课之前学生自由组合，每3人组成一个兴趣小组。研究表明团队有助于学习的持续性。

同时教师一直提供在线支持，不断地进行提示，甚至把问题步骤化，一步一步地走。此次实验中，教师提供前续课程中用到的仿真函数，可方便观测数据中各变量的波形图。提供滤波器系统，也可自行使用仿真工具设计。并把任务步骤化，以思考问题形式给出，同时显示在网络课堂的主题讨论板块，明确讨论主题。

问题1：系统的功能。（低通，高通还是带通？或者别的什么功能？）

问题2：是不是所有的dash dot组合都能基本保持

原状通过此系统。（可用MATLAB仿真试试）

问题3：dash dot及组合的信号带宽是多少？

问题4：如何从y1中分离出x1，x2，x3，x4（有可能用到低通滤波器），并展示分离后的波形图。

通过引导，部分小组也可在无从下手的境况中进入有序状态。组内讨论后若还有疑问可以发帖咨询，倡导小组之间通过主题讨论区互相答疑，回帖数及点赞数都能统计加分，教师也视情况适当参与。

（四）优秀作品展示，获得满足感

ARCS动机模型第四个要素是满足，也就是学生的成就感。“当我做完此应用或实验后，我会觉得我做得很不错，我学的知识很有用。”另外他会觉得：“这确实是自己努力的结果，只要我努力了，就能得到这样的成果，就能够实现自己的目标，变成自己想要的样子。”这就是学生需要建立的满足感。

各小组边讨论，边记录成电子实验报告，逐个解决问题直至得出最后的破译方案。

1个小时后教师在线给出破译的交货地点为龙鼓滩。

各小组对照后可以根据自身情况查错，有异议可与其他正确破译的小组讨论，各小组都可以把讨论情况记录在实验报告上并提交电子版到网络课堂上。

这样线上线下的互动一直在持续，学生能感觉到来自同伴的鼓励及教师的关注！

破译成功完成后，思维发散，安排各小组去进一步分析此数据的组成规律，思考若要传递“我爱你”三个汉字，此数据该如何组合？（提示：反观成功破译的龙鼓滩）

各小组在理解方案及数据规律后，可编辑成其他的秘密汉字信息传送到网络课堂的讨论板块，各小组间相互破译，并依据正确的汉字信息及成功的破译，在网络课堂的作品展示板块进行展示（标明信息提供小组及成功破译小组）。此过程中，教师给予肯定与鼓励，并在网络课堂浏览参与讨论板块，上传可展示作品，若有新的创意还可联系校内电子创新实验室进行更深层次的研究。

此實验课程结束后，学生们是兴奋并满足的。

ARCS 动机策略注意动机的激发和维持，借助一系列策略，强化和维持学习者的兴趣，还特别重视学习的趣味性，以达到提高教学质量的目的。在网络实验课堂模式下融合ARCS 动机模型的这一教学设计理念对于高校实验课程的教学设计具有较大的借鉴意义。表2为实验课程结束后的调查问卷总结。从表中可以看出基于ARCS动机模型的网络课堂实验教学有利于改变教学中“学习者学习动机水平逐渐减弱”的现状，提高教学效果。

参考文献：

[1]张祖忻.如何将动机原理整合于教学设计过程——谈约 翰·凯勒教授的动机系统学说[J].开放教育研究，2003，（2）.

[2]赵琰.信号与系统实验教学改革初探[J].实验室科学， 2010，（4）.