工程背景导向反馈型翻转课堂在信号分析与处理中的应用

赵静

摘要：针对信号分析与处理课程的特点，本文提出以工程背景为导向，让学生自己动手编制程序实现某些关键知识点，并將其应用于实际信号的处理与分析中。这样不仅加深了学生对知识点的理解，也提高了他们解决实际问题的能力。同时，教学设计中增加了例题讲解、师生互动、多媒体播放、总结陈词、讨论会、辩论赛等多个环节，鼓励尽可能多的学生参与到课堂教学中来，增加了课堂的趣味性和实用性，解决了学生学习风气差、上课注意力不集中等问题，提高了课堂的效率。

关键词：翻转课堂;信号分析;工程背景;实用性

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）12-0097-04

一、翻转课堂的定义

翻转课堂将传统课堂中学生与教师之间教与学的关系进行扭转，把老师从一味输出知识的角色中解放出来，采取刺激和调动学生在学习过程中主观能动性的方式，使学生在学习中能够以更好地方式去获得知识、应用知识。通过翻转课堂这种形式，教学质量才能被从根本上提高，学科知识才能被更好地传承[1]。

翻转课堂（Flipped Classroom）[2]重新调整课堂内外的时间，重新定义教学模式，把学习的决定权从老师的手中交到学生手中，让学生按照自己的学习进度在课余时间自学，然后在课堂上讲解，再由教师解决学生的疑问。具体来说就是在课前将各种教学资源提供给学生进行自主学习，在课堂上学生在教师的支持和帮助下将以前需要在课外做的家庭作业在课堂上完成。在该教学模式中，将传统的课堂直接翻转到了课前进行，翻转课堂的核心是它翻转了传统的教学活动场地，所以这种教学模式叫做翻转课堂。这种教育模式下，学生学习更加自由选择，充分利用时间，把课堂从一个传授知识的角色变成师生谈论问题，解决问题的角色，极大地提高了学习效率[3]。

与传统教学方式相比，翻转课堂的教学以学生为教学主体，以学生自主学习为教学目的，以学生作为教学活动的中心，在课堂教学中提高学生分析和解决问题的能力，教师则负责调动教学资源为学生的学习提供帮助，加强学生对实际问题的决策能力[4]。

翻转课堂的优势在于它完全颠覆了以往老师在讲台讲，学生被动听课、被动学习的教学模式，该模式使教与学分离脱节，不能融合成一个有机的整体，且在这个过程中老师角色分量比较重。而翻转课堂增加了学习中的互动，减少教育的不公平，最大的好处就是全面提升了课堂的互动，具体表现在教师和学生之间以及学生与学生之间，新成立的学习小组之间的交流探讨，更加适应新形势下课堂教学改革的需要[5]。而老师在关键时刻充当指导的角色，可以强化学生是主人翁，是学习主体的地位，当然这也要求老师有角色转变的观念，这种教学模式更要求老师能和学生打成一片，即学生愿意相信老师，主动让老师检查自己的知识掌握情况，给予及时地反馈[6]。

二、教学设计

《信号分析与处理》课程是地球物理、勘查技术与工程等石油勘探类专业的一门必修专业基础课，该课程具有内容抽象、数学公式多、工程应用性强等特点。本文依据《信号分析与处理》课程的特点，分析了翻转课堂教学模式的可行性和该教学方法在教学过程中的实施策略。

在传统教学模式中，以教师的“教”为中心，学生是在教师的指导下进行被动地学习，侧重于数学公式的记忆和使用，导致培养的学生欠缺对数学概念与工程含义的理解[7]。在学习过程中学生普遍存在畏难情绪，进而大大降低学生的学习兴趣和热情。而翻转课堂教学法则是以学习者为中心的主动学习，打破传统教学领域的学习架构，使学习者主动参与到学习活动中。

根据课堂的实时反应，翻转课堂的高效性不言而喻。对于学生而言，若能调动起其学习的积极性和主动性，便是事半而功倍。翻转课堂则是对症下药的解决了此问题，所以这种方法才能被越来越多的学校采纳和应用。

如何利用这种先进的教学理论和方法实施对传统课程的教学改革，在这类具有较强理论性和实用性的课程中培养学生的综合理解能力、创新思维能力、专业科学素养，是当前高等院校课程建设和改革的重要内容之一。本文重点阐述了依据《信号分析与处理》课程特点分析翻转课堂式教学的可行性和翻转课堂式教学方法在该课程教学过程中的实施策略。

（一）课前自主预习

翻转课堂是以学生为中心的主动学习，注重培养学生利用互联网等其他外部资源条件的自主学习能力。为了学生自主学习的需要，首先需要设计课前自主学习计划单。将教材及大纲中的教学难点、重点等知识点分配给各个小组，让每个小组解决一个到两个知识点。这种分配任务到组，以问题为导向的方式，使学生在自学中有一定的目的性，培养学生独立思考的能力。除了利用互联网外，教师可制作合适的微课视频，结合本专业的特点，阐述其物理和工程上的意义，可以加强学生的记忆，更好地理解知识点的内容。以勘查技术与工程专业为例，微课中可以展示信号理论在地震勘探中的应用，另一方面也可以增强学生学习本专业的信心，完成大学工科教学任务及目标。

（二）课上教与学的融合

《信号分析与处理》对数学与物理知识的要求比较高，为了在规定的教学时间内完成教学大纲规定的教学任务，需要提高上课的效率。课前预习时，将每个知识点分配给一到两个小组。教师首先将本节课的内容进行串讲，遇到重点、难点时让学生上讲台讲解。教师对学生的学习状态进行分析，查漏补缺，并对学生未讲解清楚的地方进行加强。小组搭配时注意优势互补，既要调动学生的积极性又不让部分学生产生依赖心理。设立一个组长，将任务再细化到组内成员，培养协作探究能力，最后汇总各自的学习心得，让每个学生都参与进来。课堂上选派代表进行课堂交流发言，也可去讲台利用多媒体进行汇报。汇报过程中，教师引导学生深入理解教材，抛出学习中存在的问题，师生一起共同发现问题和解决问题。每个知识点由一到两个小组进行讲解，第一个小组讲解完后，其他小组进行查漏补缺。

（三）工程背景导向

《信号分析与处理》具有极其广泛的实际应用，在各个领域都发挥着作用。传统教学中，课堂上过分强调公式的应用及性质的推导，忽视了其工程背景。我们将课堂教学与该课程的课程设计相结合，强调实际应用的重要性，鼓励学生在课堂上展示编程成果。以理论知识为指导实现软件的编制，在编程实现中加强对理论知识的理解。

（四）课后复习巩固

课堂上所学的知识需要及时巩固才能消化吸收，最终为自己所用。我们每节课都会布置少量的练习题或者实践题让同学们完成。在完成过程中通过互联网答疑解惑，比如通过QQ群或者微信群，征集同学们在课后复习中遇到的问题。可通过发布语音或视频的方式解答同学们的疑问，也可在课堂上解决问题。

三、实践

我们将提出的工程背景导向反馈型翻转课堂应用于勘查资源与工程专业的信号分析与处理课程中。大学生在大学期间学习的课程很多，然而这些课程的作用并不在课程本身。把这些知识看作一种“载体”或一种工具，可能更为合适。我们学习的目的并不在于学了多少知识，而在于學会怎样去学，这也许才是教育的本质所在。我们现在所接受的知识是为了让我们通过拥有它能提高自己的学习能力。大学老师在上课时更应该注重对学生学习能力的培养，而不应该像中学老师那样“填鸭式”灌输。教师应该将最基本的知识进行融会贯通，条理清晰地给学生讲清楚，而对重点、难点知识应稍作提示，让学生自己课下学习，然后在课堂上分享心得，教师从旁辅助。

因为学生的接受能力参差不齐，所以我们的翻转课堂并不能完完全全地照搬他人模式，而是应该根据自己的实际情况，规划出具有自己特色的翻转课堂，才能真正解决问题。在信号分析与处理课堂上，分组学习是一个好的方案，我们可以将重难点进行划分，让每个组去承担不同的学习任务，然后以小组为单位进行讲述，这样既可以避免老师上课的满堂灌，也能增加同学们的课堂参与度，起到课堂翻转的作用。同时，以小组形式进行学习和总结，同学之间相互监督、互相进步，更能进一步促进学习，提高同学们的学习积极性。实践中有以下几点教学设计。

（一）温故知新

上课前预留十分钟准备时间，随机从三个班抽一个班，每个班五个或者六个小组，每个小组推出一人讲解本节课要讲的主要内容。同时，再抽一个班，讲解上一节课的内容。讲解的内容类似于标题的形式，一方面是温故而知新，另一方面是让同学们对课程的逻辑有整体的认知。

（二） 分配到组

每节课教师讲授本节课的整体思路，将重点、难点和编程算例进行划分并分配到每个小组。下节课的课堂上，教师高屋建瓴地讲解本节课的梗概并发布下次课程的任务，然后每个小组对重点、难点及示例的自习情况进行讨论。因为每个学生性格和能力不同，而导致他们的理解程度不同，有部分同学可能会因为上台讲课不如其他学生而产生对课程的反感，甚至有可能会打击他们对学习的自信，所以我们除了演讲环节，还设计了书面报告等环节。

（三）教师的辅助

翻转课堂中教师的任务非但没有减轻，反而对教师提出了更高的要求，不仅需要牢固掌握所授课程的知识点，还需要进行创新性的教学设计。教师在翻转课堂中起辅助和穿针引线的作用，首先需要将知识点串连起来，其次要针对各个小组的任务完成情况对知识点进行完善和补充，帮助同学们理解。学生预习或自习时难免有学习不全面、理解不到位的地方，教师需要在课堂上及时答疑解惑才能发挥翻转课堂的优势。

（四）教师与学生的互动

为了防止小组中有的同学浑水摸鱼以及依赖其他同学的情况，提高课堂学习气氛，教师需要多与学生互动，激发学生的学习兴趣。图1为某手机APP的应用界面，可以实现用手机点名、测验、评分等功能，实现互动的同时尽量减少学生在课堂上玩手机、睡觉、聊天等现象。

（五）例题讲解

对知识点的理解还需要在例题演算中进行加强。教师可讲解一些典型例题，让学生触类旁通地自己练习。为了充分利用课堂和课下的时间，教师可在本堂课结束时发布例题任务，让每个小组认领这些任务，然后下次上课时派代表在黑板上讲解例题。

（六）激发学生兴趣

45或50分钟的课堂上，难以保证学生思想一直高度集中，可以在下课前5—10分钟播放信号处理的实验记录片，讲解信号分析发展史等。还可以播放跟本学科有关的新发现、黑科技或者生活中跟本学科有关的事物和原理，或者介绍课本上相关知识背后的科学家的故事，让学生长知识的同时又能长见识，使学生明白科研的过程，激发学生的远大理想和抱负，并让同学们理解该学科是什么，应该研究些什么，它在科学整体发展中有哪些任务，应该起到什么样的作用，这门课在生活中的重要地位等，使同学们对本学科更有兴趣。

（七）信号分析的工程应用

为了让学生学以致用，提高学习的兴趣及动手能力，我们将该课程与另一门名为《信号分析与处理课程设计》的课程相融合，在授课的过程中，对相关知识点进行编程实现以加深同学们的印象。教师在课堂上示范几个经典案例，然后布置任务，让小组成员熟悉编程语言并实现简单模型。例如针对几种常用信号及其傅里叶变换、FFT在地震勘探中的应用等知识点，鼓励学生自己编程实现。以下是实现吉布斯效应的程序示例：

n_max=[3 5 11 31];

N=length（n_max）;

t=-0.5：0.001：1;

w=2*pi;

for k=1：N

x=0.5;

for n=1：2：n_max（k）

bn=2.*sin（pi*n/2）/pi*n;

x=x+bn*cos（w*n*t）;

end

subplot（N，1，k）;plot（t，x）;xlabel（'t'）;ylabel（'partial sum'）;

axis（[min（t） max（x） -0.5 1.25]）;text（-0.2，0.4，['max.har.='，num2str（n_max（k））]）;

end

图2是对吉布斯效应的图解。通过该实例，同学们对吉布斯效应有了更深刻的认识。小组成员需要讲解他们编程的思路，解释程序实现的结果，以便在共享中实现共赢。

（八）课堂总结

课程结束前留几分钟时间用于课堂总结，该部分教学设计较为灵活，可以是小组间的讨论，可以让学生自由发言。也可以提交一份课堂总结，50—100字，精简地阐述关于本节课的学习体会和内容等。

（九）讨论会/辩论赛

对于某些有争议性的问题，可以采取讨论会或者辩论赛的形式。学生可以自己发现问题，教师也可以提前布置讨论会的题目，让学生课下准备。实践中我们发布过的讨论会题目有“如何用FFT求取IFFT？”“傅里叶变换的优缺点总结”等。

（十）奖惩制度

对于学生在课堂上的参与度，我们采取鼓励多于强制的措施，学生在课堂上的讨论及发言、编程实现及提交的作业等，均给予平时成绩加分的奖励，最终的期末成绩是平时成绩和试卷成绩的综合。翻转课堂固然优点颇多，然而不足还是存在的，比如，班级里每个同学的自学能力、接受能力以及自觉性都不相同，對于自学能力强的学生，这种方式无疑给他们提供了更加自由的学习空间，有益无害。而对于想要学习却自学能力不足的学生，少了老师的引导会大大降低他们的学习效率，更有甚者，会挫伤他们的学习自信心，有些时候事倍却功半。对于那种完全不爱学习的学生而言，这种方式无疑是为他们创造了一个没有压迫的天堂，没有了老师的压力，他们会越发放纵自己不去学习，这样，翻转课堂会成为害其的毒药。教师需要甄别每个同学的情况，对于前两种情况，我们尽量将自学能力强的和自学能力差的同学组成一个学习组，组内成员互帮互助提高学习效率。对于第三种情况，我们给那些不爱学习的同学稍许压迫感，抽查他们回答问题，如果这节课答不上来，则给他们布置课后作业，下节课继续抽查他们。对于其他大多数同学，我们鼓励每个同学能参与到课堂上，以包容和相互理解的态度，对稍微逊色的同学给予惩罚，例如罚他在课间讲个小故事等。

（十一）竞赛项目

多鼓励学生参加与信号理论有关的竞赛，如“互联网+”、创新创业等激发学生学习能力和创造能力的竞赛。

四、结论

工程背景导向反馈型翻转课堂教学模式在信号与系统课堂中能否顺利实施一方面取决于教师的职业素养与专业能力，另一方面学生自主学习的方法与习惯以及学习资源的配置情况也是关键因素。我们根据翻转课堂在信号分析与处理中的实际应用情况，因地制宜地提出了以工程背景为导向，鼓励学生动手编程，将所学知识应用于实际信号的处理中。这样不仅加深了学生对所学知识的认知，且锻炼了学生的动手能力。此外，我们通过分组，采取以组为单位的预习、重难点分析、讨论、总结发言等一系列环节，并建立有效的奖惩机制，大大提高了学习的风气及效率。该理论及实践有望建立一套适用于高等院校勘查技术与工程专业的《信号分析与处理》课程的翻转课堂教学法，使学生不仅能掌握理论知识，而且能运用这些理论知识提高解决实际问题的能力，形成从实际问题到理论分析，再到解决实际问题的良性循环。

参考文献：

[1]萨尔曼，可汗.翻转课堂的可汗学院[M].刘婧，译.杭州：浙江人民出版社，2014：85.

[2]陈后金，胡健，薛健，郝晓莉，钱满义，高海林.信号处理系列课程的改革与探索[J].中国大学教学，2008，（9）：36-39.

[3]何克抗，从“翻转课堂”的本质，看“翻转课堂”在我国未来的发展[J].电化教育研究，2014，（7）：5-16.

[4]孙玉梅.关于翻转课堂的几点思考[J].数字化用户，2014，（19）.

[5]郭景杨.现代课堂教学与管理[M].中国矿业大学出版社，2000.

[6]卜彩丽，马颖莹.翻转课堂教学模式在我国高等院校应用的可行性分析[J].软件导刊，2013，（12）.

[7]Jiang Jingang，Zhang Yongde，Du Haiyan et al.，Design and Application of Flipped Classroom Teaching Model[C]，The 11th International Conference on Computer Science & Education，2016.

The Application of Engineering Background Guided Feedback Flipped Classroom in Signal Analysis and Processing

ZHAO Jing

（Xi'an Shiyou University，Xi'an，Shaanxi，710065，China）

Abstract：According to the characteristics of the course of signal analysis and processing，this paper puts forward the engineering background orientation，so that students can make their own program to realize some key knowledge points，and apply it to the processing and analysis of actual signals.This not only deepens students 'understanding of knowledge points，but also improves their ability to solve practical problems.At the same time，the teaching design has added such links as example presentations，teacher-student interaction，multimedia playback，closing arguments，seminars，and debate competitions，encouraging as many students as possible to participate in classroom teaching，which has increased the interest and practicality of the classroom.The problem of poor students 'learning atmosphere and lack of concentration in class were solved，and the efficiency of the classroom was improved.

Key words：flipped classroom;signal analysis;engineering background;practicality