新工科建设背景下混合式课堂教学模式探索

李迪，王祥龙，谌东东，王新怀

（1.西安电子科技大学 微电子学院，陕西 西安；2.西安电子科技大学 国家级电工电子实验教学示范中心，陕西 西安）

一 引言

新工科建设着眼于国家“两个一百年”战略目标，围绕产业链、创业链对学科和专业设置进行前瞻布局和动态调整，注重实现创新型课程体系建设，重塑人才培养质量关，培养时代和未来的卓越工程人才，为“中国梦”的实现提供智力支撑和人才保障[1-3]。

然而，新工科背景下的传统教学模式存在以下问题：第一，课程知识体系衔接不连贯，理论知识庞杂，学生跨学科知识应用能力较弱；第二，课程理论与工程实践内容存在严重脱节；第三，学时有限等教育资源问题。新时代大学生有自己的见解和追求，渴望拥有明确的科研学习目标、能够高效迅速地掌握扎实的专业技能学识、培养创新精神，迅速提升实践能力，而传统教学模式已越来越难以满足当前高质量教育目标的需求。

随着信息通讯技术的发展以及智慧教学工具的不断普及，将网络、通信技术引入到高校课程教学之中对优化传统教学模式、提升教学效果具有重要的促进作用，已成为当前教学改革探索和研究的热点之一[4-6]。

本文针对新工科培养目标，以“超宽带测距系统”作为教学实践案例，利用信息技术构建“线上+线下实时同步”的混合式教学模式，运用智慧教学工具，将课堂理论知识讲解与实验现场调试、设计制作实施紧密结合，对“课堂—现场”实时连线进行课堂教学的模式进行了探索与创新。

二 教学模式创新

随着通讯技术的不断提升，信息化教学手段不断渗入学生培养过程中，针对典型教学问题，比如师资不足、场地紧张、学时有限、学生数量庞大等，特别是优质教育资源缺乏带来的教学供需矛盾以及一些专业软件使用方法的教学无法带入课堂之中。

（一） 利用信息技术，构建混合式教学模式

教师利用智慧教学工具（雨课堂、腾讯课堂和微信等）[5-7]，建立线上线下实时同步的混合式教学模式，将网络空间与实体空间、课内与课外、教师讲授与现场实验等进行有机结合，发挥教师引导、启发、监控教学的主导作用，同时充分调动学生作为学习主体的主动性、积极性与创造性。

教学模式采用线上线下结合的混合式教学，在先进教学理念支撑下，教师设计使用实时在线通讯手段，展现传统课堂难以实现或实现效果较差的教学内容，包括：实际操作技巧与过程、课程内容相关的现场环境演示、抽象理论或原理的具象化动画方式展示、知识结构立体化呈现等，有效增加教学信息量，提高教学效率和质量。

（二） 利用互联网技术，优化教学团队

传统教学模式团队通常只包括1~2位教师，需要面对不同层次甚至是不同知识结构的学生，教学任务过于繁重而效率不高。混合式教学模式的团队由线上教师（AI教师、辅导教师）和课堂教师联合组成，既有关注“如何教”的教师，又有关注“如何学”的教师，还有关注“学生支援服务”的教师。教师团队尽可能为学生提供教学服务，包括但不限于：（1）线上线下结合的规模化教学和个性指导；（2）线上线下结合的答疑服务；（3）线上线下相结合的测试评价服务；（4）提供充足的教学资源。

科学技术的高速发展为教学模式革新提供了坚强技术支撑，在高校课堂教学之中，教学团队有效利用信息技术，协助教师的教学工作，不断拓展课程的信息化教学空间，激发学生的创新思维，培养更多适应高质量发展、高水平自立自强的各类人才。

三 教学实践案例

板级嵌入式系统综合设计实验是电子信息工程专业的重要实践课程[8-9]。在混合式教学模式下，以“超宽带测距系统”作为典型教学案例，从课堂理论知识的讲解、实验现场的调试技巧、课堂与实验现场实时同步连线等对学生开展教学工作。

（一） 课堂理论

“超宽带测距系统”综合设计实验根据学生能力不同对实验任务进行层次化设计，分为“基础层-应用层-提高层-项目层”四个层次[10-11]，对应I、II、III、IV四个复杂度不同的部分，其复杂度系数分别为0.5、0.6、0.8、1.0。具体的设计指标如表1所示。

表1 超宽带测距系统设计指标要求

课堂教学过程中，教师为学生讲解如下实验原理和方案。超宽带测距系统包含硬件和软件算法设计，硬件设计包含两个信号收发基站和一个显示模块。基站模块包括：电源、处理器、降压模块、超宽带模块和显示模块等。系统设计框图如图1所示，电源通过降压电路为不同的子模块提供电源。处理器进行数据处理并实现各模块之间无线通信，同时根据软件算法程序计算两基站之间距离值。超宽带模块实现信号收发，为处理器提供所需数据。处理器和超宽带模块之间采用通信协议传输信号。

图1 超宽带测距系统框图

测距算法原理如图2所示。首先，基站A向基站B发送请求信号，并记录发送时刻T0；其次，当基站B接收到基站A请求信号之后向基站A回复一条应答信号，分别记录其接收请求信号时刻T1和发送应答信号时刻T2；当基站A接收到应答信号之后会向基站B发送一条终止信号，分别记录接收时刻T3和发送终止信号时刻T4，最后基站B接收到终止信号并记录接收时刻T5。处理器根据上述时间值和几何关系计算信号的飞行时间Tof，将飞行时间和电磁波传播速度相乘便可得出基站A和B之间的距离值。

图2 超宽带测距算法模型

（二） 同步课堂

教师在混合式教学模式下，借助智慧教学工具实现课堂与实验现场实时连接，将抽象理论进行立体化展示，增加师生之间交流，促进学生对课堂理论知识的理解，提升教学质量。学生不再是被动的接受者，而是主动的参与者。学生在混合式教学模式下，提高了主动学习和获取知识的能力[12]。

课堂教师与辅导教师通过智慧通讯软件实现课堂与现场同步，在给学生讲解相关理论知识和调试操作技巧的同时，实时展现测试和调试现场的操作流程与技巧，将抽象理论具象化展示，激发学生兴趣，提升学生的动手实践能力。以“超宽带测距系统”综合设计实验课堂教学为例，课堂教师依次为学生讲解Part I、II、III、IV四个不同复杂度的实验原理、设计方案以及调试方法，并指示辅导教师进行实时同步的实验操作。

如图3所示，课堂主讲教师与辅导教师实时连线讲述超宽带测距系统PCB板级调试流程；结合对图1的课堂理论讲解，指示辅助教师实时完成Part I(1)、II(2)的调试工作；接通5V电源，PCB板级系统下端位置的电源指示灯亮，同时上端的LED灯的亮度随着传输信号强度的大小而变化，当传输信号越强时，则指示灯越亮，反之越暗；分别在标准尺为10m、20m长度范围内，固定基站A，移动基站B，每间隔1m测量两基站之间的距离值，记录数据，查看测距精度是否满足50 cm的指标要求。

图3 实时连线场景与PCB制作演示及实验作品

图4所示为课堂主讲教师与辅导教师实时连线，讲述超宽带测距系统的设计流程与距离实测方法；结合对图2的系统测距算法理论的讲解，指示辅助教师实时完成Part III的系统调试，完成上位机界面实时显示基站位置与信号强度数字化转换；完成Part IV中的二维定位与定位信息显示。在图4的上位机界面中，两个原点则代表两个基站的位置，基站A的位置设定为坐标原点，界面的上端则为Part IV(1)所需的基站B的定位信息。

图4 课堂实时连线场景与现场调试、上位机界面

本文所提出的混合式教学模式，大大增加了学生对实验方案合理性、实际电路焊接品质、成本控制、误差分析和自主创新等方面的思考，建立了理论讲述与动手实验的联动模式，促使了学生在吸收理论知识的同时能够提升综合实践和思维创新能力。

四 实施效果

混合式教学模式打破了空间的限制，知识的来源包括书籍、教师和网络等。学生可通过网络获取优质学习资源，开阔知识眼界，提升实验任务的完成质量。

混合式教学模式架起了理论课堂与实验现场的桥梁，课堂教师借助信息技术实时连线辅助教师，同步讲解EDA软件、仪器设备的操作技巧，开拓了学生的知识面，在夯实学生的基础理论知识的同时，增强了学生的体验、“现场”观察与提出问题的能力，解决了工程设计软件的使用方法难以在课堂精确讲解的问题。

从实施效果来看，混合式教学模式不仅提高了学生的综合素养，也激发了学生的创新能力，为后续参加电子学科的竞赛打下了坚实的基础，在学生中广受好评。

五 结语

本文将信息技术应用到课堂教学之中，构建“线上+线下实时同步”的混合式教学模式。教师在混合式教学模式下，以“超宽带测距系统”综合设计实验为教学案例，引导学生“做中学，学中做，学中乐，乐中学”，在夯实理论知识的同时，学会使用工科学生常用设计软件与仪器设备等，为培养“新工科”背景下的创新引领人才奠定了坚实的实践基础。