MATLAB课程线上线下混合式教学改革与实践

吴宏林，王威

（长沙理工大学 计算机与通信工程学院，湖南 长沙）

MATLAB是MATHWORKS公司推出的以科学计算和系统仿真为主的优秀数学软件，目前已被广泛应用于数据分析、无线通信、计算机视觉、量化金融与风险管理、控制系统等领域[1-2]。随着计算机仿真技术的发展，MATLAB语言因简单灵活、延展性好、内置功能强大等优点，已经逐渐成为科学计算、工程系统仿真、视图交互系统的首选语言工具，已成为相关专业学生必须掌握的基本技能。MATLAB课程作为高校理工科相关专业普遍开设的重要基础课程，主要讲授MATLAB语言基础、程序设计、数据图示、数值计算、符号计算及Simulink仿真等工具，并通过实践以培养学生求解复杂问题的计算思维能力、算法设计能力、程序编程能力和建模仿真能力，是构建高校学生工程及科研基础素养的重要组成部分[3-4]。

目前，我校通信、交通运输、水利、船海、土木等多个专业已开设MATLAB语言及相关应用课程，具有覆盖面广、实践性强且差异大等特点。然而，该课程在教学过程中还存在诸多问题，距离教学目标仍有一定差距。主要体现在：①开设学科专业差异较大，不同专业间及同专业内学生基础参差不齐，而课程学时短，依靠传统课堂难以完成教学任务；②知识点多且琐碎、语法函数较多，课程教学较难组织，传统的“PPT+讲解”教学方式常常让学生陷入语言语法规则的泥沼，不仅容易丧失学习兴趣，且往往容易忽视课程的实践性；③对学生的考核方式单一，且通常流于形式，学生存在背书、背代码、高分低能的现象。如何改变MATLAB课程的教学现状，打造具有“高阶性、创新性、挑战度”的高水平课程，是近年来我们一直关注的问题。而线上线下混合式教学模式将传统的课堂教学与在线学习的优势结合起来，能够充分利用课余时间，有效培养学生的自主学习和探索式学习能力，提高教学效果[5-6]。针对上述问题，结合我校在“金课”打造以及本科一流课程建设中的相关经验，我们对MATLAB课程的教学进行了“线上+线下”混合式教学模式的改革，结合线上线下对课前、课中及课后的教学进行联动，以图最大化课堂效能及教学效果，打造适合地方高校的特色基础课程。

一 线上线下混合式教学模式的构建

课程组教师针对上述问题，充分发挥自身的专业背景优势，利用现代信息技术手段积极推进线上课程平台的建设，打造具有丰富学习资源及实训资源的线上教学平台，并积极探索适应课程特点的线上线下混合式教学模式。线上线下混合式教学模式总体构架如图1所示。

图1 线上线下混合式教学模式

线上线下混合式教学由课前、课中、课后三个环节组成。课前教师利用在线平台推送学习资源，学生自主学习，完成知识的传递吸收过程，把不懂不会的地方统计下来，教师可以通过平台大数据进行学情分析，以学定教；课中包括理论与上机实验，理论课中针对理论性较强的内容及课程重难点采取课堂授课的方式，同时教师可以创建合作探究情境及任务，针对性地开展释疑解难，学生在协作、探究学习情境中完成知识的内化，打破传统课堂的填鸭式教学；上机实验则借助智能实训平台打造线上分层实践任务及实验，以分层递进的任务模块逐步引导学生完成复杂问题的建模与实现，并通过智能实训平台对程序设计结果进行在线实时评测，以培养学生求解复杂问题的思维能力及编程建模能力。课后为应用和强化提高，教师根据学科专业特点及学生知识基础，从生产实践及科学研究中选取子任务设置为课程综合实训任务，通过更具创新性和设计性的综合实训以促进知识向能力的转化。结合线上线下对课前、课中及课后的教学进行联动，以全面推进MATLAB课程的“线上+线下”混合式教学改革。

二 线上线下混合式教学的组织实施方式

（一） 线上学习资源的建设

线上资源的建设是混合式课程实施的前提与基础，线上资源的形式、内容组织及质量高低，都直接决定线上教学的开展成效。而课程资源的建设与完善是一个长期的过程，在课程建设初期，我们基于超星尔雅平台，在平时课程教学积累的教学资料及素材的基础上，结合网络优秀教学课程、精品课件及资源，按照MATLAB课程知识点进行分级整合与优化，构建了以微课形式为主的MATLAB课程线上学习资源；随着课程改革的深入，我们进一步针对知识要点和难点问题，制作了导学课件、作业及章节测试等，并积极完善教学视频、探究性案例等资源，以充分发挥线上平台的功用及效能。

（二） 学生课前自主学习

在课前提前安排学生做好线上的自主学习，学生可通过手机客户端或PC客户端在课前对课程进行预习。通过知识点分解及微课导学的方式，可尽量控制各知识点教学视频在十分钟内，使学生可自由利用碎片化的时间，完成课程资料学习、微课等教学活动。这样不仅可以节省线下教学中基础性内容的讲解时间，极大提高授课效率，且能在不加重学生额外课程负担的情况下，鼓励学生利用闲暇空隙进行学习，提高学生学习的积极性，尤其是对该课程为选修课的学生。另外，通过微课视频中节点练习测试及学生问题反馈跟踪学生课前学习情况，线上平台将练习测试的统计情况反馈给教师，这样教师就可以掌握线下课程教学的侧重点，且结合学生的反馈意见可针对性地对相关知识点展开细致讲解，可破除学习中的重难点，提升课堂教学效果。

（三） 根据学情联动线下理论教学

MATLAB的语法语句颇多且应用灵活，在实施线下理论课程教学时，可根据课前学习情况来针对性地授课。对课程基础语法的教学，可根据学生线上学习的情况及反馈的问题，在课堂择要讲解。针对逻辑性较强且较难掌握的重难点则采取细致讲解，并结合经典问题及运用案例进行阐述分析，通过思维启发、方案构思及评价等深化学生对知识的理解与掌握。同时，为强化学生的知识运用能力，设计出一些跟实际联系紧密的探究式情境及任务，引导学生进行问题分析、构思解题方案及编程实现，并通过小组点评及互动讨论，针对性地释疑解难，引导学生知识能力的迁移及转化。

（四） 依托平台进行智能实践

实践性是MATLAB课程显著性特点，学生的学习效果及能力的体现最终体现在对实际问题的编程实现及解决上。针对这一特点，在教学过程中，充分利用课内上机实验，基于头歌平台Eudcoder[7]打造了线上智能实践平台。在该平台上根据各章知识点要求，设计了课程的多个实践案例，每个案例由多个任务组成，任务由浅入深、嵌套递进，并通过模块化来逐步引导学生由易到难完成；案例任务的打造由知识点讲解示例说明、实践任务要求与设计、实践任务自动测试与智能评判等组成，使不同层次、不同专业的学生能在这种递进任务中，通过平台的智能实时评测促进学生知识能力的高效转化。

为检验学生对课程知识的掌握效果及综合运用能力，依托智能平台发布了一些紧跟工程与科研实践的大作业。这些大作业大多源于课程组教师工程及科研实践，教师基于学生学科专业及知识储备对工程及项目中的子问题进行简化、抽象，以形成适合不同专业、不同层次学生的多个子问题、子任务，如：专业认证学情分析系统中的形成性评价涉及到的成绩分析的各类任务、多目标融合跟踪中的目标关联及处理等问题。在课程中期通过网上平台将大作业发布给学生，学生可自由选择其中几个子任务在课后进行设计实现，并借助平台建立师生、生生交流讨论的通道，积极引导学生分析问题、设计方案并编程实现。这种课后综合实训，不仅能强化学生对相关知识的理解掌握，且能促使学生积极思考并灵活运用课程所学的知识，从而实现学生知识能力的迁移。

（五） 实施课程综合评价

从学生课前、课中及课后的多个阶段的各项活动表现实施课程评价，打造多元化综合评价体制。课前学习根据课程视频观看情况、访问次数、练习等情况计入平时成绩；课中上机实验依托智能平台打造公开透明的实时在线评价方式，利用线上平台的自动评测及统计分析进行智能管控，让学生进行限时实践实验，记录学习数据及实训成绩，作为平时成绩的一部分，且学生可在线实时查看自己的学习数据及成绩排名等情况，极大提高了学生学习的积极性；对课后的综合大作业通过验收问答及设计报告来得出个人课题任务表现得分。同时注重线下考核，在期中期末考核中注重运用能力的考核，合理化基本知识点及综合运用题的考核比例。这种多元化综合评价机制，不仅有利于充分调动学生的学习积极性，而且也使考核更加公平公正，准确反映学生真实水平。

（六） 课程建设成效

经过近两年的建设，基本实现了线上线下互动提升的教学模式，如图2所示。即课前教师利用在线平台推送学习资源，学生自主学习；课中教师根据学生学习情况，以情境探究及协作任务，针对理论性较强的内容及课程重难点进行释疑讲授，并通过线上平台的智能实训，提升学生的实践能力；课后以综合实训任务，积极引导学生去分析问题、设计并实现解决方案，实现对知识的应用提高，促进知识能力的内化。经过两年建设，课程改革已初见成效，如图3所示，与前一学年对比2021学年成绩优良率明显提升，课程改革也得到了学生的一致肯定与好评。

图2 线上线下互动的能力提升模式

图3 课程成绩分布及对比

三 结语

针对MATLAB课程在我校学科专业教学中的复杂性，探讨了课程的线上线下混合教学模式。借助信息化手段，打造了线上课程平台，联动课前、课中、课后三个教学环节，基本实现了课前自主学习、课中联动教学及智能实践、课后综合提高，让教师教有所进，学生学有所得。课程的改革是一个持续过程，我们将积极总结教学过程的经验，在实践→反馈→改进→实践的循环中不断完善课程的混合式教学。