基于O-PIRTAS教学法的生物医学工程专业《信号与系统》课程教学模式探索

门韶洋，崔曼曼，弓 伟，罗晓牧，王庆香

（广州中医药大学医学信息工程学院生物医学工程教研室，广东 广州 510006）

0 引言

生物医学工程（Biomedical Engineering,BME）是一门新兴的边缘交叉学科，它综合了工程学、生物学、物理学和医学等多个领域的理论和方法，利用工程技术手段研究并控制人体系统的生理变化[1]。我校广州中医药大学自2014年开始筹备BME专业，至今已初具规模，于2017年发展细化为医学电子仪器和医学物理两个方向，以满足就业市场对专业化生工人才的需求。我校的BME专业，毕业生大部分将进入医疗仪器相关领域工作或者在BME相关方向进行进一步的研究和深造。然而，无论是对仪器的研发和维护，还是研究层面的再深造，都离不开《信号与系统》的专业基础知识。同时，《信号与系统》课程不仅是BME本科专业的专业基础课，而且也是BME学科硕士研究生入学考试的必考科目之一。该课程的学习需要有《高等数学》《线性代数》《大学物理》和《电路分析》等前置课程的理论基础，前置课程所介绍的大部分概念和分析方法主要应用于信号的提取、恢复、增强和检测等数字信号处理及医疗仪器的设计等领域。学生们在学习的过程中对一些相似的概念和公式容易混淆，因此，学生往往会将学习重点放在对概念和公式的记忆上，而轻视了对知识点的应用；再加上传统的教学方法和模式比较单一，这都直接导致了该课程处于“教”“学”两难的境地[2-3]。

近年来，随着科学技术的进步，尤其是互联网、移动通信和数字化技术的快速发展，以慕课（Massive Open Online Course,MOOC）、SPOC（Small Private Online Course）和翻转课堂（Flipped Classroom）等为代表的基于互联网技术的新型教学模式应运而生，并且表现出了非常强劲的发展势头[4-5]。这些教学模式通过技术手段有效地整合线上和线下的教学资源，对学习者的学习时间和学习空间进行了有效扩张，一方面使得课程资源更容易实现共享，另一方面多种学习方式有机结合更容易激发学生主动学习的积极性，从而进一步促进教学方式的改革。其中，翻转课堂的教学方法改革尤其突出。其特点表现为以学生为中心、个性化教学、主动学习、混合式教学和全面发展等。相比传统教学方法，翻转课堂的教学环节更容易被接受和认可。然而，翻转课堂的教学模式在实际教学中缺乏可操作性，限制了其实际应用和进一步的推广发展。为了解决此问题，我们引入了 O-PIRTAS（Objective、Preparation、Instructional video、Review、Test、Activity、Summary）教学方法，其主要包括教学目标、课前准备、教学视频、视频回顾、知识测试、活动探究和总结提升[6]。通过在BME专业《信号与系统》课程中的教学实践，发现此方法能够有效地提升学生的课程学习效果以及学生对课堂的专注度和认同感。

1 O-PIRTAS教学方法

O-PIRTAS教学方法是基于大量教育心理学研究成果以及大量翻转课堂教学实践总结而成的。从教学的角度看，O-PIRTAS教学方法具有理论合理性和实践可操作性，它提供了一种切实、可行、有效的翻转课堂模式，解决了翻转课堂一般模式难以操作的问题[7]。O-PIRTAS教学方法具体实施的七个步骤描述如下：

1.1 Objective──确定教学目标

对于一堂课，教师在选择了一个主题和内容后，首先要确定的就是教学目标。以布鲁姆教育目标分类为例，其将教学目标分为三大领域：认知领域、情感领域和动作技能领域。其中在认知领域内，知识的记忆和理解被称为初级认知目标，应用、分析、评价、创造被称为高级认知目标。因此，在确定教学目标的过程中，除了需要明确地确定知识性目标外，还需要思考有没有哪些相应的能力是更重要的，需要在教学中实现。总之，明确教学目标是成功实施O-PIRTAS教学方法的首要环节和先决条件。对教学目标包括知识性目标和能力性目标进行深入的分析，是保障课堂效率高效的必要条件。

1.2 Preparation──课前准备活动

教师设计课前准备与导入活动，是为了提高下一环节视频学习的有效性，其表现在两个方面：一方面提高学生学习的兴趣和目的；另一方面为了下一步视频学习打下基础。实施课前准备活动主要通过相关的探究活动让学生进行适当的学习和探究，并准备好必要的先前知识（适当回顾前置课程中部分关联知识），最终激发起学生的学习兴趣，改善视频教学的效果。

1.3 Instructional video──课前教学视频

课前教学视频主要是让学生在课前课外完成对基础知识点的自学，教学视频可以是自己录制的，也可以是他人录制的。视频内容主要包括传统课堂中需要教授的内容，其主要对应于教学目标中的初级认知目标。这一步骤主要采取线上学习的形式，通过学生自学完成。

1.4 Review──课堂视频回顾

课堂视频回顾是线下课堂教学的第一步骤，起着承上启下的作用，连接线上线下的学习，为后面环节的顺利开展提供了有力支撑。课堂视频回顾不是对教学视频内容的重新讲解和分析，而是统筹地帮助学生们回顾内容，理清思路，把握知识结构，并帮助学生们迅速唤醒知识记忆，使自己的注意力集中到课堂上，为之后的问题解决和讨论准备好基础。

1.5 Test──课堂知识测试

课堂知识测试就是教师通过提前设计好的问题来考查学生对教学视频的学习效果，其主要目的包括两个方面：一方面检查学生是否观看了视频；另一方面检查学生是否看懂了视频。在此步骤中，通过掌握学生的回答情况，教师才能决定是否进行指导、指导什么、指导多少和怎样指导。这个过程中可以利用一些IT工具，比如雨课堂、课堂派等，来实现课堂测试的即时互动和反馈，进而提高教学效果。

1.6 Activity──课堂活动探究

课堂活动探究需要实现的是目标设定中能力性的高阶教学目标。这个过程中教师可以面对面地跟学生交流，主要通过基于问题/项目的学习（Problem/Project based learning）、同伴教学（Peer instruction）和案例教学等模式结合，以达到使学生深层参与课堂学习中的目的。因此，如何设计并组织课堂活动是 O-PITRAS教学方法的灵魂和核心，也是翻转课堂能否成功的关键步骤。

1.7 Summary──课堂总结提升

课堂知识测试和课堂活动探究后，教师需要对整个过程以及教学内容进行总结，达到提升学生的学习和认识的目的。同时，在这个总结的步骤，也可以开始下一个O-PIRTAS教学循环。至此，一个完整的基于O-PIRTAS教学方法的翻转课堂教学闭环最终形成。

综上所述，O-PIRTAS教学方法从教学目标（O）的确定，到课前准备活动（P）、课前教学视频（I）、课堂视频回顾（R）、课堂知识测试（T）、课堂活动探究（A）、课堂总结提升（S），包括课前、课中和课后，线上和线下，课内和课外，知识能力不同维度。该方法能够为教师在翻转课堂的实施中提供实际可行的指导，可操作性强，合理性高，教学效果明显高于传统的教学方法。

2 O-PIRTAS教学方法在《信号与系统》教学中的实践应用

基于 O-PIRTAS教学方法和现有的翻转课堂的教学案例[8-10]，结合广州中医药大学BME专业的特色，构建O-PIRTAS教学方法下《信号与系统》课程的四个阶段：课程目标、课前活动、课堂活动和总结提升，如图1（P134）所示。其各个阶段的主要内容以及与 O-PIRTAS教学方法七步骤的对应关系如表1所示。

图1 四阶段的O-PIRTAS教学方法实施

表1 O-PIRTAS教学方法实施的主要阶段和内容

2.1 课程目标

基于我校BME专业本科生培养方案，结合《信号与系统》课程的教学目标和教学内容，依据学生思维发展水平和基础知识水平，制定合理的教学目标。知识性目标中要求学生记忆和理解基本的概念、定理和一些基本的公式，例如傅里叶变换和拉普拉斯变换的概念和性质等。能力性目标中要求学生能够应用所学知识到实际工程问题中，并对其进行分析评价，最终形成创新的能力。

2.2 课前活动

教师首先要根据课程目标和内容，布置学生一些探究性的活动（例如在讲授信号、信息和消息三者区别时，区分信号具有多种形式、如声音、图像、电和光等[11-12]），激发学生学习的兴趣；同时自己录制课前视频或者准备别人录好的视频，引导学生去进行课前视频的观看和学习。学生自主在线上进行教学视频的学习，结合教师布置的任务，主要完成课程目标中的知识性目标。在这个阶段，为了促进学生课前线上学习的积极性，我们加入了Partner Learning（每班36人，两个人一组），每位同学需要跟自己的Partner分享学习成果和讨论遇到的问题。

2.3 课堂活动

在教师的引领下，学生先对课前活动的内容进行回顾，理清知识结构和思路。以此将学生的注意力转移到本节课的内容上。通过口头测试、书面测试或者雨课堂、课堂派等IT技术的相关功能，了解学生课前视频观看的效果，实现跟学生的互动和获得反馈。再针对课程重点内容进行强调，更重要的是针对存在的问题跟学生讨论和交流。在此步骤中，教师和学生进行了面对面的线下讨论和互动，主要完成了课程目标中的能力性目标。总结起来，就是进行参与式学习能够提高学生参与度、增强师生互动和生生讨论、开展团队活动进行合作以及适应多样化的教学目标。

2.4 总结提升

在课堂活动结束后，教师深入分析整个教学活动过程和教学内容，结合学生课堂反馈的内容，对整个教学方案和教学方法进行优化。同时开始下一个新的教学循环。在这个过程中其实还包括一个后测的过程，主要是为了了解学生学习成效和是否达成教学目标。为了评估学习效果，可以通过下面六种不同层次的效果进行区分：（1）能够说出学过的概念、术语和事实等；（2）通过组织、比较、翻译、解释、描述和陈述主要观点，表现出对事实和观点的理解；（3）将学过的知识和技能运用到新的环境；（4）信息处理、推理和为结论提供证据等；（5）按新的方式整合不同信息和解决方案；（6）按照标准对信息、观点和工作质量作出判断等。

3 结语

本文结合广州中医药大学的办学理念、BME专业的专业特色和《信号与系统》的课程特点，将O-PIRTAS教学方法应用到《信号与系统》课程教学中。结合O-PIRTAS教学方法的七步骤，设计了四个阶段的教学模式，从课程目标的确定、课前活动、课堂活动，到总结提升。教学实施的过程和结果表明，基于O-PIRTAS的教学方法能够在《信号与课程》中实施简单、易操作，并且明显地提升了学生学习的主动性，同时实现了能力性目标，极大地提升了学生的应用能力、分析能力和创造能力，为学生进一步的学习和发展起到了积极的作用。