基于问题和案例的混合式教学模式的实践与探索

梁妮 黄代政 陈妮 张琥石

【摘要】本文论述在电路设计实训课程引入以案例为基础和以问题为基础的混合式教学实践，阐明该混合式教学模式的理论内涵及其结合点，通过划分模块进行教学方案设计，收集案例、设置问题、创建教学资源，按照课前导学、课中教学、课后练学的顺序开展教学的策略，培养学生实践创新能力。

【关键词】混合式案例教学 CBL PBL 模块化

【中图分类号】G64 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）21-0161-04

新工科背景下，探索满足医工创新型人才培养的教学模式是课程建设的重要任务。电路设计实训课程是广西医科大学（以下简称“我校”）生物医学工程专业面向医疗仪器设计和研发方向而开设的一门专业基础课程，是提高学生创新实践技能的必修课。本课题的课改教学团队引入基于问题和案例的混合式教学法，以案例为基础整合并构建教学资源；以问题为基础设计教学互动，通过引导学生探寻和求证来开展实训教学。

一、基于CBL的实训案例教学原则

以案例为基础（CBL，Case Based Learning）的教学方法是将以学生为主体、以教师为主导的讨论式教学法引入到实训教学中的一种教学方法。实训课程以实践为主，采用案例化模式进行教学环节设计，让学生结合具体实际来巩固理论知识，培养学生归纳总结与辩证探究的能力。在实训课程教学中运用CBL时应遵循以下原则。

一是系统案例的项目化原则。该原则强调教学要以作品成果为导向，选取一个课程综合设计项目作为系统案例，来驱动整个课程的实验教学活动。从项目研究背景、研究现状、项目设计方案、具体实施过程、数据分析和结论等方面，引导学生探索和学习。项目的选择应符合培养目标、就业对专业技能的需求。

二是案例教学的模块化原则。这是指在教学中将选取的综合设计项目分为多个子项目，分别对应课程不同的教学模块，将各模块依次作为教学环节开展。每个环节中，根据子项目的功能需求，来设计各模块的单元实验内容。

三是案例的设计性、创新性原则。教材的实验内容大多为验证性实验，内容陈旧，缺乏设计性、创新性，一定程度上脱离专业的实际应用。因此，教学的系统案例的选取可参考电子设计竞赛、生物医学工程设计竞赛相关题目来制定，以赛促教的同时确保教学内容的先进性和创新性。

四是案例的对比性原则。一般来说，该原则要求选取或设计的案例应为相反或相悖的正反面案例，这样给学生刻画的反差印象会更深，更有利于提升学生设计的严谨性。在各模块的电路案例的选取中，可以围绕基本电路设计过程中容易出现或忽略的细节性、原則性问题，来选择带有与之类似问题的反面教学案例。

二、基于PBL的教学应注意的两个方面

以问题为基础（Problem-Based Learning，PBL）的教学方法是以学生为主体，在教师设定的问题下，以分组讨论的形式开展教学的方法。该方法以问题为刺激点，慢慢培养学生从课堂资源或者网络资源获取所需知识的能力，提高学生自主学习能动性。但这一学习模式很大程度依赖学生的兴趣和学习成就感来推动完成，为此在实训教学中应用PBL应注意以下两个方面。

（一）合理设计问题

问题的设计是进行PBL教学的关键，应遵循由浅入深、由学会已知到探索未知的学习规律。合理设计问题是确保学习效果和学习积极性的基础。如图1所示，问题的选择可以考虑从教学案例、学生课前学习情况、实验过程中出现的问题等三个维度进行收集和整理。问题类型可分为基础性问题、过渡性问题、探讨性问题。基础性问题以基础知识为主，一般旨在为学生打好基础；过渡性问题以验证已有结论为主，引导学生自主学习；探讨性问题，主要为综合性问题或来源于实验过程中的异常现象和疑难问题，旨在激励学生提出解决思路，并通过查阅大量文献、网络资源完成知识的积累和沉淀。

（二）进行有效的教学互动引导

1.课堂提问的设计

培养学习的兴趣和塑造学习成就感，可以极大增强学习氛围，提升学习效果。因此课前的教学提问应充分考虑如图2的三大要素：内容提示（TIPs）、回答准确率（Proportion）、提问对象（Target）。TIPs，提问的问题和课前学习内容相关，提高回答的信心，在一定程度上可促进课堂活跃度提升；Proportion，选择回答准确率高的问题，可使基础能力弱的学生通过表现获得成就感，从而继续投入学习，再表现再学习，形成良性的正向反馈；选择错误率高的问题，向学习能力较强的学生提问，给予问题提示和解决思路，待解决后再次提问，以此鼓励学生通过自主学习去探寻解决问题的途径。

2.小组合作式学习

小组合作式学习更适合项目式实验，按分工让小组人员发挥自己擅长来协作完成项目，并通过互相协、学习来弥补知识的不足。小组学习能帮助个人突破耐力极限，提高学习持续性和兴趣。小组学习有利于教学活动开展，构建组间的竞争机制，可以有效刺激学习积极性，形成学习和竞争的正向反馈。

3.学习平台选择

雨课堂是清华大学和学堂在线共同推出的新型智慧教学工具，支持教师掌握学生的课前学习情况、完成问题的设置和课堂提问设计，并常用来进行测试、签到。对比其他平台，它的优势是兼容微软的PPT同步播放，支持弹幕互动，这能极大促进课堂活跃度，增进教学便利性。

三、CBL与PBL的结合点

CBL与PBL的教学方法都是以学生为主体，以教师为主导的讨论式教学。CBL侧重于教学内容的设计，以案例讨论形式来开展的教学更具象更易懂，其着力点在教学内容的建设。PBL侧重在学习过程的引导，以问题引导学习，逐渐完成实训教学的过程，着力点在问题驱动教学。两者开展的教学讨论形式一致，着力点不同，但完全可以结合两者的优势开展实训教学。在CBL教学的案例下凝练不同子问题去完成单个案例的学习，再以PBL问题为动力支点，对不同案例进行分析比较来论证最终的设计方案。两者的结合，能极大提升学生的自主学习能力、实践创新能力。实训课程具有实践性强、理论基础要求高的特点，提高学生创新实践技能是重中之重。因此，教学内容和教学方法的设计尤为重要，结合PBL和CBL的优势，教学内容宜参考CBL教学的模块化案例，从精选案例入手，提高教学质量；教学方法采用PBL教学的以问题驱动课堂教学方式，从问题的设计、回答对象的选择、问题的引导等方面加以改进，来提高教学互动的积极性，培养学生的问题解决能力和实践创新能力。

四、基于CBL与PBL混合的教学活动实践

基于我校生物医学工程专业培养方案中对医疗器械的管理、维护、设计开发人才培养的需求，本门实训课程选择脉搏采集系统作为实训项目，即总的CBL项目案例。该项目案例常作为生物医学工程创新设计大赛经典电生理信号类选题，其涉及的典型电路也常见诸于各电子设计大赛中，因此可以作为案例模块的丰富资源。它包含了实训课程教学内容要设置的各种常规类型电路，囊括了电路设计实训课程的所有知识点，符合课程实训教学的需要。

（一）划分案例模块，设计单元教学

课改团队依据CBL与PBL混合式教学的应用原则，将项目划分为各个子任务。首先将制订项目方案作为实训课程的第一单元，即开课内容。按脉搏采集系统的功能需求来制订项目的实现方案，教学应用PBL的问题式教学方式，一步步引导学生讨论系统的设计框架，来完成模块划分，即按引导将脉搏采集系统实现方案大致划分为5个子任务，如下图3所示。它分别对应5个基本电路模块：直流稳压电源、传感器原理及电路设计、单电源放大电路、滤波电路、比较器/AD转化电路。这个部分的单元课程教学目标为使学生了解项目背景和设计思路。

接下来按照划分后的模块子任务开展后续5个单元的CBL案例教学（第二至七单元）。课程将各模块以CBL案例式教学法依次开展教学。在每个单元教学中，根据不同类型电路的基本理论原理，教师引入不同的问题，设计各单元实验内容。各个案例模块的实验教学分为电路案例的原理分析、电路设计和仿真、PCB设计、制作和测试、数据分析总结等环节。通过这五个单元课程的实训，学生掌握基本的电路分析和设计方法，能够通过自主学习独立解决实验中出现的问题，提升学生的实践创新能力。

（二）收集案例设置问题，建设教学资源

第一单元的实训内容主要为项目总体方案设计。教师应用CBL与PBL混合的教学方法，首先收集三种不同的脉搏采集系统方案的案例，这可从往届参赛作品实物、报告、视频等材料中选取作CBL教学的学习案例。基于上述CBL的教学案例的教学意图，设置不同问题驱动学生完成学习过程，具体包括整理项目背景和基础理论知识材料，并预设基础性问题作为学生的线上入门学习资源，如脉搏信息和人体生理病理的关系、心血管系统分布、不同传感器测量原理、脉搏信号特点和信号调理过程等。根据线上学习情况，教师在课堂提问环节设置基础性问题，并根据项目方案的实现逻辑设置引导学生揣摩整个方案设计的思路。如比较不同测量方式、不同测量部位的优缺点，探究哪种测量方案更适合无创便携需求，脉搏信号放大需要什么样的放大器，脉搏频率低、帶噪声等特点影响了滤波电路的哪些参数等。这些问题的设置作为PBL教学的支点，驱动并引导学生完成案例的整个设计方案制定。

第二至七单元的实训内容则是进行具体的电路模块设计。首先教师搜集整理各模块电路案例，包括直流稳压电源、传感器原理及电路设计、单电源放大电路、滤波电路、比较器/AD转化电路等。如构建某实验单元关于滤波电路的教学资源时，按滤波器种类收集不同类型的滤波器案例，完成创建线上学习资源，再设置不同的实验指导任务单（带问题式的任务）。如构建动态元件电容C的阻抗特性测量的相关教学资源时，可从设定简单RC电路测试其幅频特性表现、简易无源滤波器的测试及缺点分析入手，设计各类有源滤波器的设计和测试的教学路径，引导学生从问题出发，在实践中由浅入深逐渐掌握该单元电路的性能、设计和制作的流程，并培养测试和分析的能力。教师让学生通过对比不同方案的测试数据确定最终的滤波器设计，并分析学生在实验过程中出现的问题，并据此设置探讨式问题，作为讨论式课堂的主题内容。与第一单元的实训中以问题带动案例整合设计不同，后边的几个单元重在自主实践过程，并对实践中的问题进行探究和拓展。

（三）分阶段开展基于PBL和CBL教学法混合式教学

在开展教学活动前，教师需要按上述要求做好教学资源建设，包括准备线上的学习文献视频、导学任务单、实验指导任务单、测试题、线下的教学问题设置、经典的案例电路（视频、实物等）、实验材料，并向学生发布课程安排和考核方式，完成学习小组组建。

1.课前导学

教师提前一周下发线上学习资源和导学任务单（TIPs），学生在导学任务单的要求下自主学习，并完成入门基础测试。教师课前一天统计学生在线学习情况，设计课堂互动的问题（Proportion）、初步确定提问对象（Target）。

2.课中教学

课中教学开展形式有以下三种。一是教师主导式教学。首先，对课前学习情况进行检验式提问，进一步回顾和总结先前知识。其次，引出当节课的课程案例，由设置好的过渡性问题，引导学生完成该案例的学习。如在项目总方案制定中可完成以下事项：提问比较不同测量方式的优缺点，来确认测量方式；不同测量部位的信号对比，分析何种性价比高、更适合无创便携需求，确定采集部位；分析得到脉搏信号弱的原因，以此确定放大器的性能要求；分析脉搏频率低、带噪声等特点来确定滤波电路功能需求，等等。通过这些过渡性问题逐渐引导学生完成项目的方案制定。最后，可拿出反面案例或者其他方案的案例进行对比，并通过小组自由式讨论，确定适合项目的最优选择作为探讨性问题，确定最终的上交方案。

二是学生实践教学。该环节由小组合作完成，教师给每个小组发放实验指导任务单，引导学生完成电路仿真、制作、测试、记录和分析总结。学生在实践过程中遇到问题，小组内部可在雨课堂讨论区及时向其他小组或教师求援。如问题由其他小组协作解决则双方加分。这种方案能鼓励小组间开展广泛的讨论，通过集思广益解决问题。未能解决的问题可以作为探讨性问题，放在单元答辩课程解决。这类实践课堂主要是在PBL问题的驱动下，学生自主完成CBL案例模块的学习以及设计测试的实训过程。

三是进行单元答辩。以小组为单位汇报单元实验的学习，汇报内容为案例模块的学习和电路模块测试情况。答辩评委由其他小组代表和教师构成，教师至少提1个问题，其他学生根据自身的实践或疑问来提问。教师记录问答情况，作为平时加分的参考。该单元实验的答辩结束后，教师针对学生在实践课堂中争议大的问题进行深入分析和讨论，并对该单元案例进行延伸和拓展。单元答辩不限于教师问与学生答的单向教学模式，而是可以采取学生问—学生答、学生问—教师答、教师问—学生答的多元互动样式。CBL-PBL教学在单元答辩中，问题相对广泛，开展更灵活。

3.课后练学。

课后练学是对课堂学习效果的检验，有两种形式。一是每个单元结束后通过在雨课堂发布课后测试题让学生完成。二是在完成所有单元的实验后，要求学生完成总体电路的整合搭建和联合调试，并撰写课程设计报告，制作短视频并介绍作品。

4.开展考核的方式

课程评价体系应注重学习过程的考核，主要的考核内容有：课堂表现、习题测试、单元实验完成情况、单元答辩、机试。单元实验完成情况可根据提交的仿真文件、PCB设计工程、实际硬件电路以及测试数据和分析来进行判断，单元答辩由小组平均分（40%）和教师评价（60%）构成。具体过程为每个小组派一名同学作为代表用PPT对整个项目的实施情况和小组分工进行介绍。答辩委员会由各小组代表及任课教师组成，负责对各小组的答辩情况进行提问及评分。机试主要考查学生运用Multisim的电路设计仿真能力，以及PCB的设计过程。个人加分项放在课堂表现里，除了雨课堂平台记录的考勤，互动环节的提问、抢答，讨论区的活跃度等都可作为加分项。考核应充分考虑各学习阶段的参与和完成情况，做到合理和实时评价，以提高学生的学习效果，营造浓厚的课堂学习氛围。

综上，教学中运用基于问题和案例的混合式教学模式能较好地解决学生学习能动性不足、实践创新能力不强等问题，在实训教学中通过探寻和求证等手段可以增强实训内容的衔接性与系统性，同时构建起丰富的教学资源库、问题库，并通过科学的考评方式增大教学反馈，从而实现建设高效课堂的目的。

参考文献

［1］刘理，胡宏伟，易可夫.赛教融合和CDIO下测控专业人才培养模式探索［J］.教育教学论坛，2023（10）.

［2］程红丽.案例教学法在电路系统设计课程中的应用［J］.教育教学论坛，2020（30）.

［3］李莉莉，葛新，申丽然，等.基于PBL模式的控制理论与应用前沿课程教学改革与实践［J］.高教学刊，2023（10）.

［4］王帅国.雨课堂：移动互联网与大数据背景下的智慧教学工具［J］.现代教育技术，2017（5）.

注：本文系“以卓越工程师培养为目标的生物医学工程专业实践教育体系构建”（XGK2022006）、“基于雨課堂的混合式教学新模式在生物医学工程专业《电子EDA技术》教学中的探索与实践”（2018XJGB14）、广西医科大学重点教材建设项目（Gxmuzdjc1903）的研究成果之一。

作者简介：梁妮（1989— ），广西北流人，硕士，讲师，主要研究方向为嵌入式开发，生物电信号处理；黄代政（1976— ），广西贺州人，博士，教授，主要研究方向为生物信号处理；陈妮（1982— ），广西柳州人，博士，副教授，主要研究方向为信号采集与处理；张琥石（1986— ），广西南宁，硕士，讲师，主要研究方向为生物信号处理。

（责编 罗异丰）