应用型高校专业基础课的教学模式改革与实践

武晔 万永革 顾观文 孙守才

摘要：为培养符合工程教育认证的人才，结合地球物理学专业特点，在深入分析“数字信号处理”课程特点和我校学生实际情况的基础上，提出并构建了面向行业的“仿真实验微平台+雨课堂+SPOC”的“多维一体”应用型高校专业基础课的教学模式。教学实践结果表明，该教学模式不仅能让学生的基础知识扎实，而且能有效提高学生的自主学习能力和拓展专业应用。

关键词：工程教育专业认证；教学模式；专业基础课；数字信号处理

工程教育专业认证“以学习成果为导向”和“以学生发展为中心”的教育理念深入中国工程教育[1]，工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。其核心就是以学生为中心，确认工科专业毕业生达到行业认可的既定质量标准要求，以提高学生的学习能力、实践能力和培养学生创新精神为目的，以培养目标和毕业出口要求为导向的合格性评价方法。以毕业出口为导向，自然要求切实提高学生的工程实践能力，掌握行业最新工程技术和发展动态[2]。

致力于教学模式的研究， 不仅具有促进教育科学进一步丰富和完善的理论意义， 而且亦具有指导教学改革和教学实践的现实意义[3-4]。深入对专业基础课程的理论教学和实践教学两方面进行改革和完善，探索建立一套有效的、符合地球物理学科应用型人才培养目标的教学模式，培养“基础理论扎实、适应能力和动手能力强、肯于吃苦和综合素质高”的学生，以满足经济社会和用人单位对人才工程实践能力的需求，既反映了高校当代人才培养的目标，同时对未来经济社会的发展具有深远的意义。

本文首先以地球物理学科基础课“数字信号处理”课程为例，深入分析学科基础课教学中普遍存在的问题，进而阐述为提高学生学习能力而实施的教学改革与实践。

1 地球物理专业特点和“数字信号处理”课程特点

1.1 地球物理学专业在人才培养方面存在的矛盾

当前地球物理学专业在人才培养方面存在两个明显的矛盾，一是最近几年，随着地学行业的变革，行业需求人才数量大大降低，造成学生对专业失去信心，毕业后跳槽现象较为严重；二是当今相当部分的大学生从小到大生活在优越的家庭环境，而地学工作往往需要在条件比较艰苦的野外进行，造成部分学生对专业缺乏热情，进而对专业课程失去了学习的兴趣。

1.2 基础课“数字信号处理”普遍存在的问题

数字信号处理课程是地球物理学专业人才培养方案课程体系中一门重要的专业基础课，该课程无论从教学内容，还是从教学目的来看，都是一门理论与实践并重的课程。本课程的先修课为高等数学、线性代数、数学物理方法等课程，后续课程为数字地震分析、地震预测概论、地球物理数据处理及解释等课程（地球物理学专业理论课程教学大纲汇编，2011）。通过多年的教学实践，发现该课程存在以下几个特点：

1.2.1 理论性强，晦涩难懂

不仅概念抽象，而且公式推导性质证明繁琐，被公认为是大学课程中最难的课程之一。课堂理论教学方面，为了让学生更好的理解原理，引入MATLAB进行仿真，起到了较好的作用，然而，对于初学者来说，对枯燥的程序代码很陌生，教师需要在课堂对程序代码作一番解释，占用了较多时间，往往出现教学内容讲授不完下课铃声就响了；实验教学在机房进行，对于初学者，一半以上的学生对用程序实现算法有较大困难，而课上时间有限，很难独立完成编写程序，时间一长，畏难情绪自然产生，极大地降低了学生的动手实践能力，而自主探索学习能力很难得到训练和提高。

1.2.2 学习路径单一

学生与教师的沟通交流局限在课堂，课程中设置的实验教学环节具有时间和空间的极大限制，比如现在的实验教学大多是按照授课计划在开学前制定，学生在指定的时间段到指定的实验室上课，课上教師进行讲解并示范，学生模仿操作，这种方式有利于对学生对教学的管理，但是这种教学方式极大地限制了学生的自主学习能力，使得学生在未来的学习和工作中如果遇到问题，由于缺乏再学习能力，导致无法分析解决实际中遇到的问题，也就是极大地缺乏工程实践能力，因此也就不能令用人单位满意，直接影响学生未来在工作岗位和深造的持续学习和发展。

地球物理专业基础课普遍存在上述问题，为了提高学生的自主学习能力、工程实践能力和创新能力，在“微教育”理念指导下，对专业基础课程“数字信号处理”进行了持续不断的改革建设，建立了 “仿真实验微平台+雨课堂+SPOC”的教学模式。

2 地球物理专业基础课“数字信号处理”课程的改革与实践

2.1 补充建设优质微课资源

无论是翻转课堂教学，还是线上线下混合式教学，都需要大量适合本专业学生特点的教学资源，因而建设优质微课资源是教学深度改革的第一步。本课程从2019年课程开启金课建设，补充建设了大量优质教学资源。包括：陆续录制了覆盖外文版教学大纲包括的所有知识点讲解视频76个、习题讲解视频10个；新增可以发布在雨课堂平台的课后测14个、实验测14个、试卷库；自主开发微基础实验系统20个、微开放专业实验项目平台4个，实验包括基础验证性实验、综合性实验和专业领域应用实验，层次和比例关系见图1所示；自主开发与教材章节配套的外文教材单词学习微系统54个。建设完备的微资源，为实现学生自主学习提供了必要的基础要素。特别的，自主开发数字信号处理+地球物理仿真实验教学辅助系统平台，将不同层次的实验项目以仿真实验模块形式进行呈现。学生通过对实验项目的选择，实现教学内容的开放；学生可以在课外时间完成基础验证实验、自主探究实验和小组合作实验，强化第二课堂的学习，形成“理论教学、实验教学和自主研学”三位一体的立体化开放式教学模式，构成该教学模式的教学资源见表1所示。

2.2 构建“仿真实验微平台+雨课堂+SPOC”的突破时空限制的多维教学活动模式

课程组结合地球物理学专业特点，提出“数字信号处理”专业基础课的“仿真实验微平台+雨课堂+SPOC”的教学模式，该模式的具体内涵体现在以下两方面：

2.2.1 仿真实验微平台提升学生的自主学习能力、实践动手能力和创新能力

自主开发的仿真实验教学辅助系统微平台与传统的实验室实验有机结合，形成一体的实验教学体系。传统基于实验室的实验由于受时空所限，主要做基础验证性实验，而综合和创新设计性实验很难完成。通过仿真实验教学辅助系统，可以在第二课堂将带有专业领域创新设计性实验开放给学生，让学生了解数字信号处理方法在学科领域中的应用，从而打破学科壁垒，使学生建立学科交叉解决问题的创新思维。

自主开发的地球物理仿真实验教学平台在教学工作中发挥三个作用，第一，应用在课堂教学中，方便教师进行演示，有效把控各个教学环节；第二，应用在第二课堂，也就是在课下学生通过该教学系统，交互式的反复修改程序代码参数，快捷观察计算结果的不同，一方面可以加深对知识结构的自建，另一方面可以让学生对程序不陌生，熟悉程序设计思路，而且学生在使用系统过程中，容易发现自己不理解的问题，可以通过线上实时答疑，大大提高学习效率，学生不仅能告别畏难学习情绪，而且学习兴趣逐渐变浓；第三，系统中不仅包括演示验证性实验，而且包括综合性、设计性、应用性实验，此类实验设置为选做项目，以往此类实验都是面向学有余力的学生进行开放，现在通过学生自选，借助仿真系统，所有学生都可以选做，切实提高所有学生的自主探索学习能力。借助仿真实验教学平台系统，从认识感受——原理方法——综合探索——设计创新，循序渐进，使学生的创新意识和实验技能逐渐提高；并将课内实验延伸至课外自主探究学习，使学生的自主研学能力得到提高，可以有力推动实验教学的改革与发展，对工程创新人才培养质量的提高具有重要作用和意义。

除了覆盖教学大纲的外文微教学视频，更重要的是自主开发建设了微基础实验仿真平台20个，基于专业测震和地球物理探测数据的微开放实验项目平台4个，外文教材单词微学习系统54个，其中关于经验模态分解的微开放实验平台，如图所示。基于这些微资源，教师安排设计教学计划，将资源发布在SPOC平台，为实现学生的自主学习提供了问题启发和渠道。

2.2.2 “雨课堂+SPOC”平台保障信息教学环境多样化

“雨课堂+SPOC”平台有效将第一课堂与第二课堂的学习有机结合起来，如图3所示，第一课堂教学活动的理论教学部分在多媒体教室，基于雨课堂智慧教学平台上课，课后仔细分析学生的差异，对有困难的学生及時面对面沟通交流，排除学习困难的因素；实验教学在计算机教室，第二课堂教学活动基于“雨课堂+SPOC”网络教学平台、钉钉平台等教学环境。整个教学活动过程对于学生来说，完全不受时空的限定，让学生不在教室可以进行第一课堂的学习，随时随地进行第二课堂的学习，教室和学生的交流突破了时空的限制。“雨课堂+SPOC”的教学模式，有助于建立学生的学习自信。课程教学过程中，学生遇到疑问，随时与教师交流，在教师循循善诱的启发引导下，学生茅塞顿开，大大提高了学生的学习热情，自信心大增，让学生切实体会到学习是一个经历，只有亲身动手做，才能发现问题是什么，如何解决问题，克服学习困难心理，养成坚忍不拔的意志，才能在学习的过程中真正有所收获，在学习的过程中不断成长成人。

结语

教学实践表明，新的教学模式的建立，有效促进了学生学习能力的提高。双语教学对于我们二类本科院校学生来说，由于英语应用能力不强，畏难心理非常强，从近5年的双语教学实践来看，以期中考试为分界，期中考试前学生感觉学习非常困难，理论知识点难理解，实验程序设计困难，而在期中考试后，通过仔细观察学生的学习状态，发现上课听课比之前认真，实验课时写程序能力大大提高，这些现象充分说明教学改革之路的有效性、重要性和正确性，反过来坚定了教师的教学改革信念，继续勇往直前深入推进教学改革，切实提高教育教学质量，落实为党育人，为国育才的教学目标。

参考文献：

[1]苏宝胜.“新工科”背景下民办高校专业建设与教学改革——以青岛滨海学院土木工程专业建设为例[J].教育观察，2017，6（23）：72-74.

[2]马见青，邵广周.基于工程教育认证的大学课程考核模式探索——以长安大学“地球物理反演概论”为例[J].大学教育，2019，12.

[3]甄德山. 教学模式及其管理浅议[J].天津师大学报，1984（5）.

[4]柳海民.略论教学过程模式研究的意义[J].东北师大学报（ 教育版），1988（4）.

基金项目：河北省高等教育教学改革研究与实践项目（2021GJJG485）；防灾科技学院教育研究与教学改革项目（JY2020A01、JY2021A03）；河北省高等学校科学技术研究项目（ZC2021213）；中央高校基本科研业务费专项（ZY20215136）

作者简介：武晔（1975—  ），女，内蒙古集宁人，硕士，副教授，主要从事勘探地球物理和信号处理方面的教学及科研工作。

*通讯作者：万永革（1967—  ），男，博士，教授，主要从事地震学和信号处理方面的教学及科研工作。