趙 倩 尹武良

(1.曲阜師范大學 工學院,日照 276826)(2.曼徹斯特大學 電氣電子工程學院,英國曼徹斯特 M13 9PL)

“信號與系統(tǒng)”是自動化、測控等工科專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,涉及的理論知識點比較多,被公認為是比較難學的科目。由于數(shù)學基礎(chǔ)不扎實、課程公式繁多、工科實例較少等原因,很多學生在課程初期便喪失了學習熱情,這不僅影響了課堂知識的傳授,也使學生無法深刻認識課程在工業(yè)中的應(yīng)用。與此同時,這門課程要求任課教師需要同時具有一定的數(shù)理基礎(chǔ)和工科背景,而實際上,很多授課教師出自偏數(shù)學的專業(yè),或局限于自己的能力,很難將該門課的工業(yè)背景和理論知識進行充分結(jié)合,以幫助學生深入理解。授課教師往往受限于培養(yǎng)方案和教學大綱中對學時和內(nèi)容的規(guī)定,難有余力針對知識點之間的串接和擴展形成自己獨特的觀點。另外,現(xiàn)有教學偏向于對實例一帶而過,并未就相關(guān)知識在其中的應(yīng)用進行探索,導致學生對它們?nèi)狈ι钊爰氈碌睦斫狻?/p>

針對“信號與系統(tǒng)”這門課程的教材、學時、教學要求和學生特點,授課教師結(jié)合各類教學方法對其進行了很多教學探討和改革,比如成果導向教育(Outcome-based Education,OBE)[1]、分類比較法[2]、案例教學法[3]、翻轉(zhuǎn)課堂模式[4]等,對提高學生的學習興趣,提升教學效率,促進知識的吸收和轉(zhuǎn)化具有非常積極的作用。然而,每種教學模式亦存在一定的挑戰(zhàn)和問題,需要冷靜對待和理性思考。例如,翻轉(zhuǎn)課堂需一定的技術(shù)設(shè)備,對技術(shù)信息提出了較高要求,而互聯(lián)網(wǎng)實時搜索瀏覽網(wǎng)頁等必要環(huán)節(jié)在現(xiàn)有大學工科課堂中并不普及,有的學生有條件攜帶筆記本或平板電腦,有的學生因經(jīng)濟原因無法配備相同的電子設(shè)備,只能與同學共享,使翻轉(zhuǎn)課堂的學習效果大打折扣[5]。

由于“信號與系統(tǒng)”課程講授對象為大三自動化專業(yè)的學生,為了更好地幫助學生理解公式和方法,采用和專業(yè)較密切的案例對課程中的基礎(chǔ)理論進行應(yīng)用擴展。同時,因為前期如“電路分析”“模擬電路”等專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課中已有信號的分析過程,而且生活中也有豐富的實例來源,所以安排案例時,盡可能激發(fā)學生進行前后課程關(guān)聯(lián)以及學以致用的意識,鼓勵學生積極開發(fā)前期課程以及生活中的案例進行拓展。對分課堂可以較大程度地激發(fā)學生的學習主動性,且適合案例較多的課程?；谝陨舷敕?這里針對“信號與系統(tǒng)”的課程特點和學生數(shù)理基礎(chǔ),應(yīng)用思維導圖和對分模式對課堂進行管理和改善,并根據(jù)學生的反饋及成績對教學效果進行評估。

對分課堂是復旦大學張學新教授于2014年提出的新型教學模式[6],其核心理念是把課堂的一半時間分配給教師講授,另一半時間留給學生討論。對分課堂傳承了傳統(tǒng)教學智慧,使講授法與討論法兩者長短互補[7]。這種新型教學模式理念深刻、簡明易用,使學生變被動學習為主動學習,全面培養(yǎng)了學生批判性思維、創(chuàng)造性思維、溝通能力、合作能力等4C核心素養(yǎng)。對分課堂以講授框架和重難點為開頭,以分組討論和教師答疑為結(jié)果,將內(nèi)化、個性化學習的過程貫穿始終,從而增強教師的教學熱情,提高學生的學習動力[8]。目前國內(nèi)高校中有很多課程均采用了這種教學模式,例如工程學、計算機科學、醫(yī)學、通信學、管理學、語言類等相關(guān)學科,并取得了較好的教學效果。思維導圖是英國Tony Buzan提出的一種筆記方法,通過思維導圖可以突出關(guān)鍵詞并建立它們之間的聯(lián)系,從而刺激大腦幫助理解和記憶[9]。已有大量研究證明,非線性結(jié)構(gòu)的思維導圖在教學過程中能起到融合知識點,促進思維激發(fā)和整理的作用[10]。

通過在“信號與系統(tǒng)”課程中使用思維導圖和對分課堂進行教學改革,根據(jù)課程特點和學生特點詳細說明課堂的實施過程,對其中的細節(jié)進行討論。根據(jù)學生的平時表現(xiàn)、教學滿意度調(diào)查以及期末考試得分情況,可以證明該方法可以有效改善教學效果,提高學生學習積極性。

1 對分課堂內(nèi)容設(shè)計

初步嘗試對分課堂模式時,首先對重點章節(jié)和關(guān)鍵知識點實施,后續(xù)課堂采取平穩(wěn)過渡的方式,隨后將對分模式應(yīng)用于越來越多的學時,以此保證教師能夠良好地控制課堂,學生能慢慢適應(yīng)這種新的教學管理方式。

通過對學情的分析,本課程對部分案例較多的章節(jié)實施對分課堂。在54個學時中挑出了16個學時進行對分嘗試(以(《信號與系統(tǒng)》(第三版)鄭君里)中第四章拉普拉斯變換、連續(xù)時間系統(tǒng)的s域分析、第五章傅里葉變換應(yīng)用于通信系統(tǒng)——濾波、調(diào)制與抽樣和第八章z變換、離散時間系統(tǒng)的z域分析為主),其余公式推導較多,理論性強的章節(jié)采用傳統(tǒng)方式進行授課。

下面以頻率響應(yīng)函數(shù)和無失真?zhèn)鬏敒槔?講解對分課堂的初步嘗試,并對教學效果進行評估。本來為兩小節(jié)共100 min的課程,首先教師根據(jù)學生的預(yù)習情況講授大約50 min,由第二章的卷積運算和第四章以復頻率變量s為自變量的系統(tǒng)函數(shù)引出傅里葉變換形式的頻率響應(yīng)函數(shù),并講解其意義和應(yīng)用。之后對頻率響應(yīng)函數(shù)在信號傳輸過程中的應(yīng)用進行分析,提出無失真?zhèn)鬏數(shù)母拍畈⒎治銎湫纬蓷l件。在講授過程中將知識點以思維導圖的形式進行列寫,同時穿插一個或兩個生活實例和工業(yè)用例幫助學生理解。最后總結(jié)時,讓學生根據(jù)重要知識點進行思維擴散,構(gòu)建知識鏈條。

2 對分課堂實施過程

根據(jù)對分模式的基本流程對課堂環(huán)節(jié)進行分解,如圖1所示。教師主要負責內(nèi)容講授,并監(jiān)督小組討論和主導全班討論。為了更好地參與課堂各個環(huán)節(jié),學生需要投入更多的時間和精力,充分做好預(yù)習并形成思維導圖初稿。同時,學生需要對知識點的內(nèi)涵和彼此間邏輯關(guān)系進行深入思考,才能夠在接下來的獨立作業(yè)和小組討論中發(fā)揮學習主體作用。

圖1 課堂環(huán)節(jié)分解圖

2.1 講授部分

內(nèi)容講授是關(guān)鍵的一部分,決定了學生的聽課質(zhì)量和后續(xù)環(huán)節(jié)是否能順利開展?；趯Ψ终n堂理念和有限的學時,教師在挑選講授內(nèi)容時需要注意三點:①重點突出,切忌泛泛而談;②知識系統(tǒng)化,避免松散瑣碎;③給學生留一定的思考余地,適時進行思考的引導。在這一階段,教師使用思維導圖的方式構(gòu)建知識框架,將零散知識點進行串聯(lián),形成較為系統(tǒng)的知識體系。如圖2所示,講授頻率響應(yīng)函數(shù)H(jω)時,通過卷積定理引出頻響特性的概念和計算公式。繼而通過幅頻特性和相頻特性的分析,使學生了解頻響特性的具體內(nèi)容。最后通過信號傳輸?shù)膬煞N不同類型介紹頻響特性的實際應(yīng)用,并通過案例區(qū)分頻響特性在不同信號處理中的具體特點。同時,思維導圖在學生的作業(yè)中也會有所體現(xiàn),學生需要根據(jù)自己的理解并基于實際應(yīng)用或生活感悟進行思維導圖的擴展。

圖2 內(nèi)容講授中的思維導圖

2.2 內(nèi)化部分

獨立思考并完成作業(yè)環(huán)節(jié)中,學生要根據(jù)教師所講內(nèi)容進行復習,全面并深入理解各個知識點,并獨立完成作業(yè)。作業(yè)為如圖3所示的“亮考幫”作業(yè)紙,學生在預(yù)習過程完成思維導圖的繪制,以便在聽課時能夠?qū)χR有跡可循,避免學生因為某些知識點聽不懂導致缺席后面的環(huán)節(jié),特別是小組討論環(huán)節(jié)。在聽課時,學生還可以對思維導圖加以補充完善,構(gòu)建全面深入的知識體系。“亮閃閃”“考一考”和“幫一幫”可以在預(yù)習時完成,亦可以在聽課后或討論后完成,體現(xiàn)為對知識點的感悟和升華。若學生寫的內(nèi)容較多,可以額外補充紙張,但鼓勵學生學習用科學精簡的語言進行總結(jié)和擴展。

圖3 “亮考幫”作業(yè)紙

2.3 平行討論和全班交流

對于小組討論,應(yīng)注意三個問題:①分組問題:考慮采用自由組合形式,每組設(shè)置一名組長,負責協(xié)調(diào)整組學生的交流和討論;②教師的監(jiān)督和引導:為了避免學生出現(xiàn)應(yīng)付任務(wù)而沒有有效參與的情況,教師可以適時地做一些引導,適當提出一些發(fā)散性問題,學生可以挑選感興趣的方向進行討論;③做好討論記錄,對問題和結(jié)論進行分類總結(jié),進一步提煉所學知識點在所討論問題中的應(yīng)用,并在課下做好知識擴展。

具體實施時,首先借助學習優(yōu)秀學生的帶頭作用,安排主動性強的學生為小組組長(每組5人),慢慢引導其他學生適應(yīng)該模式,并調(diào)動他們的參與主動性。在16次對分課堂中,每三次課調(diào)換一次組長,基本保證每位學生都有機會做組長。

對于全班交流,更要突出教師的作用。通過旁聽小組討論,教師應(yīng)該在短時間內(nèi)凝練出討論中提出的重點問題,并強化相關(guān)知識點。同時,要建立一定的獎勵機制,對積極參與的小組提出表揚,進一步激發(fā)學生的參與興趣。對討論較為懈怠的小組要通過一定方式進行激勵,可以適當調(diào)整小組構(gòu)成或者教師提供一些問題供其討論。

3 教學過程評價

本課程采用過程性評價和終結(jié)性評價相結(jié)合的方式,強調(diào)把優(yōu)質(zhì)學習應(yīng)該付出的努力和時間分散到整個學期,如圖4所示。過程性評價占40%,終結(jié)性評價占60%。其中。終結(jié)性評價主要體現(xiàn)為期末考試,題目可分為基礎(chǔ)性知識40%、綜合性知識40%和開放性知識20%。開放性試題的設(shè)置基于平時“亮考幫”作業(yè)及平行討論的擴展部分,提升學生對知識的實際應(yīng)用能力。

圖4 考核內(nèi)容及比例設(shè)置

根據(jù)本專業(yè)學生的學習水平和學習能力,往年的試題側(cè)重于單純的計算,與原理以及概念有些脫節(jié)。這樣的考核方式以及對應(yīng)的授課模式導致學生僅僅關(guān)注數(shù)學計算過程,而忽略了其物理意義,最終對整門課程的理解停留在較低層次上。同時,缺乏課程中數(shù)學原理、公式和方法的實際應(yīng)用能力。在進行課程教學方法和教學模式改革的同時,對期末考試內(nèi)容也進行了同步改進,以匹配上課內(nèi)容和課后作業(yè)。

為了方便和往屆接收傳統(tǒng)教學方法的學生進行對比測試,除了增加開放性試題之外,最終的期末考試設(shè)計與傳統(tǒng)考試相對一致。相較于采用傳統(tǒng)授課模式的上一屆學生,本次學生的平均分76.1分,約提高5分(上屆為70.9分),不及格率也有較大降低(本次為6.52%,之前基本穩(wěn)定在15%左右)。開放性試題難度和往年最后的綜合分析題難度大體近似,通過閱卷過程的反饋,可以看出學生對開放性試題的得分率基本和其他題目持平,因此可以排除開放性試題對學生分值的影響。更重要的是,通過增加平時成績,學生在準備考試時更好地避免了突擊復習,使知識點的掌握更加牢固持久,這一點在批閱試卷時可以發(fā)現(xiàn)。同時,通過前后兩屆學生對課程授課效果的滿意度調(diào)查,可以看出學生對此種課堂模式較之前傳統(tǒng)課堂有更多的認可,如圖5所示。

圖5 學生滿意度調(diào)查結(jié)果

4 結(jié)語

通過一學期的實踐,“信號與系統(tǒng)”課程通過改革在很大程度上提高了學生的學習積極性,對知識的掌握也有較大提升,但任何一種教學方法均有其局限性,需要根據(jù)具體的教學情況進行結(jié)合改進[11]。如學生搜找的某些實例較為淺顯,和課堂知識點關(guān)聯(lián)不大;個別學生討論積極性過低影響了組內(nèi)討論氛圍;有的學生沒有預(yù)習習慣,在講授環(huán)節(jié)無法跟上教師節(jié)奏,導致學習效率較低等。這些問題雖然在對分課堂中體現(xiàn)較為明顯,但在往年傳統(tǒng)授課課堂中亦存在,且部分問題更為顯著。授課教師應(yīng)本著積極主動的態(tài)度,遇到問題不是逃避,而是積極解決。

另外,剛開始應(yīng)用該方法時,教師對于課本中的內(nèi)容如何按照對分方式進行講解亦需要認真研究,挑出重點難點進行框架的構(gòu)建,以達到最好的教學效果。對于公式較多的章節(jié)的處理,亦和公式少的章節(jié)不同,此問題以后再行商榷。