线上线下混合式翻转课堂教学模式

摘要:高速发展的互联网时代推动着传统教学模式不断变革，以线上线下混合式教学模式为基础的“翻转课堂”凭借着其鲜明的时代性和良好的普适性从中脱颖而出，广泛受到教员与学员的青睐。这种教学模式将学员课前的线上自学与线下课堂的引导探究有机结合，充分调动学员学习的主观能动性，使学员真正成为学习的主体。本文以“统计信号处理”课程中“标准Kalman滤波应用实例”这一典型教学案例，展示基于线上线下混合式翻转课堂教学模式的课堂教学设计与实践。

关键词:线上线下;翻转课堂;统计信号处理;教学设计

在传统的课堂教学模式下，学员被动学习，课堂参与度低，互动少，不能吸引学员的兴趣，从而导致传统教学的质量和效果较差。军校学员学习时间紧、内容多，如何使学员全面、高质量地获取知识是军队院校现代课堂教学需要解决的一个问题。线上教学模式突破了传统课堂教学模式在时间和空间上的限制，实现了课程内容和资源的开放，便于学员利用碎片化时间进行反复学习。而翻转课堂是一个将学习的决定权从教员转移到学员的大学教学新方式，其核心是使学员真正成为学习的主体。基于线上线下混合式翻转课堂教学模式的主要特征是［1-4］:学员自由选择时间完成线上在线课程的学习任务，然后将自己不理解的问题记录下来。线下课堂教学时间用于检查线上学习情况和解决问题、讲解难以理解的概念和拓展应用、编程实现理论教学内容并开展讨论。教学内容的讲解不再占用线下课堂时间，使教员有更多时间与学员进行一对一的沟通交流，由学员轮流讲解线上学习内容。这种混合式教学模式进一步培养了研究生学员的自主学习能力、交流合作能力、口头表达能力、理论算法编程仿真能力等，符合军校研究生学员能力素质培养要求。0年，军队院校加速了开展线上教学的步伐，我院研究生课程“统计信号处理”课程教学团队积极尝试开展线上教学，并取得较好的教学效果。而线上教学的引入，明显增强了学员的参与性与自主性，同时也提高了学员的积极性，为传统教学注入了新的活力。因此在去年开展线上教学的基础上，今年针对“统计信号处理”中部分内容积极开展了基于线上线下混合式翻转课堂教学模式的探索，下面从统计信号处理课程分析入手，结合统计信号处理课程内容特点提出哪些内容适合采用线上线下混合式翻转课堂教学模式，并以“标准Kalman滤波应用实例”这一典型教学案例，展示基于线上线下混合式翻转课堂教学模式的课堂教学设计与实践。

一、统计信号处理课程分析

“统计信号处理”课程是一门数学基础要求高，理论性较强的基础课程。在传统教学过程中，大量的公式推导使得传统的课堂教学变得枯燥无味，很难使学员长时间的集中精力认真听讲，学员普遍反映学习困难，趣味性不高，积极性不好调动。下面进行详细分析。

(一)课程基本信息

(1)课程名称:统计信号处理。(2)课程属性:空军预警学院研究生必修课，线上线下混合课程。(3)线上课程:军事职业教育平台在线开放课程，国防科技大学电子科学学院罗鹏飞教授开设的“统计信号处理”。

(二)课程教学目标

通过本课程的教学，使本学科专业硕士研究生建立随机信号统计处理方法的基本概念，掌握扎实的统计信号处理理论基础，具备用统计的方法研究分析随机信号处理问题的能力和解决工程技术问题的能力。为本学科专业学生学习《现代雷达信号处理》《阵列信号处理》等后续课程以及进行课题研究提供理论支撑、分析解决问题方法指导。

(三)课程学情分析

本门课程授课对象为0级信息与通信工程相关研究方向6名学员。根据本期班学员情况看，主要有以下特点:一是学员内在动力足，学习积极性、主动性高。研究生学员相对于本科、大专学员最大的特点是有内在的学习需求与动力，听课注意力集中，能够积极与教员互动。二是先期课程基础较好，与本课程要求基本相符。学员学习了“信号与系统”“数字信号处理”两门先期课程，具备用变换的思想处理信号问题;学员学习了“数理统计”与“随机过程”两门课程，具备一定的统计思维能力。三是利用Matlab仿真编程能力较弱。绝大多数学员没有参加数学建模，不具备利用Matlab编程仿真能力。

(四)教学方法

本课程的核心内容是解决信号检测与估计问题，课程内容具有理论性强、综合性强、实践性强等特点。因此，在教学过程中，针对知识理论性强，采用优质在线开放课程资源，利用线上学习解决基本知识的掌握，课堂上重点解决学习过程中发现的问题，从而加深对知识的理解。针对知识综合性强，应力图做到适当结合前期所学基础知识，加强课堂教学设计，力求引导学员自主利用前期基础知识综合分析在统计信号处理中的具体问题，从而不断提高学员分析问题解决问题的能力。针对知识实践性强，应力图做到结合实际应用，将仿真编程贯穿整个教学环节，尽量多用直观仿真结果说明问题、分析解决问题，降低知识理解的相对难度。课堂教学中针对不同内容模块，结合在线开放课程资源、学员专业研究方向需求，紧扣教学目标，研究匹配学员特点的教学策略设计。针对不同教学内容，分别采取“启发引导”“翻转课堂”和“理实结合”的方法。1．启发引导针对课程中理论性较强的基础知识部分，采取启发引导的教学方法，按照“导、做、思、评”四步开展教学。“导”就是引导，是启发学生思考的讲解，“导”要整体设计、把握要点，起到点睛的作用，“导”要贯穿教学的始终，开始导课要紧扣主题、引人入胜，中间导课要环环相扣，最后的导课要启迪思考。“做”就是针对一些难以理解的知识点通过做仿真、做动画等方式辅助，可以由教员课前做好，也可以在课堂上学员亲自参与动手做一些仿真实验。“思”就是思考，是学员在教员的引导启发下对教学内容的深入思考。“评”就是讲评和总结，教员通过“评”梳理总结、同化新知，把新知识纳入学员原有的认知结构中。2．翻转课堂针对课程中部分综合应用性较强内容，采取翻转课堂教学方法能提高学员课堂参与度，同时提升教学效益。翻转课堂教学法以“三主”为核心开展教学，课前研学、课中讨论、课后归纳突出“学员主体”，教员巧设疑问、层层追问、精准小结体现“教员主导”，课堂讨论紧扣课堂目标、紧扣原理应用、紧扣错误辨析抓住“问题主轴”。一是教员主导。课前:教员利用网络平台，上传资源，任务;课中:课堂中教员采取问题牵引、问题启发、类比归纳的教学方法组织教学;课后:教学团队研讨交流、总结反思、优化教学设计。二是学员主体。课前:学员自主学习，自主探索;课中，学员根据课前准备和思考积极参与教学活动;课后独立完成思考题，以达到全面掌握的目标。三是问题主轴。学员巧用网络平台讨论区等，教员收集问题并精准把脉，从而在备课时做到有的放矢，为课堂讨论提供依据。3．理实结合针对课程中部分内容实践性强的特点，采用理实结合教学方法。结合学员不同专业研究方向，将检测和估计理论问题化解为实际应用问题，引导学员针对实际应用，编程仿真加深对课程内容的理解，化抽象为形象，让学员学懂学会并能学以致用。

二、基于线上线下混合式翻转课堂教学模式典型教学案例探析

下面以教学时长约为分钟左右的“标准Kalman滤波应用实例”为例，采用BOPPPS教学模式［5-7］组织基于线上线下混合的翻转课堂教学，主要的教学流程设计如下:

(一)导入(Bridge-in)———教员引导，PPT、视频辅助展示

以雷达跟踪目标的视频引入，介绍雷达航迹处理流程，引出本次课教学内容标准kalman滤波在雷达目标跟踪中应用。

(二)教学目标(Objective)———PPT展示

1．知识目标理解卡尔曼滤波在雷达目标跟踪中应用，能写出两坐标雷达对匀速直线运动目标跟踪的状态方程和观测方程。2．能力目标能够编程实现两坐标雷达对匀速直线目标跟踪滤波，提高学员仿真编程能力。3．情感与素质目标通过探究目标跟踪实现过程，培养学员用统计学思维去判断。为顺利开展后续的课堂教学活动，利用前测环节进一步了解学员对前期知识掌握情况。

(三)前测(Pre-assessment)———检查学员线上自学情况

(1)课前:布置线上学习任务，学习在线开放课程“统计信号处理”6．5节:要求:写出两坐标雷达对匀速直线运动目标的状态方程、观测方程;写出状态矢量的初值、均方误差阵的初值。(2)课中:检查学习情况，指定1名学员写出匀速直线运动目标状态方程、1名学员写出两坐标雷达的观测方程、1名学员写出状态矢量的初值、1名学员均方误差阵的初值。通过前测，学员已经掌握两坐标雷达对匀速直线运动目标跟踪的基本知识。下面可以进行“参与式学习”。

(四)参与式学习(Participatory-Learning)———编程仿真

1．分析讨论仿真条件和要求(1)仿真条件分析:教员引导学员讨论前测环节中给出的四个公式中初值的给定依据。例如:仿真样本时间间隔T根据雷达常规转速给定;观测误差根据现役典型雷达装备技术指标测距和测角精度给定。(2)仿真要求:飞机类目标运动速度为音速;目标个数1个，跟踪次数次以上;蒙特卡洛仿真次数0次以上;结果输出:分别画出目标真实航迹、测量值、预测值和滤波值，统计并画出跟踪结果的均方误差值。2．Matlab编程实现目标跟踪(1)仿真流程分析:目标点迹仿真、滤波初值给定、滤波算法递推、仿真结果输出。(2)指导学员完成编程。3．仿真结果展示与分享根据学员仿真参数不同，指定学员分享仿真结果，讨论初值给定参数对标准Kalman滤波结果的影响。至此，新知识已经学习完毕，接下来要检测教学效果。“后测环节”可以拓展到三坐标雷达对匀加速运动目标的跟踪。

(五)后测(Post-assessment)———三坐标雷达匀加速直

线运动目标跟踪(1)状态方程与观测方程。引导学员对比分析得到匀加速直线运动的状态方程、三坐标雷达的观测方程。(2)初值给定。采用三点起始方法，得到位置、速度和加速度的初值;直接给出滤波均方误差初值，具体公式推导过程课后推导。(3)分组完成仿真。(六)总结(Summary)———PPT展示1．总结本堂课教学内容两个方程建立:状态方程、观测方程。两个初值给定:状态初值、均方误差初值。两组迭代循环:状态估计—预测、滤波均方误差—预测均方误差。2．引出下堂课教学内容针对非匀速直线运动目标情况，需要采取扩展Kalman滤波算法，即为下节课的教学内容。

三、基于混合式翻转课堂教学模式教学效果分析与总结

通过对“标准Kalman滤波应用实例”的课堂教学设计案例可以看出，该课堂强调的是通过合理选择教学内容和优化教学环节安排，有机地将学员线上在线开放课程自学和线下课堂编程与讨论融入课堂中;最大限度地激发学员学习的热情，最后将学员变为课堂的主角，而教员只是负责引导学员学习的配角。教学效果主要体现在对学员和对教员的影响两个方面，对学员的影响主要有以下四点:(1)通过创造一个自由平等、和谐融洽的课堂氛围，鼓励学员积极参与课堂讨论，自主完成编程仿真，相互帮助查找代码问题，交流仿真结果呈现方式，极大增强了学员在课堂学习的积极性。(2)通过分享展示仿真结果，提升学员个人的口头表达能力和思辨能力。(3)分组完成后测环节，增强学员团队协作能力及集体荣誉感。(4)通过对标准Kalman滤波算法的推导和仿真实现，加深了学员对实际雷达装备输出情报质量的理解，提高学员岗位任职能力。对教员的影响主要有以下两点:(1)教员技能的提升。课前对BOPPPS六个教学环节的精心设计;课中热情饱满、积极引导学员;课后给学员提供及时线上反馈和答疑，同时对自己的教学进行科学的反思与分析。这一系列的教学活动提高了教员在各方面的教学能力，让教员的教学效果得到质的提升。(2)对“教学”的重新认识。有教有学才是教学，因此课堂中不仅要做到有“教”，而且也要有“学”。要做到“有教有学”，从教员的角度来讲，教员不仅能认真备课，积极创造条件让学员学习(教员教);同时也能激发学员的参与热情，让学员能做到“知无不言，妙不可言”，从而教员也能从学员身上学到新的知识或理念(教员学)。从学员的角度来讲，教员不仅要努力让学员做到能“学”，而且也能“教”。因此在课堂中应积极创造“学员发言、学员讲课、学员辨析、学员纠错”等环节和机会(学员教)，从而让学员通过自己的努力，利用好自己的学科专业背景优势，给其他专业的学员和教员提供一个不一样的视野和见解，做到学员能“教”的状态。

四、基于线上线下混合式翻转课堂教学模式的优势与面临的挑战

翻转课堂的发展得益于信息化时代的到来，线上教学模式在各大军校广泛实施。传统的规范化课堂教学很难适应社会发展和学员的个性化需求，也推动我们运用基于线上线下混合式翻转课堂教学模式开展教学。其主要优势表现在以下两个方面。一是培养学员主动学习能力，提高课堂教学质量。翻转课堂颠覆了传统课堂采用讲授式的被动学习方法，而是采取构建主义学习、问题导向和理实结合学习为主，辅以讲授式的教学策略。这使得传统课堂中被动式的学习模式得到改变，学员不再依赖于接受学习，而是对知识进行自主的探索，教员与学员、学员与学员的互动在翻转课堂里变得自然而且高效。翻转课堂赋予了学员更多的学习控制权，学员通过自主调配学习时间，在完成教学目标的同时也使自己的特殊要求得到满足，促使学员的自主学习能力进一步提高，也符合军队院校研究生教育的特点。二是进一步丰富教学方法，促进教学模式改革。基于线上线下混合的翻转课堂教学模式将传统的教学观念彻底推翻，学员通过网络共享更多的优质教学资源，真正实现对不同学员的因材施教，充分满足他们的个性化需求。教学从满堂灌到协作学习、共享学习，促进教与学的共同发展，更是有利于学员从“知识学习”向“知识应用”的转换。但在实际教学过程中，这种教学模式也存在不小的挑战，主要表现在以下两个方面:一是课堂形式化问题出现。部分学员自己自制力不高，加上没有教员的监督，线上自学效果较差，在课堂讨论中参与机会就少，可能导致一堂课下来，学员的上课效率比较低。二是知识碎片化问题严重。传统教学模式下，教员只需采取PPT和讲解就能流畅的完成教学内容的传授，而在翻转课堂中，教员将教学内容划分为视频、文本和课件等多种形式呈现给学员，整体、系统化的知识点被分割，导致学员容易忽视知识的连贯性和完整性;而且翻转课堂将教学过程分为线上自学和线下探究两个部分，线上学习过程中教员答疑不可避免存在滞后性，使得知识碎片化问题更加严重。

五、结语

基于线上线下混合的翻转课堂教学模式可以有效地提高学员的学习兴趣，让学员学会主动探索知识。一旦他们积极参与知识的获取，就有利于知识网络构建、问题分析与解决、沟通与合作等各项能力的培养，从而使学员的学习效果得到一定程度的提高。此外，也有助于提高教员的教学能力，在翻转课堂的教学实践过程中，教学资源准备和教学流程的设计对教员教学能力提出更为严峻的挑战。

作者：汪枫 刘润华 唐文辉 张琳 周伟彬 单位：空军预警学院