周小云

摘 要：高校實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量是高校從教者日益關(guān)注的一個問題。在“信號與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)中，以ARCS 動機(jī)模型四要素（注意、關(guān)聯(lián)、自信、滿足）激發(fā)和維持學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機(jī)，采用MATLAB仿真軟件和中國大學(xué)MOOC平臺校內(nèi)SPOC，嘗試構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課堂。比較前后的教學(xué)效果、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及動手能力有較大提升。

關(guān)鍵詞：ARCS動機(jī)模型；信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；教學(xué)設(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課堂

中圖分類號：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）07-0039-03

一、問題的提出

“信號與系統(tǒng)”是高校工科類一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。其應(yīng)用非常廣泛，但該課程理論性強(qiáng)，學(xué)習(xí)難度大，其傳統(tǒng)的課程實(shí)驗(yàn)更為抽象晦澀，學(xué)生一方面提不起興趣，另一方面難以理解和應(yīng)用。以下是一個對傳統(tǒng)信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表。

二、問題的分析與解決

上述調(diào)查表明，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中覺得趣味性強(qiáng)和收獲較大的非常少，只占到了2%，而可參與同伴的討論也只有2%，不到四成的學(xué)生能對基本概念和分析方法了解清楚。因此，采用合適的方法來提高實(shí)驗(yàn)課程的趣味性和參與度是關(guān)鍵。主要采用了以下三種方式。

（一）使用ARCS動機(jī)模型增強(qiáng)學(xué)生的興趣和自信

研究表明，學(xué)生學(xué)習(xí)成績中16%～20%甚至30%的差異，是由學(xué)習(xí)動機(jī)造成的[1]。ARCS 模型由美國佛羅里達(dá)大學(xué)的約翰·凱勒教授在1983年提出。他將動機(jī)作為學(xué)習(xí)的核心因素，主張以學(xué)習(xí)動機(jī)的激發(fā)與保持為線索進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，總結(jié)出四個基本要素：注意（Attention）、相關(guān) （Relevance）、自信（Confidence）、滿足（Satisfaction）。注意、相關(guān)、自信和滿足的四個英文單詞的首字母便組合成一個ARCS模型[2]。這四個基本要素基本上可以作為我們設(shè)計(jì)活動的一個支架，來指導(dǎo)我們進(jìn)行相關(guān)活動和策略的設(shè)計(jì)。在“信號與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)中，可精選融合實(shí)驗(yàn)知識點(diǎn)的情境，結(jié)合此四要素層層遞進(jìn)：首先引入情境，拋出任務(wù)，引起注意力；然后分析問題，讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)任務(wù)與自身學(xué)習(xí)和生活的相關(guān)性；接著巧設(shè)討論題，安排小組遞進(jìn)式討論，激發(fā)學(xué)生完成任務(wù)的自信心；最后優(yōu)秀作品展示，讓學(xué)生從中獲得滿足感。

（二）使用MATLAB仿真軟件提升實(shí)驗(yàn)直觀度

“信號與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)課程涉及了大量抽象零散的知識點(diǎn)，如信號的頻譜，信號的帶寬，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)等。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大多采用實(shí)驗(yàn)箱配合示波器，只能進(jìn)行一些簡單的信號和波形演示，形式單一且不直觀，而MATLAB仿真軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖像處理功能，可以方便快捷地分析各類信號特點(diǎn)以及系統(tǒng)特性。運(yùn)用MATLAB，使學(xué)生易于接受抽象的理論，更深刻地理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

（三）使用中國大學(xué)MOOC平臺校內(nèi)SPOC提高學(xué)習(xí)能動性

網(wǎng)絡(luò)課堂的發(fā)展與普及對現(xiàn)代教育起到了深遠(yuǎn)的影響。中國大學(xué)MOOC平臺校內(nèi)SPOC給學(xué)生學(xué)習(xí)提供更多的自主性和參與的方式，“信號與系統(tǒng)”網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課堂主要由課堂講解、主題討論、提交報(bào)告、拓展應(yīng)用等模塊組成。課堂講解模塊由教師課前上傳實(shí)驗(yàn)相關(guān)的視頻、文檔等資料，方便學(xué)生反復(fù)根據(jù)自身需要觀看并全程在線提示；主題討論模塊方便興趣小組集中討論，解決問題，提高參與度；提交報(bào)告模塊可形成電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告，作品展示可讓更多的學(xué)生看到更好的作品并實(shí)現(xiàn)隨機(jī)小組互評；拓展應(yīng)用模塊分為課后管理和實(shí)踐創(chuàng)新兩部分，課后管理主要包含實(shí)驗(yàn)報(bào)告評判、課后答疑，針對學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的創(chuàng)新思維還可聯(lián)系校內(nèi)電子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行更深層次的研究。

三、教學(xué)實(shí)施過程

下面以“信號與系統(tǒng)”課程的一個實(shí)驗(yàn)為例介紹具體的教學(xué)實(shí)施過程。

（一）引入情境，引起注意力

德國一位學(xué)者有過一個精辟的比喻：將15克鹽放在你的面前，無論如何你也難以下咽。但當(dāng)將15克鹽放入一碗美味可口的湯中，你在享用佳肴時，就將15克鹽全部吸收了。情境之于知識，猶如湯之于鹽。鹽溶于湯中，才能被吸收；知識需要溶于情境之中，才能顯示出活力和美感。

此次實(shí)驗(yàn)課的第一個環(huán)節(jié)則是觀看上傳至網(wǎng)絡(luò)課堂的香港影片《無間道》中有關(guān)莫爾斯碼的片段，并提示學(xué)生仔細(xì)觀察，注意影片里所發(fā)出的神秘信號。通過電影片段將此次課程所講授的內(nèi)容引出，引人入勝。影片中港方臥底陳永仁通過莫爾斯碼巧妙地給上司傳遞信息：情況有變，真正的交貨地點(diǎn)在……借用此情境，信號y（t）含有關(guān)鍵的地點(diǎn)信息，我們要完成的任務(wù)就是從該信號中破譯出黑幫的真正交貨地點(diǎn)。

（二）分析問題，體驗(yàn)相關(guān)性

學(xué)生看完視頻后興趣盎然。ARCS動機(jī)模型第二個要素是相關(guān)，使學(xué)習(xí)者體驗(yàn)到學(xué)習(xí)活動的切身性，將學(xué)習(xí)者的注意力轉(zhuǎn)化為求知的欲望，從而達(dá)到維持注意力強(qiáng)化動機(jī)的目的。這里的關(guān)聯(lián)性即是用已學(xué)過的理論知識來解決現(xiàn)在這個應(yīng)用問題，來破譯黑幫交貨的真正地點(diǎn)。

此時教師可對任務(wù)進(jìn)行簡單的分析，并對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的介紹。

引導(dǎo)學(xué)生觀看網(wǎng)絡(luò)課堂上的第二個講解視頻，視頻中首先引導(dǎo)觀察莫爾斯碼表，發(fā)現(xiàn)表中的基本元素只有兩個：一個為點(diǎn)，一個為下劃線，分別稱之為dot、dash。大家所關(guān)心的中文電碼則先由莫爾斯碼表示數(shù)字，再由4個數(shù)字的組合來表示漢字。

接著引導(dǎo)觀察數(shù)據(jù)形式：y（t）=x1（t）cos（2πf1t）+x2（t）cos（2πf2t）+x3（t）sin（2πf2t）+x4（t）sin（2πf1t）

簡單介紹datamod.mat數(shù)據(jù)文件中的各個變量af，bf，dash，dot，f1，f2，t，y1，y2，y3，其中y1，y2，y3都形與y。

教師使用matlab仿真工具直觀展示部分變量的波形圖。圖像形式歷來比普通的文字有感染力。仿真工具的使用省去了大量的計(jì)算時間，可使思維集中在分析方法上，并且網(wǎng)絡(luò)課堂視頻的形式可方便學(xué)生反復(fù)觀看，照顧不同學(xué)習(xí)進(jìn)度的學(xué)生，讓學(xué)生有更大的自主性。

此番講解后，學(xué)生覺得這個有趣的問題確實(shí)和自己先前所學(xué)密切相關(guān)，能利用所學(xué)解決問題，學(xué)習(xí)動機(jī)繼續(xù)保持。

（三）小組遞進(jìn)式討論，激發(fā)自信心

ARCS動機(jī)模型第三個要素是自信。學(xué)習(xí)者將注意力集中到學(xué)習(xí)活動上，并產(chǎn)生了相關(guān)的切身性體驗(yàn)，這并不代表學(xué)習(xí)就一定能夠繼續(xù)下去，學(xué)習(xí)過程中的困難很可能成為學(xué)習(xí)者中斷學(xué)習(xí)的重要原因，這時就需要學(xué)習(xí)者具有能夠幫助自己克服困難，跨越阻礙的動力，需要建立“經(jīng)過自己的努力，我能夠完成，能夠達(dá)到”的信心。

在上課之前學(xué)生自由組合，每3人組成一個興趣小組。研究表明團(tuán)隊(duì)有助于學(xué)習(xí)的持續(xù)性。

同時教師一直提供在線支持，不斷地進(jìn)行提示，甚至把問題步驟化，一步一步地走。此次實(shí)驗(yàn)中，教師提供前續(xù)課程中用到的仿真函數(shù)，可方便觀測數(shù)據(jù)中各變量的波形圖。提供濾波器系統(tǒng)，也可自行使用仿真工具設(shè)計(jì)。并把任務(wù)步驟化，以思考問題形式給出，同時顯示在網(wǎng)絡(luò)課堂的主題討論板塊，明確討論主題。

問題1：系統(tǒng)的功能。（低通，高通還是帶通？或者別的什么功能？）

問題2：是不是所有的dash dot組合都能基本保持

原狀通過此系統(tǒng)。（可用MATLAB仿真試試）

問題3：dash dot及組合的信號帶寬是多少？

問題4：如何從y1中分離出x1，x2，x3，x4（有可能用到低通濾波器），并展示分離后的波形圖。

通過引導(dǎo)，部分小組也可在無從下手的境況中進(jìn)入有序狀態(tài)。組內(nèi)討論后若還有疑問可以發(fā)帖咨詢，倡導(dǎo)小組之間通過主題討論區(qū)互相答疑，回帖數(shù)及點(diǎn)贊數(shù)都能統(tǒng)計(jì)加分，教師也視情況適當(dāng)參與。

（四）優(yōu)秀作品展示，獲得滿足感

ARCS動機(jī)模型第四個要素是滿足，也就是學(xué)生的成就感?！爱?dāng)我做完此應(yīng)用或?qū)嶒?yàn)后，我會覺得我做得很不錯，我學(xué)的知識很有用?！绷硗馑麜X得：“這確實(shí)是自己努力的結(jié)果，只要我努力了，就能得到這樣的成果，就能夠?qū)崿F(xiàn)自己的目標(biāo)，變成自己想要的樣子?！边@就是學(xué)生需要建立的滿足感。

各小組邊討論，邊記錄成電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告，逐個解決問題直至得出最后的破譯方案。

1個小時后教師在線給出破譯的交貨地點(diǎn)為龍鼓灘。

各小組對照后可以根據(jù)自身情況查錯，有異議可與其他正確破譯的小組討論，各小組都可以把討論情況記錄在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上并提交電子版到網(wǎng)絡(luò)課堂上。

這樣線上線下的互動一直在持續(xù)，學(xué)生能感覺到來自同伴的鼓勵及教師的關(guān)注！

破譯成功完成后，思維發(fā)散，安排各小組去進(jìn)一步分析此數(shù)據(jù)的組成規(guī)律，思考若要傳遞“我愛你”三個漢字，此數(shù)據(jù)該如何組合？（提示：反觀成功破譯的龍鼓灘）

各小組在理解方案及數(shù)據(jù)規(guī)律后，可編輯成其他的秘密漢字信息傳送到網(wǎng)絡(luò)課堂的討論板塊，各小組間相互破譯，并依據(jù)正確的漢字信息及成功的破譯，在網(wǎng)絡(luò)課堂的作品展示板塊進(jìn)行展示（標(biāo)明信息提供小組及成功破譯小組）。此過程中，教師給予肯定與鼓勵，并在網(wǎng)絡(luò)課堂瀏覽參與討論板塊，上傳可展示作品，若有新的創(chuàng)意還可聯(lián)系校內(nèi)電子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行更深層次的研究。

此實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，學(xué)生們是興奮并滿足的。

ARCS 動機(jī)策略注意動機(jī)的激發(fā)和維持，借助一系列策略，強(qiáng)化和維持學(xué)習(xí)者的興趣，還特別重視學(xué)習(xí)的趣味性，以達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課堂模式下融合ARCS 動機(jī)模型的這一教學(xué)設(shè)計(jì)理念對于高校實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)設(shè)計(jì)具有較大的借鑒意義。表2為實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后的調(diào)查問卷總結(jié)。從表中可以看出基于ARCS動機(jī)模型的網(wǎng)絡(luò)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于改變教學(xué)中“學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)動機(jī)水平逐漸減弱”的現(xiàn)狀，提高教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]張祖忻.如何將動機(jī)原理整合于教學(xué)設(shè)計(jì)過程——談約 翰·凱勒教授的動機(jī)系統(tǒng)學(xué)說[J].開放教育研究，2003，（2）.

[2]趙琰.信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初探[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)， 2010，（4）.