基于問題和案例的混合式教學(xué)模式的實踐與探索

梁妮 黃代政 陳妮 張琥石

【摘要】本文論述在電路設(shè)計實訓(xùn)課程引入以案例為基礎(chǔ)和以問題為基礎(chǔ)的混合式教學(xué)實踐，闡明該混合式教學(xué)模式的理論內(nèi)涵及其結(jié)合點，通過劃分模塊進行教學(xué)方案設(shè)計，收集案例、設(shè)置問題、創(chuàng)建教學(xué)資源，按照課前導(dǎo)學(xué)、課中教學(xué)、課后練學(xué)的順序開展教學(xué)的策略，培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】混合式案例教學(xué) CBL PBL 模塊化

【中圖分類號】G64 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）21-0161-04

新工科背景下，探索滿足醫(yī)工創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的教學(xué)模式是課程建設(shè)的重要任務(wù)。電路設(shè)計實訓(xùn)課程是廣西醫(yī)科大學(xué)（以下簡稱“我?！保┥镝t(yī)學(xué)工程專業(yè)面向醫(yī)療儀器設(shè)計和研發(fā)方向而開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，是提高學(xué)生創(chuàng)新實踐技能的必修課。本課題的課改教學(xué)團隊引入基于問題和案例的混合式教學(xué)法，以案例為基礎(chǔ)整合并構(gòu)建教學(xué)資源；以問題為基礎(chǔ)設(shè)計教學(xué)互動，通過引導(dǎo)學(xué)生探尋和求證來開展實訓(xùn)教學(xué)。

一、基于CBL的實訓(xùn)案例教學(xué)原則

以案例為基礎(chǔ)（CBL，Case Based Learning）的教學(xué)方法是將以學(xué)生為主體、以教師為主導(dǎo)的討論式教學(xué)法引入到實訓(xùn)教學(xué)中的一種教學(xué)方法。實訓(xùn)課程以實踐為主，采用案例化模式進行教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計，讓學(xué)生結(jié)合具體實際來鞏固理論知識，培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)與辯證探究的能力。在實訓(xùn)課程教學(xué)中運用CBL時應(yīng)遵循以下原則。

一是系統(tǒng)案例的項目化原則。該原則強調(diào)教學(xué)要以作品成果為導(dǎo)向，選取一個課程綜合設(shè)計項目作為系統(tǒng)案例，來驅(qū)動整個課程的實驗教學(xué)活動。從項目研究背景、研究現(xiàn)狀、項目設(shè)計方案、具體實施過程、數(shù)據(jù)分析和結(jié)論等方面，引導(dǎo)學(xué)生探索和學(xué)習(xí)。項目的選擇應(yīng)符合培養(yǎng)目標(biāo)、就業(yè)對專業(yè)技能的需求。

二是案例教學(xué)的模塊化原則。這是指在教學(xué)中將選取的綜合設(shè)計項目分為多個子項目，分別對應(yīng)課程不同的教學(xué)模塊，將各模塊依次作為教學(xué)環(huán)節(jié)開展。每個環(huán)節(jié)中，根據(jù)子項目的功能需求，來設(shè)計各模塊的單元實驗內(nèi)容。

三是案例的設(shè)計性、創(chuàng)新性原則。教材的實驗內(nèi)容大多為驗證性實驗，內(nèi)容陳舊，缺乏設(shè)計性、創(chuàng)新性，一定程度上脫離專業(yè)的實際應(yīng)用。因此，教學(xué)的系統(tǒng)案例的選取可參考電子設(shè)計競賽、生物醫(yī)學(xué)工程設(shè)計競賽相關(guān)題目來制定，以賽促教的同時確保教學(xué)內(nèi)容的先進性和創(chuàng)新性。

四是案例的對比性原則。一般來說，該原則要求選取或設(shè)計的案例應(yīng)為相反或相悖的正反面案例，這樣給學(xué)生刻畫的反差印象會更深，更有利于提升學(xué)生設(shè)計的嚴(yán)謹(jǐn)性。在各模塊的電路案例的選取中，可以圍繞基本電路設(shè)計過程中容易出現(xiàn)或忽略的細(xì)節(jié)性、原則性問題，來選擇帶有與之類似問題的反面教學(xué)案例。

二、基于PBL的教學(xué)應(yīng)注意的兩個方面

以問題為基礎(chǔ)（Problem-Based Learning，PBL）的教學(xué)方法是以學(xué)生為主體，在教師設(shè)定的問題下，以分組討論的形式開展教學(xué)的方法。該方法以問題為刺激點，慢慢培養(yǎng)學(xué)生從課堂資源或者網(wǎng)絡(luò)資源獲取所需知識的能力，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能動性。但這一學(xué)習(xí)模式很大程度依賴學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)成就感來推動完成，為此在實訓(xùn)教學(xué)中應(yīng)用PBL應(yīng)注意以下兩個方面。

（一）合理設(shè)計問題

問題的設(shè)計是進行PBL教學(xué)的關(guān)鍵，應(yīng)遵循由淺入深、由學(xué)會已知到探索未知的學(xué)習(xí)規(guī)律。合理設(shè)計問題是確保學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)積極性的基礎(chǔ)。如圖1所示，問題的選擇可以考慮從教學(xué)案例、學(xué)生課前學(xué)習(xí)情況、實驗過程中出現(xiàn)的問題等三個維度進行收集和整理。問題類型可分為基礎(chǔ)性問題、過渡性問題、探討性問題。基礎(chǔ)性問題以基礎(chǔ)知識為主，一般旨在為學(xué)生打好基礎(chǔ)；過渡性問題以驗證已有結(jié)論為主，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)；探討性問題，主要為綜合性問題或來源于實驗過程中的異?，F(xiàn)象和疑難問題，旨在激勵學(xué)生提出解決思路，并通過查閱大量文獻、網(wǎng)絡(luò)資源完成知識的積累和沉淀。

（二）進行有效的教學(xué)互動引導(dǎo)

1.課堂提問的設(shè)計

培養(yǎng)學(xué)習(xí)的興趣和塑造學(xué)習(xí)成就感，可以極大增強學(xué)習(xí)氛圍，提升學(xué)習(xí)效果。因此課前的教學(xué)提問應(yīng)充分考慮如圖2的三大要素：內(nèi)容提示（TIPs）、回答準(zhǔn)確率（Proportion）、提問對象（Target）。TIPs，提問的問題和課前學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)，提高回答的信心，在一定程度上可促進課堂活躍度提升；Proportion，選擇回答準(zhǔn)確率高的問題，可使基礎(chǔ)能力弱的學(xué)生通過表現(xiàn)獲得成就感，從而繼續(xù)投入學(xué)習(xí)，再表現(xiàn)再學(xué)習(xí)，形成良性的正向反饋；選擇錯誤率高的問題，向?qū)W習(xí)能力較強的學(xué)生提問，給予問題提示和解決思路，待解決后再次提問，以此鼓勵學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)去探尋解決問題的途徑。

2.小組合作式學(xué)習(xí)

小組合作式學(xué)習(xí)更適合項目式實驗，按分工讓小組人員發(fā)揮自己擅長來協(xié)作完成項目，并通過互相協(xié)、學(xué)習(xí)來彌補知識的不足。小組學(xué)習(xí)能幫助個人突破耐力極限，提高學(xué)習(xí)持續(xù)性和興趣。小組學(xué)習(xí)有利于教學(xué)活動開展，構(gòu)建組間的競爭機制，可以有效刺激學(xué)習(xí)積極性，形成學(xué)習(xí)和競爭的正向反饋。

3.學(xué)習(xí)平臺選擇

雨課堂是清華大學(xué)和學(xué)堂在線共同推出的新型智慧教學(xué)工具，支持教師掌握學(xué)生的課前學(xué)習(xí)情況、完成問題的設(shè)置和課堂提問設(shè)計，并常用來進行測試、簽到。對比其他平臺，它的優(yōu)勢是兼容微軟的PPT同步播放，支持彈幕互動，這能極大促進課堂活躍度，增進教學(xué)便利性。

三、CBL與PBL的結(jié)合點

CBL與PBL的教學(xué)方法都是以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)的討論式教學(xué)。CBL側(cè)重于教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計，以案例討論形式來開展的教學(xué)更具象更易懂，其著力點在教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)。PBL側(cè)重在學(xué)習(xí)過程的引導(dǎo)，以問題引導(dǎo)學(xué)習(xí)，逐漸完成實訓(xùn)教學(xué)的過程，著力點在問題驅(qū)動教學(xué)。兩者開展的教學(xué)討論形式一致，著力點不同，但完全可以結(jié)合兩者的優(yōu)勢開展實訓(xùn)教學(xué)。在CBL教學(xué)的案例下凝練不同子問題去完成單個案例的學(xué)習(xí)，再以PBL問題為動力支點，對不同案例進行分析比較來論證最終的設(shè)計方案。兩者的結(jié)合，能極大提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、實踐創(chuàng)新能力。實訓(xùn)課程具有實踐性強、理論基礎(chǔ)要求高的特點，提高學(xué)生創(chuàng)新實踐技能是重中之重。因此，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的設(shè)計尤為重要，結(jié)合PBL和CBL的優(yōu)勢，教學(xué)內(nèi)容宜參考CBL教學(xué)的模塊化案例，從精選案例入手，提高教學(xué)質(zhì)量；教學(xué)方法采用PBL教學(xué)的以問題驅(qū)動課堂教學(xué)方式，從問題的設(shè)計、回答對象的選擇、問題的引導(dǎo)等方面加以改進，來提高教學(xué)互動的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和實踐創(chuàng)新能力。

四、基于CBL與PBL混合的教學(xué)活動實踐

基于我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)培養(yǎng)方案中對醫(yī)療器械的管理、維護、設(shè)計開發(fā)人才培養(yǎng)的需求，本門實訓(xùn)課程選擇脈搏采集系統(tǒng)作為實訓(xùn)項目，即總的CBL項目案例。該項目案例常作為生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計大賽經(jīng)典電生理信號類選題，其涉及的典型電路也常見諸于各電子設(shè)計大賽中，因此可以作為案例模塊的豐富資源。它包含了實訓(xùn)課程教學(xué)內(nèi)容要設(shè)置的各種常規(guī)類型電路，囊括了電路設(shè)計實訓(xùn)課程的所有知識點，符合課程實訓(xùn)教學(xué)的需要。

（一）劃分案例模塊，設(shè)計單元教學(xué)

課改團隊依據(jù)CBL與PBL混合式教學(xué)的應(yīng)用原則，將項目劃分為各個子任務(wù)。首先將制訂項目方案作為實訓(xùn)課程的第一單元，即開課內(nèi)容。按脈搏采集系統(tǒng)的功能需求來制訂項目的實現(xiàn)方案，教學(xué)應(yīng)用PBL的問題式教學(xué)方式，一步步引導(dǎo)學(xué)生討論系統(tǒng)的設(shè)計框架，來完成模塊劃分，即按引導(dǎo)將脈搏采集系統(tǒng)實現(xiàn)方案大致劃分為5個子任務(wù)，如下圖3所示。它分別對應(yīng)5個基本電路模塊：直流穩(wěn)壓電源、傳感器原理及電路設(shè)計、單電源放大電路、濾波電路、比較器/AD轉(zhuǎn)化電路。這個部分的單元課程教學(xué)目標(biāo)為使學(xué)生了解項目背景和設(shè)計思路。

接下來按照劃分后的模塊子任務(wù)開展后續(xù)5個單元的CBL案例教學(xué)（第二至七單元）。課程將各模塊以CBL案例式教學(xué)法依次開展教學(xué)。在每個單元教學(xué)中，根據(jù)不同類型電路的基本理論原理，教師引入不同的問題，設(shè)計各單元實驗內(nèi)容。各個案例模塊的實驗教學(xué)分為電路案例的原理分析、電路設(shè)計和仿真、PCB設(shè)計、制作和測試、數(shù)據(jù)分析總結(jié)等環(huán)節(jié)。通過這五個單元課程的實訓(xùn)，學(xué)生掌握基本的電路分析和設(shè)計方法，能夠通過自主學(xué)習(xí)獨立解決實驗中出現(xiàn)的問題，提升學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。

（二）收集案例設(shè)置問題，建設(shè)教學(xué)資源

第一單元的實訓(xùn)內(nèi)容主要為項目總體方案設(shè)計。教師應(yīng)用CBL與PBL混合的教學(xué)方法，首先收集三種不同的脈搏采集系統(tǒng)方案的案例，這可從往屆參賽作品實物、報告、視頻等材料中選取作CBL教學(xué)的學(xué)習(xí)案例?；谏鲜鯟BL的教學(xué)案例的教學(xué)意圖，設(shè)置不同問題驅(qū)動學(xué)生完成學(xué)習(xí)過程，具體包括整理項目背景和基礎(chǔ)理論知識材料，并預(yù)設(shè)基礎(chǔ)性問題作為學(xué)生的線上入門學(xué)習(xí)資源，如脈搏信息和人體生理病理的關(guān)系、心血管系統(tǒng)分布、不同傳感器測量原理、脈搏信號特點和信號調(diào)理過程等。根據(jù)線上學(xué)習(xí)情況，教師在課堂提問環(huán)節(jié)設(shè)置基礎(chǔ)性問題，并根據(jù)項目方案的實現(xiàn)邏輯設(shè)置引導(dǎo)學(xué)生揣摩整個方案設(shè)計的思路。如比較不同測量方式、不同測量部位的優(yōu)缺點，探究哪種測量方案更適合無創(chuàng)便攜需求，脈搏信號放大需要什么樣的放大器，脈搏頻率低、帶噪聲等特點影響了濾波電路的哪些參數(shù)等。這些問題的設(shè)置作為PBL教學(xué)的支點，驅(qū)動并引導(dǎo)學(xué)生完成案例的整個設(shè)計方案制定。

第二至七單元的實訓(xùn)內(nèi)容則是進行具體的電路模塊設(shè)計。首先教師搜集整理各模塊電路案例，包括直流穩(wěn)壓電源、傳感器原理及電路設(shè)計、單電源放大電路、濾波電路、比較器/AD轉(zhuǎn)化電路等。如構(gòu)建某實驗單元關(guān)于濾波電路的教學(xué)資源時，按濾波器種類收集不同類型的濾波器案例，完成創(chuàng)建線上學(xué)習(xí)資源，再設(shè)置不同的實驗指導(dǎo)任務(wù)單（帶問題式的任務(wù)）。如構(gòu)建動態(tài)元件電容C的阻抗特性測量的相關(guān)教學(xué)資源時，可從設(shè)定簡單RC電路測試其幅頻特性表現(xiàn)、簡易無源濾波器的測試及缺點分析入手，設(shè)計各類有源濾波器的設(shè)計和測試的教學(xué)路徑，引導(dǎo)學(xué)生從問題出發(fā)，在實踐中由淺入深逐漸掌握該單元電路的性能、設(shè)計和制作的流程，并培養(yǎng)測試和分析的能力。教師讓學(xué)生通過對比不同方案的測試數(shù)據(jù)確定最終的濾波器設(shè)計，并分析學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)的問題，并據(jù)此設(shè)置探討式問題，作為討論式課堂的主題內(nèi)容。與第一單元的實訓(xùn)中以問題帶動案例整合設(shè)計不同，后邊的幾個單元重在自主實踐過程，并對實踐中的問題進行探究和拓展。

（三）分階段開展基于PBL和CBL教學(xué)法混合式教學(xué)

在開展教學(xué)活動前，教師需要按上述要求做好教學(xué)資源建設(shè)，包括準(zhǔn)備線上的學(xué)習(xí)文獻視頻、導(dǎo)學(xué)任務(wù)單、實驗指導(dǎo)任務(wù)單、測試題、線下的教學(xué)問題設(shè)置、經(jīng)典的案例電路（視頻、實物等）、實驗材料，并向?qū)W生發(fā)布課程安排和考核方式，完成學(xué)習(xí)小組組建。

1.課前導(dǎo)學(xué)

教師提前一周下發(fā)線上學(xué)習(xí)資源和導(dǎo)學(xué)任務(wù)單（TIPs），學(xué)生在導(dǎo)學(xué)任務(wù)單的要求下自主學(xué)習(xí)，并完成入門基礎(chǔ)測試。教師課前一天統(tǒng)計學(xué)生在線學(xué)習(xí)情況，設(shè)計課堂互動的問題（Proportion）、初步確定提問對象（Target）。

2.課中教學(xué)

課中教學(xué)開展形式有以下三種。一是教師主導(dǎo)式教學(xué)。首先，對課前學(xué)習(xí)情況進行檢驗式提問，進一步回顧和總結(jié)先前知識。其次，引出當(dāng)節(jié)課的課程案例，由設(shè)置好的過渡性問題，引導(dǎo)學(xué)生完成該案例的學(xué)習(xí)。如在項目總方案制定中可完成以下事項：提問比較不同測量方式的優(yōu)缺點，來確認(rèn)測量方式；不同測量部位的信號對比，分析何種性價比高、更適合無創(chuàng)便攜需求，確定采集部位；分析得到脈搏信號弱的原因，以此確定放大器的性能要求；分析脈搏頻率低、帶噪聲等特點來確定濾波電路功能需求，等等。通過這些過渡性問題逐漸引導(dǎo)學(xué)生完成項目的方案制定。最后，可拿出反面案例或者其他方案的案例進行對比，并通過小組自由式討論，確定適合項目的最優(yōu)選擇作為探討性問題，確定最終的上交方案。

二是學(xué)生實踐教學(xué)。該環(huán)節(jié)由小組合作完成，教師給每個小組發(fā)放實驗指導(dǎo)任務(wù)單，引導(dǎo)學(xué)生完成電路仿真、制作、測試、記錄和分析總結(jié)。學(xué)生在實踐過程中遇到問題，小組內(nèi)部可在雨課堂討論區(qū)及時向其他小組或教師求援。如問題由其他小組協(xié)作解決則雙方加分。這種方案能鼓勵小組間開展廣泛的討論，通過集思廣益解決問題。未能解決的問題可以作為探討性問題，放在單元答辯課程解決。這類實踐課堂主要是在PBL問題的驅(qū)動下，學(xué)生自主完成CBL案例模塊的學(xué)習(xí)以及設(shè)計測試的實訓(xùn)過程。

三是進行單元答辯。以小組為單位匯報單元實驗的學(xué)習(xí)，匯報內(nèi)容為案例模塊的學(xué)習(xí)和電路模塊測試情況。答辯評委由其他小組代表和教師構(gòu)成，教師至少提1個問題，其他學(xué)生根據(jù)自身的實踐或疑問來提問。教師記錄問答情況，作為平時加分的參考。該單元實驗的答辯結(jié)束后，教師針對學(xué)生在實踐課堂中爭議大的問題進行深入分析和討論，并對該單元案例進行延伸和拓展。單元答辯不限于教師問與學(xué)生答的單向教學(xué)模式，而是可以采取學(xué)生問—學(xué)生答、學(xué)生問—教師答、教師問—學(xué)生答的多元互動樣式。CBL-PBL教學(xué)在單元答辯中，問題相對廣泛，開展更靈活。

3.課后練學(xué)。

課后練學(xué)是對課堂學(xué)習(xí)效果的檢驗，有兩種形式。一是每個單元結(jié)束后通過在雨課堂發(fā)布課后測試題讓學(xué)生完成。二是在完成所有單元的實驗后，要求學(xué)生完成總體電路的整合搭建和聯(lián)合調(diào)試，并撰寫課程設(shè)計報告，制作短視頻并介紹作品。

4.開展考核的方式

課程評價體系應(yīng)注重學(xué)習(xí)過程的考核，主要的考核內(nèi)容有：課堂表現(xiàn)、習(xí)題測試、單元實驗完成情況、單元答辯、機試。單元實驗完成情況可根據(jù)提交的仿真文件、PCB設(shè)計工程、實際硬件電路以及測試數(shù)據(jù)和分析來進行判斷，單元答辯由小組平均分（40%）和教師評價（60%）構(gòu)成。具體過程為每個小組派一名同學(xué)作為代表用PPT對整個項目的實施情況和小組分工進行介紹。答辯委員會由各小組代表及任課教師組成，負(fù)責(zé)對各小組的答辯情況進行提問及評分。機試主要考查學(xué)生運用Multisim的電路設(shè)計仿真能力，以及PCB的設(shè)計過程。個人加分項放在課堂表現(xiàn)里，除了雨課堂平臺記錄的考勤，互動環(huán)節(jié)的提問、搶答，討論區(qū)的活躍度等都可作為加分項?？己藨?yīng)充分考慮各學(xué)習(xí)階段的參與和完成情況，做到合理和實時評價，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，營造濃厚的課堂學(xué)習(xí)氛圍。

綜上，教學(xué)中運用基于問題和案例的混合式教學(xué)模式能較好地解決學(xué)生學(xué)習(xí)能動性不足、實踐創(chuàng)新能力不強等問題，在實訓(xùn)教學(xué)中通過探尋和求證等手段可以增強實訓(xùn)內(nèi)容的銜接性與系統(tǒng)性，同時構(gòu)建起豐富的教學(xué)資源庫、問題庫，并通過科學(xué)的考評方式增大教學(xué)反饋，從而實現(xiàn)建設(shè)高效課堂的目的。

參考文獻

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注：本文系“以卓越工程師培養(yǎng)為目標(biāo)的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)實踐教育體系構(gòu)建”（XGK2022006）、“基于雨課堂的混合式教學(xué)新模式在生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)《電子EDA技術(shù)》教學(xué)中的探索與實踐”（2018XJGB14）、廣西醫(yī)科大學(xué)重點教材建設(shè)項目（Gxmuzdjc1903）的研究成果之一。

作者簡介：梁妮（1989— ），廣西北流人，碩士，講師，主要研究方向為嵌入式開發(fā)，生物電信號處理；黃代政（1976— ），廣西賀州人，博士，教授，主要研究方向為生物信號處理；陳妮（1982— ），廣西柳州人，博士，副教授，主要研究方向為信號采集與處理；張琥石（1986— ），廣西南寧，碩士，講師，主要研究方向為生物信號處理。

（責(zé)編 羅異豐）