新模式在农业工程DSP技术中的实践研究
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[摘 要] “翻转课堂”是近年来流行的一种新型教学模式。采用“翻转课堂”模式对农业工程专业的DSP技术与应用课程进行改革，针对课程中理论重难点及综合性实验录制了应用于该专业的教学视频。采用过程评价对“翻转课堂”所取得的教学效果进行评估。评估结果表明，“翻转课堂”教学模式有效提升了该专业学生对知识点的掌握程度，培养了学生的实验操作能力。
[关 键 词] DSP技术;翻转课堂;农业工程;过程评价
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2019）04-0094-02
一、引言
随着信息技术的不断进步，学习者可以不受时间、地点等因素的限制，随时随地通过互联网在线学习各种课程，知识的获取渠道变得更加多样化。翻转课堂教学模式正是在这一信息化的背景下出现的。作为一种混合式教学模式，翻转课堂将传统教学模式中“教师在课堂先讲授知识，学生课后完成知识内化”的结构颠倒过来，因此也叫“颠倒课堂”。在课前，学生依据教师提供的资料（如教学视频及课件）进行自学，掌握基本概念，针对课前自学遇到的问题，课堂上教师针对这些问题与学生进行讨论、解答，提高了教学效率，增强了教学效果。
在“翻转课堂”的教学模式中，学生是学习的中心，有利于激发并维持学生学习的兴趣，增强学习的主动性[1]。课前，教师自行录制视频来讲解教学内容，并将这些学习资料传给学生，可以让学生在课前就对课程内容有基本掌握，同时灵活的教学方式及优质资源也便于拓展课堂教学内容。学生课前就可以开始学习新的内容，无形中增加了课堂教学时间。课堂上，教师可以就重难点及学生的疑惑有针对性地开展教学活动，引导学生对问题进行思考，加强师生之间的探讨交流，提高课堂时间的利用效率，在这一过程中，学生基本可以完成知识的内化。课后，学生仍然可以根据教师提供的资料进行复习。
二、教学现状
DSP技术与应用是电子工程、电子科学与技术、通信技术及农业工程等专业的一门专业必修课，信息化教学模式下，DSP技术在农业工程实践中的应用不断扩大。该课程系统地讲授了C54x芯片的硬件结构、指令体系、开发流程等知识点，对物联网等技术在农业实践中的应用起基础性作用。然而，该课程存在知识点较多、概念复杂、汇编语言较为抽象、内容快速更新、综合实践性强等特征。DSP芯片功能模块多，内部结构复杂，对学生基础要求较高，需要有模拟电子技术、数字电路、单片机等课程的学习基础，课程难度大，内容抽象，学生学习积极性不高。该课程的课时为36课时，其中理论课为24课时，实验课12课时。以往的教学模式是教师主导上课过程，一味讲解理论知识，主要内容为DSP芯片各功能模块及汇编语言程序设计等，讨论和练习环节少。实验课采取的是教师讲述实验内容，演示实验步骤，学生简单进行验证，提交实验报告的教学模式[2]。原有的教学模式中，学生对学习内容缺乏感性认识，理论知识抽象不好理解，而实验课部分时间用在教师讲解实验过程上，减少了学生的动手时间，对实验过程简单化，没有充分调动学生学习积极性，教学效果不理想。
三、基于“翻转课堂”的DSP教学设计
将“翻转课堂”应用在DSP教学中，改进课程教学设计，主要是为了增强学生学习效果，夯实学生理论基础，提升解决问题能力、自学能力等核心学习素养。
由于学生的模电、数电、C语言编程等能力参差不齐，为掌握学生基础情况，进行层次化的教学设计，首先对学生情况进行调研。通过学情调研了解学生学期课程分布，学生感兴趣的教学方法，最重要是对学生编程设计、数字电路等课程的学习情况调研，从而合理设计教学视频，改良课程设计。
结合学情调研情况及课程特点，DSP课程教学组讨论最终确定了基于翻转课堂的DSP教学设计思路，针对DSP技术与应用的硬件结构、指令系统、开发工具、程序设计、片内外设接口及应用等章节以及重点实验内容分别制作了对应的教学视频及相关学习资料，供学生在课前学习，同时针对每章节的重难点在课堂上设置了不同的讨论主题，供学生讨论和提问。实验课则针对综合性实验录制在线教学视频，这样的实验课就可以落实“以学生为中心”的教学理念，锻炼学生的动手操作能力。
通过期末测验对“翻转课堂”所取得的教学效果进行评估。评估结果表明，“翻转课堂”教学模式有效提升了学生对知识点的掌握程度。
（一）基于“翻转教学”的教学资源设计
1.理论课教学视频录制
（1）绪论章节的课前在线学习视频录制
在绪论章节，学生主要通过视频学习建立DSP芯片的概念，同时需要了解DSP芯片的发展概况和特点、DSP芯片的分类、DSP芯片的应用及发展趋势等知识。此外，学生还应该通过视频学习了解DSP系统的构成、DSP系统的设计特点和设计过程等知识。需要学生掌握和记忆的知识点较多。其中，重点需要视频讲解的知识是哈佛结构及冯诺依曼结构的对比。其中哈佛结构是DSP芯片的关键知识点，对了解后续的流水线结构有非常大的帮助，应该重点讲解。此外，DSP现有产品简介也是重要的知识点之一，有助于学生以后在工程实践中选择合适的芯片型号。
（2）硬件结构章节的课前在线学习视频录制
在硬件结构章节，学生主要通过学习了解C54x的基本结构、外部特性和主要引脚、内部总线结构、中央处理器、存储空间结构和片内外设电路相关的知识。在以上知识点中，视频讲解需要重點关注的知识点是C54x的内部总线结构。由于C54x内部总线数量众多，学生对不同总线的功能很容易混淆，视频讲解过程中就需要辅以相关练习，帮助学生理解并掌握8组总线的功能和区别。在讲解过程中最好结合流水线运算这一知识点来讲解总线功能，这样学生能够同时掌握两个知识点，从而达到举一反三的效果[3]。 （3）指令系统章节的课前在线学习视频录制
在指令系统章节，学生需要掌握立即寻址、绝对寻址、累加器寻址、直接寻址、间接寻址、存储器映像寄存器寻址和堆栈寻址七种寻址方式，同时需要掌握常用的数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、程序控制指令、并行操作指令和重复操作指令。由于知识点众多，视频录制过程中不可能一一介绍。此外，尽管学生对C语言的二十几条指令已经相当熟悉，但是在短短一章的教学时间内熟练掌握两百多条DSP指令依然非常困难。因此在录制视频过程中要注重主次，最好将讲解重点放到七种寻址方式的区别以及实践中的常用指令上，而对不常用的指令一带而过。
（4）汇编语言程序设计的课前在线学习视频录制
在汇编语言程序设计章节，学生需要掌握汇编语言源程序格式、汇编语言中的常数与字符串、汇编源程序中的符号和表达式、堆栈和控制程序的使用方法等知识点。学生还需要掌握常用算术运算程序的编写，如加、减、乘、除运算等。对之前编程基础较弱的学生来说，直接编写汇编程序会比较困难。在本章在线学习视频的录制中，需要充分考虑这部分学生的学习需求，将重点放在已有程序的讲解上。对部分编程基础较好的学生，可以鼓励编写较难的程序以实现更进一步学习，如用C54x实现简单的计算器功能。
2.实验课视频资源录制
以往的实验课，教师在课堂上需要花费20分钟到半个小时的时间来讲解本次实验流程、试验方法、实验报告格式等内容，大大压缩了学生实际实验操作时间。在“翻转课堂”模式下的实验课中，以上内容均可通过学生在线观看实验讲解视频，在上实验课之前自行了解。这样，实验课上的时间可以为学生充分利用，同时也延长了学生和教师交流实验内容及教师解答实验操作问题的时间，提高了实验课效率。
（1）FIR滤波器实现实验的在线学习视频录制
在FIR滤波器实现实验中，重点需要讲解滤波器的参数如何算出。在视频录制过程中，最好先带领学生复习一下数字信号处理中滤波器设计章节的相关知识点，重点讲授不同窗函数条件下高通、低通、带通滤波器的设计流程以及相应的MATLAB语言实现过程。由于部分学生MATLAB语言基础相对弱，需要重点讲解MATLAB相关指令参数以及图形输出的含义。在汇编语言编程实现过程中，重点讲授线性缓冲区和循环缓冲区的区别及联系，防止学生混淆两种实现方式[4]。
（2）IIR滤波器实现实验的在线学习视频录制
在IIR滤波器的实现过程中，学生往往对数字信号处理中的二阶和高阶IIR滤波器结构不够熟悉，对直接型、标准型和变换型IIR滤波器结构区分不清。针对这一问题，在线学习视频录制过程中，首先需要带领学生复习数字信号处理课程中的相关知识点，分清不同滤波器结构的差异，再带领学生复习巴特沃兹、切比雪夫和椭圆滤波器的区别。只有掌握了相关的知识点，学生才能够熟练运用汇编语言实现相应的滤波器设计。
（3）快速傅里叶变换实验的在线学习视频录制
在FFT实验过程中，以往许多学生对于基本的蝶算概念掌握不牢，致使编程实现过程中出现许多基础性错误。针对这一问题，在线学习视频录制过程中需要重点讲解FFT的实现原理。此外，程序空间和数据空间的结构也是视频讲解中重点需要介绍的问题。
（二）“翻转课堂”课堂教学设计
结合“翻转课堂”的教学模式和DSP的课程特点，规划教学过程。其中主要分为两部分：课前和课中。课前教师通过在线平台发布学习要求及相应的学习资料、学生自学、在线讨论。课中教师依托学习任务及学生自学情况进行针对性讲解，学生完成课堂练习或实验任务，展示结果，教师进行点评
（三）“翻转课堂”教学评价设计
根据“翻转课堂”的教学模式，新的评价摒弃原有的考试评价模式，采用“过程考核”的方式进行教学评价，通过这一方法，更加调动学生的主观能动性，激发学习热情。“过程评价”采用对学生学习过程及呈现作品的教师综合评价，学生互评，自评的加权综合的方式。在课程结束后，对学生进行问卷调查及访谈，从学生的角度更加全面地评价教学效果，对这一课程的“翻转课堂”做进一步完善。
四、结语
“翻转课堂”已被大量案例证明是一种有效的教学模式。本文对使用“翻转课堂”这一新模式对农业工程专业的DSP技术与应用的教学进行了一些探索，针对不同讲授和实验章节设计录制了不同的在线学习视频，在教学实践中以学生为中心，最后通过过程评价对“翻转课堂”所取得的教学效果进行评估。评估结果表明，“翻转课堂”教学模式有效提升了学生对知识点的掌握程度及动手操作能力，有利于学生工作后，把DSP技术应用在各种实践中，把该技术更好地应用于农业工程自动化的实践中。
参考文献：
[1]何丽玲.翻转课堂在我国高校应用述评[J].高教论坛，2018（6）：72-75.
[2]程义军，楼国红.基于微课翻转课堂的DSP实验教学的研究[J].西部素質教育，2017，3（15）：169-170.
[3]乔倩，张存喜，刘娟意，等.基于翻转课堂的“DSP原理及应用”教学改革浅尝[J].山东工业技术，2018（22）：219，236.
编辑 武生智
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