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北京中科泛華測控技術(shù)有限公司 高校產(chǎn)品經(jīng)理 周斌
引言
去年6月，教育部發(fā)布了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，旨在未來10年內(nèi)培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高質(zhì)量復(fù)合型的工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強(qiáng)國戰(zhàn)略服務(wù)。為了更好地培養(yǎng)中國未來的工程師，無論是院校還是教師，都迫切需要以一種“面向未來”的姿態(tài)去重新審視舊式的教學(xué)方式、理念和工具，并努力探索一條更先進(jìn)、實(shí)用與創(chuàng)新之路。
傳統(tǒng)教學(xué)模式PK創(chuàng)新教育平臺nextpad
對于工程教育而言，教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新是必不可少的三個(gè)內(nèi)容（圖1）。課堂教學(xué)是學(xué)生接收知識最直接、占用時(shí)間最多、最易影響學(xué)習(xí)效果的環(huán)節(jié)。就目前我國高校工程教學(xué)的整體方式而言，老一套純公式推導(dǎo)和板書式教學(xué)還占據(jù)著主導(dǎo)地位，而這種教學(xué)方式往往導(dǎo)致學(xué)生無法對知識點(diǎn)進(jìn)行透徹的理解，更無法引起學(xué)生對課程的興趣和求知欲。因此，將傳統(tǒng)呆板、抽象、沉悶的課堂教學(xué)方式向活潑、形象、互動的方向轉(zhuǎn)變，勢必成為未來10年工程教育教學(xué)模式的發(fā)展方向。鑒于此，本文將從如何改變老套教學(xué)方式入手，對工程教育教學(xué)的發(fā)展提出一些新的思路，并探討一些更行之有效的解決方案。
圖1
據(jù)調(diào)查，大部分理工科師生表示，直觀、交互與生動是師生們最為關(guān)注和期待的授課方式。課堂教學(xué)的根本目的在于讓學(xué)生在課堂中掌握所應(yīng)掌握的知識點(diǎn)，但在現(xiàn)實(shí)教學(xué)過程中，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已不足以滿足學(xué)生對知識的好奇，更消耗不起大量的時(shí)間反復(fù)演示某一個(gè)實(shí)驗(yàn)，因此，直觀、交互、生動的教學(xué)方式往往只能讓人望書興嘆，知識點(diǎn)的掌握率更是大打折扣。
要有效地解決這個(gè)問題也不是完全沒有辦法，我們不妨從一些最經(jīng)典的教學(xué)實(shí)例入手，換一種思路來思考如何提高課堂教學(xué)效果，或許會得到另一種感悟和提高。以關(guān)于FFT（傅里葉變換）知識點(diǎn)的教學(xué)為例：傳統(tǒng)的教學(xué)方式是在黑板上進(jìn)行一系列的推導(dǎo)，最后手繪出一個(gè)頻譜曲線，這種做法對于FFT教學(xué)而言是一個(gè)必要過程，只有這樣，學(xué)生才能了解到傅里葉變化的整個(gè)過程是如何一步步實(shí)現(xiàn)的。這雖是原理級別的必要教學(xué)過程，但卻不是最有效的。在授課過程中，很多實(shí)際的教學(xué)就僅僅停留在這一階段，造成了學(xué)生只是被動地了解知識點(diǎn)的表面部分。學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)只是被動地灌輸，根本無法達(dá)到舉一反三和融匯觀通的效果。
細(xì)究起來就不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的工程教學(xué)方式是停留在某個(gè)點(diǎn)上的教學(xué)，老師在講解時(shí)也只是對某個(gè)知識點(diǎn)的講解，難免枯燥乏味。如在上述的FFT的教學(xué)中，學(xué)生只看到了一種函數(shù)的傅里葉變化，但是如果學(xué)生要求老師更換一個(gè)參數(shù)再進(jìn)行演示，老師就必須再次重新進(jìn)行推導(dǎo)，既耽誤時(shí)間，也不利于教學(xué)效率的提高。為了讓學(xué)生能更深入地了解函數(shù)的傅里葉變化，老師就需要將課堂知識點(diǎn)的講解從一個(gè)點(diǎn)延伸到一個(gè)面。同時(shí)，借助于一種新型的教學(xué)平臺，讓知識點(diǎn)更形象、生動地表達(dá)。
圖2
針對以上問題，北京中科泛華測控技術(shù)有限公司（簡稱：泛華測控）開發(fā)設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)新性工程教育平臺——nextpad（下載地址：nextpad.wordpress.com）。nextpad是一個(gè)全新的、完全免費(fèi)和開放的軟件平臺，它可以不斷地融合各種優(yōu)秀演示與課件程序，從而提供給教師現(xiàn)成可用的資源使其教學(xué)更為生動、直觀與交互。
在本軟件中，老師可以在課堂上隨意地展示各種與信號處理相關(guān)知識點(diǎn)的概念演示程序。（如：圖3是nextpad中的SignalLab界面，您也可在優(yōu)酷網(wǎng)站中搜索SignalLab，直接觀看本程序的視頻演示）。一方面，教師通過波形圖、按鈕等易于理解和操作的形式，可以讓學(xué)生更直觀地看到各種信號處理所得到的結(jié)果是怎么樣的；另一方面，教師也可以很簡單地改變整個(gè)演示中的各種參數(shù)，讓學(xué)生即時(shí)了解到參數(shù)的變化對所得到結(jié)果的影響，從而讓學(xué)生以一個(gè)面的角度去了解知識點(diǎn)，并有利于學(xué)習(xí)效率的提升。從這個(gè)例子中，我們可以充分地理解到直觀和互動對工程教育效果的價(jià)值所在。
圖3
nextpad的三大特性
直觀性是nextpad三大特性之一，指的是nextpad可以將原本枯燥的數(shù)據(jù)公式，通過圖片、波形等直觀的方式有效表達(dá)出來。比如：把單純的數(shù)字結(jié)果用波形圖的方式表達(dá)出來，或者把單純的是否發(fā)生混疊用一個(gè)LED燈直接顯示出來，都是nextpad直觀性的表現(xiàn)，這也給了學(xué)生一種更為直接的接受體驗(yàn)。
在圖3的演示視頻中，學(xué)生可以看到各種信號處理相關(guān)的知識點(diǎn)是如何通過這套演示軟件中直觀的顯示控件來表達(dá)各種波形圖的。相比于傳統(tǒng)的黑板或者PPT而言，學(xué)生可更直接地感受到信號處理的結(jié)果。
交互性，顧名思義就是觀眾也可以參與，就像界面中所展示的一樣，每一個(gè)演示程序都允許學(xué)生改變各種參數(shù)（包括輸入信號、窗類型、截止頻率等等），通過這種動手的操作和觀察隨之而變的結(jié)果，學(xué)生可以一種主動參與的姿態(tài)更好地接收和理解知識。
除了直觀和交互之外，生動性也是nextpad的創(chuàng)新性之一。我們反思，為什么有些課程學(xué)生會感覺比較枯燥，而有些課程學(xué)生聽起來的興趣十分濃厚？這就是因?yàn)闊o趣的課程往往內(nèi)容不夠生動，有意思的課程則很可能是某個(gè)老師會常在課堂上舉一些生動的小例子或者做某個(gè)演示，讓學(xué)生深刻地感受到知識點(diǎn)是如何應(yīng)用在實(shí)際情況中的。nextpad就像是這個(gè)講述生動例子的老師，把生動帶給每位學(xué)生。
圖4
舉一個(gè)比較生動的例子：對于圖像處理算法的教學(xué)，除了一系列的板書之外，有沒有其他既可保證算法的準(zhǔn)確，又能保證圖像處理直觀生動的實(shí)現(xiàn)方式呢？答案是：有的。為此，我們設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用程序，如圖4，它是一個(gè)人臉美容的程序（詳細(xì)使用，可在優(yōu)酷網(wǎng)中搜索nextpad應(yīng)用程序face）。通過這個(gè)程序，學(xué)生就可以印象非常深刻地理解到圖像處理算法到底能從事什么樣的應(yīng)用，從而讓學(xué)生真正地融入知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)中。
從上述教學(xué)方式中我們可以感受到，這種相對直觀、生動、新穎的教學(xué)方式是極具研究價(jià)值的。此平臺的設(shè)計(jì)靈感來源于《哈利.波特》中的魔法課本，在魔法的世界里，人們看的報(bào)紙都是可以活動的，那么對于教學(xué)課件，是否也可以做成這種方式呢？傳統(tǒng)的課件就是一個(gè)個(gè)生硬的ppt文件，打開后盡是無窮的字、圖和公式，我們只能靜態(tài)地去進(jìn)行復(fù)習(xí)和學(xué)習(xí)，如果能讓課件活動起來，在閱讀的同時(shí)又可以有動態(tài)的演示，無疑既是一種全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，又是一種新的課件革命。
開放的創(chuàng)新教育平臺——next計(jì)劃
nextpad僅僅作為一個(gè)平臺是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，其中內(nèi)容的豐富性才是至關(guān)重要的。針對于此，我們也嘗試通過發(fā)動所有LabVIEW技術(shù)愛好者一起參與程序編寫，讓平臺更加豐富（即next計(jì)劃，詳情請見nextpad.wordpress.com）。next計(jì)劃也使得nextpad具有了開放性，這種集眾家所長的做法叫做Crowdsourcing，即眾包。這種眾人拾柴的方式也已有過不少的成功先例，如：維基百科就是由大眾進(jìn)行內(nèi)容填入而豐富起來的平臺。
next計(jì)劃的優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：
1，每一個(gè)人所做的努力和貢獻(xiàn)都能以累加的方式積累。如果我們把每個(gè)人的努力都累加在一起，所產(chǎn)生的結(jié)果將具備一定規(guī)模，且這些結(jié)果也還不會因?yàn)槿魏我蛩氐母淖兌蝗幌Ш蜌w零。所以，只要有人愿意為工程教育的改進(jìn)而添加進(jìn)來一點(diǎn)力量，我們將保證其努力絕對不會白費(fèi)。
2，通過眾包，可以讓每個(gè)學(xué)科方向的專家為自己的專業(yè)編寫nextpad教學(xué)演示。例如：一個(gè)關(guān)于人工智能的教學(xué)演示，雖然有人具備開發(fā)水平，但沒有專業(yè)知識背景，通過眾包，則可找到這樣的專業(yè)人士來開發(fā)和編寫，真正達(dá)到眾志成城！
總結(jié)而言，直觀性、互動性與生動性，是工程教育課堂教學(xué)的三個(gè)值得發(fā)展和探索的方向，而針對這一發(fā)展理念，我們也做了第一步嘗試性的探索，值得欣喜的是，目前 nextpad 全國下載量已超過1000次，其中的優(yōu)秀應(yīng)用程序也已超過50個(gè)。相信在不久的將來，這個(gè)平臺將具備更大的規(guī)模與更多優(yōu)秀的內(nèi)容，從而真正助力于中國的工程教育，培養(yǎng)面向未來的卓越工程師。
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