“信號與系統”在線課程的探索與教學實踐

朱娟娟， 郭寶龍

(西安電子科技大學 空間科學與技術學院， 陜西 西安 710071)

“信號與系統”在線課程的探索與教學實踐

朱娟娟， 郭寶龍

(西安電子科技大學 空間科學與技術學院， 陜西 西安 710071)

本文從“信號與系統”專業基礎課的教學目標為出發點，探討在線課程的建設內容和教學方法。由于在線資源使用的輔助，既發揮教師引導、啟發、監控教學過程的主導作用，又充分提高學生的主動性、積極性和創造性。實踐表明，合理使用在線開放課程，這種混合式教學模式能提高教學質量，和學生的工程實踐能力。

在線課程；慕課；混合教學

0 引言

隨著互聯網的MOOC教學帶來的競爭，高校都在探討網絡教學模式的改革和探索。在線課程的精心建設、合理使用、創新模式的推出，使得傳統課堂和網絡資源互相碰撞，不斷產生新的火花[1]。

“信號與系統”課程是一門專業基礎課，其理論結構復雜，知識體系完整[2]。傳統課堂教學的核心是講解理論，公式演算，學生學習較為被動，且由于課時有限等原因，課堂上難以進行討論或者翻轉[3]。隨著中國高校開始逐步重視公開課程的建設，一大批優秀的在線學習網站相繼涌現，進一步豐富了教學資源。我校的“信號與系統”課程作為國家精品課程，從課程資源共享課建設開始，經歷了推出“西電學堂”，到現在在“中國大學MOOC”網絡上課程發布，進行了一系列的探索和實踐。教學效果表明，以傳統教學為背景，以在線資源使用為輔助，這一新型的混合教學模式能夠發揮學生的主觀能動性，教師的職責也由單方向講解轉為交互性指導，從而有助于提高教學效果，實現人才培養目標[4，5]。

1 在線課程的建設

1.1課程網站框架的設計

網站平臺發布整個課程體系，其主要結構如圖1所示。

圖1 網站框架

圖1中，“課程信息”欄目主要包括“課程概述”、“證書要求”、“教師簡介”和“預備知識”；“授課大綱”欄目包括“教學大綱”和詳細的“教學日歷”；“參考資料”欄目介紹課程參考用書和相關在線資源；“常見問題”欄目主要對課程性質、前期基礎和后期拓展的問題進行解釋。課程MOOC平臺提供了基本的教學資源，包括知識點視頻和課件，可供學生下載和查看；每周的課后作業采用學生互評、教師審核的方式進行成績評定；討論區體現了教學互動性；通過發布公告來預告每周學習內容，指導學生按照進度來進行學習；考核方式為在線考試。

1.2建設思路

在線課程建設需要對所需的資源進行整理、規劃和設計，使得最終的開放資源實現網絡化、可視化、理論工程化和學習即時化[6]。

我們“信號與系統”課程教學團隊參與建設了“西電學堂”、“中國大學MOOC”等線上支撐資源，提供的線上資源覆蓋了“信號與系統”的200多個知識點。對課程中主要的難點和要點，配置了大量動畫資源，并與知識拓展、微課視頻、案例分析和Matlab仿真相融合。學生對線上資源均可實現移動設備的便捷訪問，可以隨時隨地觀看視頻、瀏覽課件。此外，在線資源可以滿足不同層次學生的需求，并能實現動態修改與添加，進而靈活地擴充教材的深度和廣度且能實現師生之間和學生之間的實時互動交流。

1.3具體建設內容

開放課程建設將知識點的講解錄制成微視頻并實現網上共享，以提高課程教學的先進性、科學性和教學示范性。

(1)建設“信號與系統”課程網站，完善功能、建立知識點目錄，所有的知識點貫穿整個“信號與系統”課程，有利于學生自主學習時進行知識點查找。

(2)完善電子教案素材，突出動態演示特點。對基本概念，例如：信號波形的時間運算、卷積積分圖解過程、周期信號頻譜分析、采樣定理等，以動畫或者小視頻進行動態演示取得生動活躍的講解效果。再如在知識點“周期信號頻譜特性分析”的教案中(http://weike.enetedu.com/play.asp?vodid=174227&e=3)，利用逐步分解的動畫，演示頻譜繪制過程；對頻譜的特點：離散性、時頻寬度相反特性和收斂性，直接利用仿真實驗加工成小視頻，將參數變化引起的頻譜變化突出顯示，形象生動。

(3)以知識點和工程案例深入研究和關聯研究為主線，構建新型的信號與系統知識體系，有效壓縮一些傳統的、過時的內容，增加一些適應現代信息科學發展必要的基礎知識點和突出工程原理的案例教學等，以適應“培養工程應用型人才”的需求。具體來說，刪除或者簡化的知識點主要包括：沖激函數的廣義函數定義、復雜微分方程的系數匹配法求初始值、時域的經典解法、三種變換的性質；增加的知識點主要包括：多徑傳輸失真、斐波那契(Fibonacci)數列、白噪聲模型、音頻信號采樣和量化、音響反饋系統模型、自動控制系統舉例、數字濾波器簡要分析等。

(4)在內容編排上提高課程知識系統性：通過聯系各章知識點，培養學生用系統的觀點綜合看待問題的能力。建立“由時域分析到變換域分析”、“由基本信號到一般信號”等循序漸進的知識演進體系，采用“連續與離散”、“輸入輸出分析與狀態空間分析”等加強類比的教學原則，有效提高課程的系統性。

(5)增加Matlab等仿真工具的演示環節，在知識點講解過程中，盡量利用軟件求解信號與系統中的問題，簡單編程并直觀顯示結果，增加學生對知識點的理解，達到更好的教學效果。教案中一共設計了20個Matlab仿真實例，主要有：信號的繪圖、響應求解、卷積求解、頻譜繪制、采樣和量化、巴特沃斯濾波器設計、零極點繪制、狀態方程求解等。課堂上僅作效果演示，將程序源碼交給學生課后學習和操作；還給實驗班布置音頻信號分析大作業，需要完成5-8個Matlab程序，實現不同功能，從而提高學生的綜合實踐能力。

(6)根據知識點譜系，按照章節順序，錄制微視頻，每個知識點視頻的時間5-10分鐘。視頻制作應多樣化，可以是教師自己采用專業軟件錄制的講解視頻，也可以是記錄教師在課堂內圍繞某個知識點或教學環節而開展的教學活動的全過程。

2 教學模式的實施

我?！靶盘柵c系統”課程教學實踐改革采用的是“網絡教學資源+課堂教學+項目教學”的架構，如圖2所示，其教學效果良好。具體教學模式為：課前借助網絡資源預習，課堂講授，課后借助網絡資源復習、做作業。

圖2 混合式教學探索實踐

首先，學期開始的第一堂課上便公布整個課程的教學計劃，包括教學目標、教學內容、教學方式、教學活動安排和教學評價方式等。在慕課平臺(http://www.icourse163.org/course/XIDIAN-483006#/info)上，公布詳細的教學日歷，每周發預習內容的公告。對于基本資源，學生可選擇性地觀看；對于拓展工程案例資源，學生必須提前觀看視頻，了解相關背景知識，以提高課堂教學的效率。

教師在課堂講授過程中，以問題為導引，強化知識主線，圍繞“基本信號、基本響應、系統分析”三個關鍵問題來講解。課堂教學增加提問和互動，教師根據學生的反饋和課前預習效果，適當側重于重要知識點和拓展知識點的進解。通過啟發討論、課堂演示、案例實踐、仿真操作等教學活動，增強學生主動探索學習和研究性學習的能力。另外，教師選擇網絡討論區里學生的提問，課堂答疑解惑，及時輔導學生，提升教學效果。

課后，教師在線發布每周作業、在網絡討論區答疑；學生課后利用網站資源進行復習、提交作業、在線討論、提出疑問。每周作業以計算題型為主，涵蓋了大綱的主要知識點；階段性的項目型開放作業，學生需要結合拓展資源的相關案例，自主尋求解決方案。在這一過程中，師生均可以在討論區進行互動，通過線上/線下的交流，突破時間和空間的限制；充分調動起學生的主觀能動性，培養學生的實踐能力。

另外，在實驗班中，采用了“大班上課，小班輔導”的教學模式。大班授課以講授經典理論和典型分析方法為主，時長為52課時；小班輔講以講授具體問題、分析技巧、典型案例以及學科前沿進展簡介等內容為主，同時還包括對典型習題和考前難題的講解，共計安排12學時。課程團隊對大綱進行梳理優化，制定了詳實的課程實施方案和計劃；主講和輔講的內容同步，兩者交叉進行；班級分為若干小組，組長負責收集疑問、意見、討論結果等，匯總給輔導教師處理；輔導教師梳理共性問題匯總給主講教師，在大班授課時進行針對性地點評和進一步解惑。通過四個班次的試點運行，達到了良好的效果。

針對這種混合教學模式，需要對學生的學習效果進行綜合評價。在線作業的完成情況、在線討論的活躍度，均作為評定成績的一部分，可作為平時成績；理論成績采用傳統的期中和期末考試來進行評定；另外，項目型大作業的考核方式較為靈活多樣，可以采用專題討論、學習小結、實踐報告和仿真實現等。

3 應用情況

我校首門MOOC課程——“信號與系統”，在“愛課程-中國大學MOOC”網站上發布，校內平均每年有20個“信號與系統”班共約2000多名學生受益；網站兩門課程五輪次的發布，已累計吸引1萬多人次參與學習。校內組織建立學生興趣俱樂部，學生主動探究學習的熱情高漲，例如在案例實踐中，學生主動提出“語音信號中非平穩信號分析”的討論。推動了學生主動參與科研活動，再如2016年卓越試點班中開放的研究型項目覆蓋面達到100%，涌現出省級/國家級創新項目團隊10余個。調查表明，學生普遍認為在線資源混合式教學有助于提高學習興趣，提升解決問題的能力。

4 結語

“信號與系統”是一門知識體系巨大、學科間呈上啟下的專業基礎課，在電子信息類專業課程中占有重要的基礎地位。

(朱娟娟等文)

本文系統地闡述了我校面向在線開放課程建設的“信號與系統”課程教學改革，從資源建設設計、教學模式實施、應用情況三方面進行論述。借助教育信息化的發展，提高課程的先進性、科學性和教學示范性，促進了教育觀念的更新和教學模式的重塑。實踐表明，合理使用在線開放資源，顯著提升了學生的學習興趣和實踐能力，并有效提高了教學質量。

[1] 呂瑞蘭, 解培中. 網絡教學模式的探索和實踐[J]. 北京: 北京郵電大學學報(社會科學版), 2013, 15(3): 26-30.

[2] 郭寶龍,朱娟娟等.信號與系統課程可視化教學的實踐探索[J]. 南京:電氣電子教學學報, 2010, 32(5):62-64.

[3] 陳后金, 胡建. 信號與系統網絡課程教學的改革與探索[J].南京: 電氣電子教學學報, 2013, 35(3):40-41, 46.

[4] YaXun Zhou, Jianfeng Dong, Xingbin Zeng, Gangyi Jiang. Application of Matlab Notebook in the Course Teaching of Signal and System [A]. 2014 2nd International Conference on Teaching and Computational Science (ICTCS 2014) [C]. Shenzhen, China: Information Engineering Research.

[5] Yang zhonglin, Ouyang Hua. Exploration of the Teaching Reform and the Establishment of the Curriculum Group of Signal and Information Processing [A]. Computer Science and Electronic Technology International Society[C]. Nanjing, China, 2013.

[6] Zhu Juanjuan, GuoBaolong and Yan Yunyi. MOOC blended teaching reform in course of signal and system[C].2016 Global Conference on Teaching and Learning with Technology (CTLT 2016), Singapore.

ExplorationandTeachingPracticeofOnlineCourseofSignalandSystem

ZHUJuan-juan,GUOBao-long

(SchoolofAerospaceScienceandTechnology,XidianUniversity,Xi′an710071,China)

This paper discusses a novel approach to online resources construction from the viewpoint of teaching objectives of Signals and Systems course. Supported by the website, the blended teaching method combines the advantages of class-based teaching and online resources-assisted teaching. It includes teacher′s leading role in guiding, enlightening and monitoring. It also aims to improve student′s performance of activity, positivity and creativity. Teaching practice shows that teaching reform based on the proper use of online course would further improve teaching quality and students′ practical capabilities.

online courses; MOOC; blended teaching

2016-10-09;

2017-05-02

西安電子科技大學本科教育質量提升計劃項目(項目編號：B07)

朱娟娟(1980-)，女，博士，副教授，主要從事“電路分析基礎”、“信號與系統”教學和MOOC開放課程建設，E-mail：zhujoo@126.com

G420

A

1008-0686(2017)05-0036-04