混合式教學實踐中的“134N”范式探索與應用
——以《數字信號處理》課程為例

蔣 芳,屈 磊,朱 軍

安徽大學電子信息工程學院,安徽合肥,230031

隨著大數據、云計算、人工智能等新興產業的興起,新技術不斷涌現,新經濟形態的不斷發展,對于人才的要求從單純的知識型,轉變為工程型、創新型、素質型和交叉型等復合型需求[1-2]。傳統的教學模式不適應“新工科”背景下對于高素質復合型人才的培養需求[3-4]?！督逃筷P于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》明確提出,以學生發展為中心,大力推進智慧教室建設,構建線上線下相結合的教學模式[5]。各類慕課(MOOC)、小規模限制性在線課程(SPOC)、超星等平臺的出現為傳統教學模式的改變提供了信息化的手段[6-7]。如何合理運用信息化的教學手段對傳統課堂教學方式進行改造,實現線上與線下課堂有機融合,提升學生的自主性學習動力,提高人才培養的質量需要積極探索。

1 數字信號處理課程學情分析

數字信號處理是電子信息類各專業的一門重要專業基礎課程,授課對象面向具有一定專業知識儲備的大三上學期的學生,主要學習信息的數字化處理技術基礎。本課程在信號系列課程中承擔著從連續到離散、確定到隨機、一維到高維的重要承前啟后功能?；诮?年持續跟蹤的隨堂、期中與期末測試成績的數據分析,發現本門課程具有以下學情特征:

(1)基礎知識厚,高階知識薄。學生對于離散時間信號的概念、常見離散時間信號的特點及相互表示方法,系統線性、移不變、因果和穩定性的判斷等基礎知識掌握牢固。相對的,對于利用多個基礎知識分析離散時間系統輸出響應的高階知識薄弱。

(2)專項運用強,綜合實踐弱。利用DFT分析信號的傅立葉變換,利用FFT及IFFT計算分析信號頻譜的方法等專項知識的運用能力強;而對于根據應用場景設計IIR和FIR濾波器,通過現代軟件工具仿真實現數字濾波器的綜合實踐能力不足。

出現以上特征的主要原因在于:

(1)學習能力強但課堂學時緊。課程面向的對象是電子信息類專業大三上學期學生,完成了前期《信號與系統》《復變函數》《電路分析基礎》等課程的學習,知識儲備足,學習能力強。大三上學期同期有《微機原理及應用》理論課/實驗課、《通信原理》理論課/實驗課、《微波技術》理論課/實驗課等重要的、難度較大的專業課。本門課程學時為54學時,3節/周,課堂學時較為緊張。

2 “134N”線上線下混合式教學模式構建

結合學生的學情分析,根據新工科培養高素質復合型工科人才的建設方案及本校專業特色,本課程在教學改革實施中需要重點解決的問題如下:

(1)見樹木不見森林。本課程在信號系列課程中承擔著從連續到離散、確定到隨機、一維到高維的承前啟后重要功能,知識點看似分散,實則相互關聯,分析、設計思路在前后期多門課程中既一脈相承,又自成體系,導致學生在學習過程中易出現見樹木不見森林,難以建立信號類課程完整知識體系的問題。

(2)同步激勵,異步響應。本課程具有承前啟后的特點,與《信號與系統》課程強關聯,學生起點不同,同步一致的教學方式不適應差異的個體,易導致學生成績兩極分化。教學實施與產出之間存在教師同步激勵、學生異步響應的問題。

(3)價值引領成效不強,教學產出單一。課堂學時緊張,教學和考核偏重理論知識,導致學生學習的內驅力來自考試分數而不是綜合素質的提高,課程的價值引領效果有待提升。

為滿足學生需求,課程組構建了“134N”線上線下混合式教學模式,如圖1所示。課程教學以學生為“1”中心;重塑教學結構,打破傳統課堂課前、課中與課后的分界,采用“線上-看”“線下-辨”“線上-提”的 “3”階循環教學;教學手段“4”結合,線上與線下循環教、講授與討論翻轉教、教學與科研互促教、理論與實踐結合教;以產出為導向,建設PBL項目資源庫、教學視頻庫、思政案例庫,完善評價方式,促進“N”層次產出,助力學生成長為高素質復合型人才。具體采用了以下三個針對性的舉措:

圖1 “134N”線上線下混合式教學模式

(1)“看辨提”的“3”階循環式教學結構。建立數字信號處理課程的完整知識圖譜?；谥R圖譜,將課程內容分解為5個知識單元,每個知識單元的內容按照內在關聯性和難易度分解為低、中、高三階。

線上-看。低階內容基于基礎概念的分立知識點,學習方式采用線上-看,學生看書本、PPT課件、數字信號處理在線慕課、調取教學視頻庫中的微課視頻進行學習。

而對于唯一性問題，1999年， Mischler和Wennberg首先在硬勢和角截斷條件下得到了一個最優的結果，即如果初值質量和能量有限， 能量保持守恒的解一定是唯一的[8].但是Wenenberg通過具體的例子表明方程存在能量增加的解[9].Toscani和Villani利用概率空間里的一個距離在麥克斯韋勢、非角截斷條件下得到了解的唯一性[10].最近，Desvillettes和Mouhot在初值滿足一定條件下，在硬勢及非角截斷情形下得到了解的唯一性[3，11].

線下-辨。中階內容為關聯了若干個知識點的教學內容,如序列的復雜計算、變換、頻譜分析等,學習方式采用線下-辨,通過教師課堂引導,深入連接,結合項目展示和討論,并有機融入課程思政,連點成線,“辨”其本質。

線上-提。高階內容為綜合應用和提升內容,學習方式采用線上-提,通過在線查閱資料、小組協作、師生共創完成PBL項目庫中的項目,擴線為面,“提”升分析應用能力、創新能力。

一次線上-線下-線上的循環教學,能夠完成若干具有關聯度的知識點學習并進行連接、應用和創新。每一次內循環的完成又作為下一次內循環的起點,循環迭代,建立起整門課程完整的知識體系。

(2)教學手段“4”結合。如圖2所示,通過多樣化的教學資源庫支撐多元化的教學手段,通過多種手段的激勵,使學生“忙起來”,小組合作完成PBL項目,形成組內互助,調動部分低預期學生的積極性和參與度。

圖2 “134N”線上線下混合式教學模式

通過在課程教學中引入安徽大學在線教育平臺、MOOC平臺等在線教育平臺,實現線上與線下循環教;通過雨課堂、QQ群等智慧工具的使用,實現講授與討論翻轉教;通過建立PBL項目資源庫、教學微視頻庫、思政案例庫以及matlab、python、CCS集成開發環境的使用,實現理論與實踐結合教、教學與科研互促教。

(3)以產出為導向,“N”位一體協同發展。建設三個資源庫,多類型項目引導,促進“N”層次教學產出,學生協同發展。

PBL項目資源庫。利用MATLAB軟件和CCS集成開發環境,教師設計或者根據科研項目需求,給出項目案例,學生分組完成,在教學過程中幫助學生建立立體知識框架,培養復雜工程問題的解決能力和團隊協作意識。

教學視頻資源庫。教師根據評價反饋,針對學生未掌握但是非共性的知識點,錄制教學視頻,或推薦在線視頻,供學生自主選擇觀看,培養學生主動學習能力。

思政案例庫。結合課程內容,選取若干個知識點,設計思政案例,變教為導,強化學生的社會責任感和家國情懷。三個資源庫協同作用,促進了學生復雜工程問題的解決能力、主動學習能力、團隊協作意識、社會責任感等多方面能力的提升和意識的增強,從而實現學生綜合素質的“N”位一體協同發展。

3 混合式教學實踐

3.1 教學實施

教學實施上采用“看辨提”三階循環,從線上到線下再到線上的循環,具體實施方式如圖3所示。

圖3 “看辨提”三階循環教學實施方式

線上-提階段,主要采用學生看視頻、PPT、線上討論、教師參與答疑,通過事先發布的測試題和作業題對學生進行評價;線下-辨階段,教師和學生輪轉講授和討論,教師講授重難點部分,學生進行探究式小組討論和展示,教師示范性點評,通過隨堂測試、學生互評、教師評價的方式進行考核;線上-提階段,回歸線上,小組基于PBL項目進行學習,線上查閱資料、討論、以項目報告、學生評價、老師評價的方式進行考核。

3.2 教學資源建設

為保障混合式教學的實施,課程組進行了線上教學資源儲備。在安徽大學在線教育綜合平臺上搭建了課程網站,線上線下混合教學示范班有學生50人,課程訪問數2 216次,資源利用率較高。目前已經建有自制的30個微課視頻資源,在安徽大學在線教育平臺上供學生選擇使用,計劃繼續錄制新的視頻資源,豐富教學視頻資源庫。為提高學生的實踐能力,課程組設計了10個PBL項目,可供實踐教學和科研拓展使用,也將陸續更新。針對價值引領和人格養成,課程組設計了思政案例庫,有4項案例獲得了“安徽大學課程思政百佳優秀案例”。

3.3 評價方式

為了充分調動學生學習的自主性,發揮線上線下混合式教學的特點[8],依據過程可評價、適當激勵消極個體的原則,課程組制定了如表1所示的評價規則,過程考核落腳點在平時成績。低階線上內容的學習依據雨課堂和SPOC平臺教師批改數據打分;為了激勵消極個體,在弱合作的線下探究式課堂評價環節,設置了調節因子F,對于每組排名前20%的匯報同學,成績乘以0.8,對于每組排名后20%的發言同學,成績乘以1.2。

表1 混合式課程評價方式表

4 實施成效

以目標達成度數據為依據分析實施成效。2019級通信工程教學1班是本次探索混合式教學的試點班級,從課程目標達成度值和目標達成人數的占比兩方面的分析,三項課程目標均較教改前有所提升。其中課程目標3為本課程在培養學生綜合實踐能力方面設置的目標,能使用現代軟件工具完成通信系統中數字濾波關鍵子系統的設計/開發,經過線上線下混合式教學的實踐顯示,這部分的目標達成度較以往顯著提高。

5 結 語

基于“新工科”背景下對于培養高素質復合型人才的需求,針對數字信號處理課程的教學痛點,課程組構建了基于“134N”的線上線下混合式教學新范式,設計了“看辨提”三階循環教學實施結構,對數字信號處理課程的混合式教學進行了探索與實踐。一輪授課周期結束后,針對學生考核結果的課程目標達成度分析顯示,達成度獲得了有效提升?！?34N”教學范式能夠幫助學生夯實理論基礎,鼓勵學生分組協作、主動拓展,實現立體知識框架的建立、復雜工程問題解決能力、團隊協作、主動學習等綜合能力“N”位一體協同提高。