“陣列信號處理”線上混合式教學(xué)設(shè)計與實踐

孔曉鵬 姚直象 程廣利

摘 要 為提高學(xué)員的自主學(xué)習(xí)能力，達到構(gòu)建課程知識體系、拓展專業(yè)知識和形成專業(yè)思維的教學(xué)目標，按照“遠程教學(xué)、知識拓展、自主學(xué)習(xí)、階段考核、教學(xué)反饋”的教學(xué)模式，以“思維導(dǎo)圖你來畫”“教學(xué)內(nèi)容你來找”“文獻研授你來做”的方式，采用“BOPPPS”模型，通過整合、優(yōu)化線上教學(xué)資源，水聲工程專業(yè)基礎(chǔ)課程“陣列信號處理”進行了線上混合式教學(xué)實踐。

關(guān)鍵詞 專業(yè)課程 線上教學(xué) 教學(xué)設(shè)計 混合式教學(xué)

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.03.046

The Online Hybrid Teaching Design and Practice on Array Signal Processing

KONG Xiaopeng， YAO Zhixiang， CHENG Guangli

（Naval Engineering University， Wuhan， Hubei 430033）

Abstract By aiming at improving the autonomous learning ability， constructing the professional knowledge system， and forming the course subject consciousness of students， this course has been hybrid teaching practiced online followed by "remote teaching， the development of knowledge， and autonomous learning， stage assessment， teaching feedback" teaching mode， with painting mind maps of course knowledge， seeking the teaching content as well as using "BOPPPS" teaching model， the basic professional course "Array Signal Processing" of Underwater Acoustic Engineering was actively taught online.

Keywords specialized courses; online teaching; instructional design; hybrid teaching

0引言

隨著信息化技術(shù)特別是互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)的快速發(fā)展，信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的教學(xué)模式成為教學(xué)改革的重點范式。[1-2]經(jīng)過近年來的努力，我國已經(jīng)建成了諸如“網(wǎng)易云課堂”“愛課程網(wǎng)”“中國大學(xué)MOCC”“學(xué)堂在線”等多個網(wǎng)絡(luò)課程平臺，集合了全國高等教育院校的精品課程，他們在新冠疫情期間發(fā)揮了重要的作用，有效減輕了線下教學(xué)任務(wù)。[3]“學(xué)員觀看精品課程視頻資源、習(xí)題測試、教員對重難點知識串講”成為多數(shù)高校教師線上教學(xué)活動的主要模式。然而，對于尚未建立線上課程或線上教學(xué)資源短缺、不符合人才培養(yǎng)方案的專業(yè)課程而言，高校教師主要采用線上直播授課的方式進行。

與線下教學(xué)不同，線上教學(xué)易受網(wǎng)絡(luò)通訊的影響，直播延遲、卡頓導(dǎo)致課堂互動效果較差，教師不能根據(jù)學(xué)員的上課狀態(tài)判定學(xué)員知識的掌握程度，與學(xué)員互動性不強導(dǎo)致教師無法根據(jù)特定教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置，引導(dǎo)學(xué)員思考，特別是對理工科的專業(yè)基礎(chǔ)課程而言，對學(xué)員專業(yè)背景的塑造和創(chuàng)新思維方式的塑造提出了較大挑戰(zhàn)。因此，不能將線下課堂授課的教學(xué)模式直接照搬于線上教學(xué)，應(yīng)充分利用線上優(yōu)秀資源多、信息反饋快等特點，在信息技術(shù)的支撐下，通過問題引導(dǎo)、翻轉(zhuǎn)課堂等多種方式進行混合式教學(xué)設(shè)計，以期達到較好的教學(xué)效果，實現(xiàn)既定的教學(xué)目標。

針對線上教學(xué)的特點，“陣列信號處理”課程按照“教學(xué)科研相結(jié)合”的指導(dǎo)思想進行科學(xué)線上教學(xué)設(shè)計，將教學(xué)目標的重點放在學(xué)員課程知識體系的建立和思維方式的形成。

1教學(xué)設(shè)計

“隔離不隔教，隔離不隔愛”。根據(jù)線上教學(xué)特點，充分利用線上教學(xué)資源豐富，學(xué)員反饋及時等優(yōu)點，按照“遠程教學(xué)+知識拓展+自主學(xué)習(xí)+階段考核+教學(xué)反饋”的教學(xué)模式，采用“BOPPPS”模型合理優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，進行混合式教學(xué)改革，實現(xiàn)教師與學(xué)員、教師與教師、學(xué)員與學(xué)員之間的互聯(lián)互通、分工協(xié)作，實現(xiàn)知識的傳遞、情感的表達與認知的共振。此外，線上教學(xué)雖然教學(xué)效果反饋及時，但同時存在“知識碎片化”的問題，需要進行針對性的線上教學(xué)設(shè)計，整合學(xué)員的碎片化知識，建立課程完整知識體系。

1.1 課程教學(xué)目標

針對課程教學(xué)內(nèi)容和后續(xù)課程要求，分別制定課程和課堂兩級教學(xué)目標。課堂教學(xué)目標圍繞課程教學(xué)目標進行針對性布置章節(jié)知識要點和學(xué)習(xí)要求。根據(jù)新修訂的培養(yǎng)方案，該課程的教學(xué)目標主要為：一是課程知識體系的構(gòu)建;二是課程知識的拓展與應(yīng)用;三是專業(yè)思維方式的形成。

1.1.1 構(gòu)建知識體系

為了構(gòu)建學(xué)員課程知識體系，課程在實施階段通過合理的教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃，在教學(xué)中通過強調(diào)教學(xué)內(nèi)容的邏輯關(guān)系，以“思維導(dǎo)圖你來畫”“教學(xué)內(nèi)容你來找”“文獻研授你來做”的方式，牽引學(xué)員在做中學(xué)、在學(xué)中做，幫助學(xué)員迅速掌握課程主要知識點，引導(dǎo)學(xué)員融會貫通，構(gòu)建課程完整的知識體系。

1.1.2 知識拓展與應(yīng)用

為了充分發(fā)揮線上教學(xué)的優(yōu)勢，拓展學(xué)員的專業(yè)知識和對接裝備的技術(shù)應(yīng)用，課程采用的做法主要包括以下三個方面：

（1）針對學(xué)員專業(yè)背景知識薄弱的實際學(xué)情，通過整合線上會議資源和其他高校相同專業(yè)領(lǐng)域教師間的互聯(lián)互通，邀請國內(nèi)著名高校教師進行線上輔導(dǎo)授課，以增加學(xué)員專業(yè)背景知識，拓寬視野。

此外，為了激發(fā)學(xué)員對課程的學(xué)習(xí)興趣，需要闡述課程內(nèi)容與崗位任職的關(guān)聯(lián)性。課程通過設(shè)置“名師大講堂”教學(xué)環(huán)節(jié)，邀請了西北工業(yè)大學(xué)和海軍航空大學(xué)等專業(yè)教員分別就“主動聲自導(dǎo)和波形設(shè)計”和“相位法測向與陣列自然指向”在線上為學(xué)員進行輔導(dǎo)授課，課程授課時受到了學(xué)員的強烈反響。“名師大講堂”不僅對學(xué)員的專業(yè)背景知識進行了有效補充，而且還解答了課程的重要性以及與裝備技術(shù)的相關(guān)性，提高了學(xué)員自主學(xué)習(xí)積極性和責(zé)任感。

（2）通過布置“文獻研授”大作業(yè)，督促學(xué)員對相關(guān)前沿技術(shù)和應(yīng)用進行針對性的精讀，并以理論復(fù)述和技術(shù)復(fù)現(xiàn)相結(jié)合的方式，通過“翻轉(zhuǎn)課堂”對文獻內(nèi)容進行研授。具體為，在課程實施過程中，通過學(xué)員分組協(xié)作、海報宣傳、咨詢答疑三個環(huán)節(jié)，圍繞“拖曳線列陣陣形估計與波束形成”主題，分別對相關(guān)技術(shù)的英文文獻進行了研授，形成了具有全員參與、分工協(xié)作、集體答辯等特點的“翻轉(zhuǎn)課堂”新形式，通過參與式學(xué)習(xí)的方式，提升學(xué)員的學(xué)習(xí)主動性，讓學(xué)員充分認識到技術(shù)課程也可以很有用、很有趣。

（3）課程充分利用釘釘群、微信群的分享功能，在朋友圈、學(xué)習(xí)圈通過分享與課程知識緊密相關(guān)的文章，拓展專業(yè)知識和應(yīng)用，為以后相關(guān)課程的教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。此外，課程堅持教學(xué)科研相結(jié)合、理技融合、戰(zhàn)技一體，通過在釘釘群設(shè)置主題討論，圍繞“反水下作戰(zhàn)技術(shù)發(fā)展”等主題，對學(xué)員進行了思政教育，引起了學(xué)員的強烈反響。

1.1.3 專業(yè)思維方式的形成

大學(xué)科背景下，知識傳遞并不是唯一教學(xué)目標。從知識到思維，是現(xiàn)在高等教育發(fā)展趨勢之一。[4]思想反映了一定的思維方式，思維方式?jīng)Q定了思想的內(nèi)涵。在形成思維之前需要形成思想。課程的主要內(nèi)容是通過對波束形成方式施加約束，在不同的優(yōu)化準則下形成最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)，本質(zhì)是“加權(quán)優(yōu)化”思想的具體應(yīng)用。課程這一主題思想可涉及多個學(xué)科，如機器學(xué)習(xí)、信號處理等。課程實施階段，根據(jù)線上課堂授課內(nèi)容，通過布置“繪制教學(xué)內(nèi)容知識體系思維導(dǎo)圖”的方式，使學(xué)員迅速掌握課程知識體系結(jié)構(gòu)。

通過思維導(dǎo)圖訓(xùn)練，結(jié)合文獻研授環(huán)節(jié)，使學(xué)員不斷形成“優(yōu)化加權(quán)”思想，并將該思想與其他專業(yè)學(xué)科知識進行類比。

1.2 教學(xué)重難點

圍繞“空域濾波”和“空間譜估計”兩條教學(xué)內(nèi)容主線，進行教學(xué)重難點分析，主要表現(xiàn)為以下兩個方面：一是空域濾波的數(shù)學(xué)建模;二是優(yōu)化算法涉及的矩陣計算、處理與應(yīng)用。本門課程剛好是學(xué)員“矩陣代數(shù)”數(shù)學(xué)理論的技術(shù)應(yīng)用，因此課程在線上教學(xué)中，通過整合“矩陣分析與應(yīng)用”中的相關(guān)知識要點，引導(dǎo)學(xué)員進行回顧性學(xué)習(xí)。同時，結(jié)合工程應(yīng)用，進行可視化教學(xué)設(shè)計。課程教學(xué)期間，借助于MATLAB Sensor Array Analyzer 軟件，將波束形成原理、波束圖參數(shù)以及復(fù)雜陣型設(shè)計等教學(xué)重難點進行可視化，以圖像、物理現(xiàn)象的方式增加學(xué)員對干涉原理、乘積定理、優(yōu)化加權(quán)方式等概念和理論公式的理解，以緩解學(xué)員對課程的畏難情緒，提高課堂注意力。

1.3 課堂教學(xué)設(shè)計

采用“BOPPPS”模型進行課堂教學(xué)設(shè)計，如圖1所示，其核心理念是通過問題來牽引整個學(xué)習(xí)過程，逐漸摸索發(fā)展出一種問題引導(dǎo)的翻轉(zhuǎn)課堂混合式線上教學(xué)方式。具體步驟為：

（1）樹立課程總目標，也就是通過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)員需要建立怎樣的課程知識（知識體系構(gòu)建），需要解決實際裝備中的哪些關(guān)鍵問題和技術(shù)（知識拓展與應(yīng)用），以及如何找到問題的解決方案（思想、思維方式的形成）。課程目標的實現(xiàn)程度可以通過課堂教學(xué)中的前測問題進行檢驗。

（2）復(fù)習(xí)前序課程，該階段主要是通過講解課堂作業(yè)結(jié)合思維導(dǎo)圖完成。

（3）課程預(yù)習(xí)。這一環(huán)節(jié)通過學(xué)員自學(xué)教材相關(guān)章節(jié)內(nèi)容的完成。

（4）前測。通過在線提問，以指定學(xué)員“連麥”引導(dǎo)學(xué)員回答問題和“問題”投票的方式進行。該教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置的目的主要為：一是對學(xué)員的學(xué)習(xí)情況進行過程性考核;二是檢驗課程目標的完成情況。

（5）課堂目標。是課程目標的分解和細化，課堂教學(xué)內(nèi)容的重難點分析與解讀。

（6）直播授課。通過線上直播，結(jié)合白板等線上教學(xué)工具進行課堂授課，并對直播內(nèi)容進行錄制，以便學(xué)員觀看課程回放。

（7）后測。通過“問題投票”的方式對課堂教學(xué)效果進行后測，檢驗學(xué)員對課堂知識的掌握程度和課堂教學(xué)目標的完成情況。

（8）作業(yè)。通過布置作業(yè)，引導(dǎo)學(xué)員觀看直播回放，復(fù)習(xí)課堂教學(xué)內(nèi)容。

此外，課程在教學(xué)實施階段，對以下兩個方面的內(nèi)容進行重點考慮：

一是在優(yōu)化教學(xué)資源的同時，引導(dǎo)學(xué)員綜合運用電子資源。課程實施過程中，由于專業(yè)教材較多，教材間也有各自的特點和優(yōu)勢，因此課程選用2本理論教材和1本編程實踐教材，充分整合3本教材的優(yōu)點，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，通過布置閱讀作業(yè)和編程實現(xiàn)教材圖的形式，督促和引導(dǎo)學(xué)員到教材中要現(xiàn)象，到教材中要答案。

二是應(yīng)對“前測”和“作業(yè)”兩個環(huán)節(jié)進行針對性的教學(xué)設(shè)計。前測環(huán)節(jié)的重要性在于通過問題引導(dǎo)學(xué)員對課程重難點內(nèi)容的掌握和應(yīng)用，通過層層推進的邏輯關(guān)系，鍛煉學(xué)員思考和解決問題的思維方式。作業(yè)環(huán)節(jié)在于線上教學(xué)對學(xué)員自主學(xué)習(xí)的依賴性較高，在線上教學(xué)過程中教師很難把握學(xué)員的學(xué)習(xí)狀態(tài)，“學(xué)員有沒有全程觀看直播”，“學(xué)員到底學(xué)了多了，記了多了”等問題無法通過線上教學(xué)檢驗，但是可以通過作業(yè)的方式，引導(dǎo)學(xué)員針對性的觀看直播回放，尋找課程資源，實現(xiàn)既定的教學(xué)目標。

2總結(jié)

與傳統(tǒng)的線下教學(xué)方式不同，線上教學(xué)活動需要利用互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，進行針對性的教學(xué)設(shè)計，通過問題引導(dǎo)學(xué)員自主學(xué)習(xí)，通過高校教師的互聯(lián)互通，整合線上資源，結(jié)合教員的教法知識、技術(shù)知識與自身的學(xué)科知識，對課程進行混合式教學(xué)改革。本文所進行的專業(yè)基礎(chǔ)課程通過設(shè)計思維導(dǎo)圖訓(xùn)練、知識拓展與應(yīng)用訓(xùn)練、編程訓(xùn)練和文獻研授訓(xùn)練等教學(xué)環(huán)節(jié)，對線上課程進行了混合式教學(xué)實踐，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：線上教學(xué)可以有效激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)動力以及充分挖掘?qū)W員的潛力。課程“文獻研授”教學(xué)環(huán)節(jié)的實施效果表明，以學(xué)員為中心的線上教學(xué)可通過“鋪路子、壓擔(dān)子、分任務(wù)、樹典型、重表揚、輕懲罰”等方式激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)動力，增強學(xué)員學(xué)習(xí)的主人翁意識，鍛煉學(xué)員資源整合能力和問題分析能力，提高其自主學(xué)習(xí)能力，學(xué)習(xí)潛力也得到了充分挖掘。

教育技術(shù)最重要的作用是能夠幫助教師將教育研究成果應(yīng)用于教學(xué)實踐。[4]教員是高等教育院校發(fā)展的第一資源，借助于互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，以開放的心態(tài)支持教員找到更好的教學(xué)模型，充分發(fā)揮線上、線下教學(xué)優(yōu)勢互補作用，形成“學(xué)為主體、教學(xué)相長”的發(fā)展模式，“線上+線下”混合式教學(xué)模式將成為未來教學(xué)改革的發(fā)展方向。

參考文獻

[1] 盧曉中.高等教育質(zhì)量發(fā)展的五大趨勢[J].大學(xué)教育科學(xué)，2019（5）：6-9.

[2] 徐翠艷，邱忠媛.信息技術(shù)與大學(xué)物理教學(xué)深度融合的理論研究與實踐[J].高教學(xué)刊，2017（6）：124-125.

[3] 武婷婷，唐加山.新工科背景下“線上-線下”混合教學(xué)框架設(shè)計與實踐[J].軟件工程，2018，17（10）：220-222.

[4] 王青，郭應(yīng)壽.《費曼物理學(xué)Ⅱ》和《電動力學(xué)》混合式線上教學(xué)實踐[J].物理與工程，2020，30（2）：1-8.