混合教學(xué)模式下“現(xiàn)代信號處理”案例教學(xué)探索

張曉光 段元星 王艷芬

[摘 要] 教育部十年規(guī)劃與“金課”的提出彰顯了國家對高校教育教學(xué)的高度重視，“線上+線下”混合教學(xué)模式已成為變革課堂教學(xué)的必然，但其在實踐過程中存在一些問題。以拓寬電子信息專業(yè)學(xué)生視野、培養(yǎng)他們解決復(fù)雜問題的能力和思維為目標(biāo)，闡述了混合教學(xué)模式下“現(xiàn)代信號處理”課程案例教學(xué)改革方案，介紹了該課程的案例教學(xué)設(shè)計。以心電信號工頻干擾消除為例，詳細(xì)說明了該課程在課前、課中和課后三個環(huán)節(jié)互相影響、互為補充、形成良性循環(huán)的案例教學(xué)實踐。為了檢驗教學(xué)效果，與傳統(tǒng)教學(xué)方法的考核結(jié)果對比，結(jié)果表明，混合教學(xué)模式下的案例教學(xué)有助于提升學(xué)生的理論分析能力和實踐動手能力。

[關(guān)鍵詞] 混合教學(xué)模式;案例教學(xué);心電信號工頻干擾消除

[課題項目] 2020年度教育部高等學(xué)校電子信息類教學(xué)指導(dǎo)委員會“電子信息類課程漸進(jìn)混合教學(xué)模式應(yīng)用研究”（2020-YB-54）;2019年度中國礦業(yè)大學(xué)研究生教研課題“‘現(xiàn)代信號處理課程案例庫建設(shè)與案例教學(xué)”（2019YJSJG025）;2019年度中國礦業(yè)大學(xué)教學(xué)研究項目重點課題“互聯(lián)網(wǎng)+視域下漸進(jìn)混合式教學(xué)模式改革與應(yīng)用”（2019ZD03）

[作者簡介] 張曉光（1978—），女，遼寧昌圖人，博士，中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事信號處理與高等教育研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）15-0022-04? ?[收稿日期] 2020-10-29

教育部十年規(guī)劃與“金課”的提出彰顯了國家對高校教育教學(xué)的高度重視[1，2]，也對教學(xué)優(yōu)化策略給出了頂層指引，混合教學(xué)模式已成為變革課堂教學(xué)的必然，成為提升教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)一流人才的重要抓手。目前國內(nèi)高校紛紛大力建設(shè)在線課程，積極推行“線上+線下”混合教學(xué)模式，但是在實際授課中，學(xué)生對混合教學(xué)模式中開展的小班分組、問題研討等教學(xué)方式比較積極，對公式繁雜、理論抽象內(nèi)容的理解始終不夠深入，學(xué)習(xí)勁頭不足，究其原因是學(xué)生所學(xué)內(nèi)容脫離現(xiàn)實生活，不容易理解。鑒于此，開展混合教學(xué)模式下的案例教學(xué)改革與實踐尤為重要。

一、混合教學(xué)模式下的案例教學(xué)方法改革

混合教學(xué)是網(wǎng)上在線學(xué)習(xí)和常規(guī)教室教學(xué)的有機結(jié)合[3]，涉及課堂內(nèi)外的學(xué)習(xí)資源建設(shè)、教學(xué)設(shè)計、師生互動、拓展任務(wù)和考核評價等多個環(huán)節(jié)[4]。案例教學(xué)法是以具體典型事件或生活情境為基礎(chǔ)，圍繞教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)而開展的一種互動教學(xué)[5，6]。利用混合教學(xué)模式下的案例教學(xué)方法能夠較容易地完成被動學(xué)習(xí)模式向主動學(xué)習(xí)模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)習(xí)效果。

二、混合教學(xué)模式下課程案例教學(xué)設(shè)計

（一）案例選取與設(shè)計

教學(xué)案例需要服務(wù)于教學(xué)目標(biāo)。首先，選取與設(shè)計的案例必須與所學(xué)章節(jié)知識點高度相關(guān);其次，應(yīng)該具有關(guān)注度，能瞬間吸引學(xué)生的注意，激發(fā)出他們的學(xué)習(xí)興趣;再次，最好具有綜合性，能夠把孤立的知識點成功串起來，將所學(xué)知識遷移運用到實踐問題中，提升學(xué)生的高階思維和綜合能力。例如針對中國礦業(yè)大學(xué)的“現(xiàn)代信號處理”課程，選取與設(shè)計的教學(xué)案例與知識點對應(yīng)如表1所示。

（二）案例教學(xué)的實施方法

針對課程內(nèi)容前后銜接關(guān)系和對應(yīng)的知識點特征，分別采用案例導(dǎo)入式、案例問題啟發(fā)式、案例比較式及綜合案例分析方法實施案例教學(xué)。

案例導(dǎo)入式教學(xué)法是指在教學(xué)課堂上，通過有趣的案例導(dǎo)入授課內(nèi)容，用以激發(fā)學(xué)生的求知欲望;案例比較式教學(xué)法是指利用不同算法或者實現(xiàn)方案，實現(xiàn)類似功能的案例;案例問題啟發(fā)式教學(xué)法是指引入與工程背景密切相關(guān)的案例，然后引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)潛隱于案例中的工程問題，分析產(chǎn)生問題的原因和解決問題的辦法，緊扣課程所授內(nèi)容知識點;綜合案例分析教學(xué)法是指通過一個涵蓋了多個核心知識點的綜合案例，通過案例子任務(wù)將課程多個教學(xué)內(nèi)容貫穿起來。

三、混合教學(xué)模式下課程案例教學(xué)實踐

（一）案例教學(xué)實踐

在教學(xué)過程中，案例教學(xué)按照“課前案例準(zhǔn)備—課中案例教學(xué)—課后案例總結(jié)”的混合模式進(jìn)行，利用“基于LMS算法的自適應(yīng)濾波器設(shè)計”可以進(jìn)行心電信號工頻干擾消除。下面以此為例，進(jìn)行“現(xiàn)代信號處理”課程案例教學(xué)實踐說明。

1.課前案例準(zhǔn)備。在講解基于LMS算法的自適應(yīng)濾波器設(shè)計內(nèi)容時，在課前一周，教師就會利用慕課等智慧工具分別推送事先準(zhǔn)備好的導(dǎo)學(xué)案，其內(nèi)容包括章節(jié)名稱、視頻所在網(wǎng)址和名稱、學(xué)習(xí)目的、應(yīng)具備的經(jīng)驗知識、學(xué)習(xí)內(nèi)容和要解決的問題等，要求學(xué)生進(jìn)行在線自主學(xué)習(xí)，在“先問題，后學(xué)習(xí)”的氛圍中為線下課中案例教學(xué)鋪墊知識。例如，對應(yīng)這兩個相關(guān)而又不同的教學(xué)內(nèi)容，要求學(xué)生在課前自主掌握的問題如下：一是自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)的構(gòu)成;二是LMS算法原理;三是Matlab或C語言程序?qū)崿F(xiàn)。同時，鼓勵學(xué)習(xí)小組之間互相討論，并實行組長監(jiān)督制，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊協(xié)作能力。

2.課中案例教學(xué)。課中分為教學(xué)課堂和對應(yīng)的實驗課堂，下面分別詳細(xì)說明教學(xué)課堂和實驗課堂中的案例教學(xué)實踐過程。

第一，教學(xué)課堂。教師首先通過慕課推送與學(xué)習(xí)任務(wù)相關(guān)的基礎(chǔ)問題，以檢驗學(xué)生課前對知識點的掌握情況，通過慕課測試可以瞬時得到測試結(jié)果，此時教師可以根據(jù)學(xué)生的出錯率情況對知識點進(jìn)行梳理，幫助學(xué)生理解和掌握重點知識，聚焦學(xué)習(xí)目標(biāo)。關(guān)于“基于LMS算法的自適應(yīng)濾波器設(shè)計”內(nèi)容的知識點測試，主要以填空題、判斷題或選擇題的形式來考查上文中提到的課前要求學(xué)生自主掌握的問題。

通過案例導(dǎo)入課題。測試完知識點，并帶著學(xué)生有重點的梳理完重點知識后，利用案例導(dǎo)入式教學(xué)法，在教學(xué)課堂上直接導(dǎo)入如圖1所示的含有50Hz工頻干擾的心電圖信號，引導(dǎo)學(xué)生觀察心電圖信號的時域和頻域波形，找到50Hz工頻干擾對心電圖信號帶來的影響。

根據(jù)圖1，有學(xué)生首先指出設(shè)計一個低通或帶阻濾波器，濾除50Hz干擾信號即可，此時適時引導(dǎo)學(xué)生通過本節(jié)課程“基于LMS算法的自適應(yīng)濾波器設(shè)計”的理論學(xué)習(xí)和實驗操作，用其對心電信號干擾消除可以達(dá)到比低通或帶阻更好的效果。接下來，將如何基于LMS算法的自適應(yīng)濾波器設(shè)計一個自適應(yīng)陷波器的問題進(jìn)行分解，拆分為以下幾個相關(guān)問題：一是自適應(yīng)濾波器原理是什么？二是自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)原理是什么？三是當(dāng)噪聲為單一爭先分量，如50Hz工頻干擾，自適應(yīng)抵消系統(tǒng)即為自適應(yīng)陷波器嗎？四是請按自適應(yīng)噪聲抵消系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計含有加權(quán)系數(shù)的單頻自適應(yīng)陷波器框圖。針對以上問題，首先支持每個學(xué)習(xí)小組內(nèi)部討論并解決問題;然后留出時間引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行大討論，直到所有理論問題得以解決。整個討論過程，以學(xué)生合作學(xué)習(xí)為主，教師負(fù)責(zé)引領(lǐng)、組織、控制和評價，起到輔助的作用。

第二，實驗課堂。當(dāng)案例子任務(wù)對應(yīng)的理論教學(xué)一結(jié)束，也就是在對應(yīng)的實驗課前大概一周時間，通知學(xué)生要做的實驗任務(wù)，尤其是案例實施任務(wù)，要求班級學(xué)生以小組為單位，提前進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)和相關(guān)程序設(shè)計。根據(jù)理論課上圍繞案例開展的討論和方案規(guī)劃，以及小組實驗課前的預(yù)習(xí)，在實驗課上，要求學(xué)生在掌握LMS自適應(yīng)濾波器理論知識[7]的基礎(chǔ)上，設(shè)計合適的自適應(yīng)陷波器，如圖2所示。圖3所示為基于自適應(yīng)陷波器的心電圖信號工頻干擾消除波形，從時域圖中可以看到波形前部存在震蕩，這是因為自適應(yīng)算法需要一個學(xué)習(xí)的過程。從頻域圖中可以看到自適應(yīng)工頻干擾消除對原始心電圖信號影響較小，濾波效果較好。實驗結(jié)束之前，教師檢查實驗數(shù)據(jù)和波形，并隨機提問與實驗相關(guān)的理論問題，依此對實驗課堂表現(xiàn)打分，同時提醒學(xué)生記錄實驗數(shù)據(jù)和波形。

第三，課后案例總結(jié)。案例拓展任務(wù)，主要是給學(xué)有余力且有興趣的學(xué)習(xí)小組的課后任務(wù)，教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)和答疑。關(guān)于心電信號工頻干擾消除的課后案例拓展，會要求學(xué)生小組繼續(xù)就心電信號經(jīng)常存在的肌電干擾和基線漂移噪聲，利用自適應(yīng)算法和小波變換進(jìn)行去噪。當(dāng)包括拓展任務(wù)的整個案例完成后，要求每個研究生小組提交一份案例實踐報告，然后選出一組最優(yōu)案例，并推薦該組學(xué)生代表就案例做一次報告，與其他學(xué)生分享和交流。

（二）考核結(jié)果對比

為了檢驗“現(xiàn)代信號處理”課程混合教學(xué)模式下案例教學(xué)方法改革的效果，與傳統(tǒng)教學(xué)方法的考核結(jié)果做了對比。2019學(xué)年某班研究生利用學(xué)堂在線進(jìn)行了混合教學(xué)模式下案例教學(xué)方法的改革，其中最終考核包括理論考試、案例實驗、平時成績?nèi)齻€部分。為了簡化統(tǒng)計且盡可能地減小誤差，課程對比了2018—2019年學(xué)生的理論、實驗平均成績（如表2所示），同時對2018—2019年學(xué)生考核總成績分值分段占比進(jìn)行了對比，如圖4所示。

由表2和圖4數(shù)據(jù)可以看出，采用混合教學(xué)模式下的案例教學(xué)改革方法，在分值上中等生和差等生的提高更明顯，且根據(jù)幾年平均分?jǐn)?shù)和學(xué)生綜合表現(xiàn)看出，改革有助于提升學(xué)生的理論分析能力和實踐動手能力。

四、結(jié)語

混合教學(xué)模式下的“現(xiàn)代信號處理”課程案例教學(xué)實踐，以拓寬電子信息專業(yè)學(xué)生視野，培養(yǎng)他們解決復(fù)雜問題的能力和思維為目標(biāo)，選取或設(shè)計具有工程背景的案例，注重課前、課中、課后三個教學(xué)環(huán)節(jié)的有效銜接和良性循環(huán)，激勵學(xué)生主動學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)效果。

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Exploration of "Modern Signal Processing" Case Teaching in Mixed Teaching Mode

ZHANG Xiao-guang， DUAN Yuan-xing， WANG Yan-fen

（School of Information and Control Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116， China）

Abstract： The Ministry of Educations ten-year plan and the introduction of the “Gold Class” have shown that our country attaches great importance to college education and teaching. The online and offline mixed teaching model has become a necessity to transform teaching， but it has encountered bottlenecks in practice. This article aims to broaden the students‘ horizons of electronic information majors and cultivate the ability to solve complex problems and thinking. It explains the reform program and teaching design of the case teaching of modern signal processing course in the mixed teaching mode. Power frequency interference cancellation of ECG signals is taken as an example， which explains the case teaching practice of? before class， during and after class in detail. In order to test the teaching effect， it is compared with the assessment results of traditional teaching methods. The results show that case teaching under the mixed teaching mode helps to improve students' theoretical analysis ability and practical ability.

Key words： mixed teaching model; case teaching; the elimination of power frequency interference of ECG signal