信號與系統(tǒng)課程線上線下混合式微課教學(xué)的研究與實踐
——以梧州學(xué)院為例

郭鐵梁，王奎奎，孫 雪，李炳槐

(梧州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣西 梧州 543002)

2019年教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見指出，高校要全面開展一流本科課程建設(shè)工作，樹立一流課程建設(shè)新理念，推進(jìn)課程建設(shè)創(chuàng)新改革，實施科學(xué)的課程評價體系，嚴(yán)格加強(qiáng)課程管理，逐步形成以質(zhì)量為導(dǎo)向的課程建設(shè)激勵機(jī)制，形成多樣化、多類型的教學(xué)內(nèi)容與課程體系[1]。另外，推動課程思政，構(gòu)建全員全程全方位育人大格局，確立以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向、不斷持續(xù)改進(jìn)，提升課程高階性，突出課程創(chuàng)新性，增加課程挑戰(zhàn)度，已成為廣泛共識的教育教學(xué)新標(biāo)準(zhǔn)[2]。“信號與系統(tǒng)”課程是電子信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，可以使學(xué)生掌握“信號與系統(tǒng)”的基本知識，初步形成一定的學(xué)習(xí)能力和課程實踐能力。該課程要求學(xué)生在具備扎實的高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等基本數(shù)學(xué)理論的同時，還需掌握電路理論等專業(yè)基礎(chǔ)知識。對于學(xué)生來說，該課程教學(xué)內(nèi)容豐富，涉及的數(shù)學(xué)理論及課后習(xí)題作業(yè)多且復(fù)雜，全面掌握、融會貫通較難[3]。這些問題在線上線下混合教學(xué)過程中，如果將教學(xué)視頻簡單搬到網(wǎng)上，學(xué)生在課堂上依然存在注意力不集中、易疲憊的現(xiàn)象，從而使上述問題依然得不到更好地解決。如果在線上線下混合式教學(xué)過程中適當(dāng)采用微課的形式，以知識點為單位，或者以工程應(yīng)用及課程思政為主題制作小視頻或錄屏音頻，這樣學(xué)生就可以針對自己的實際情況，不但可以提高課堂上的學(xué)習(xí)效率，而且課后可以在線上隨時隨地有選擇性地學(xué)習(xí)，這樣就能解決一次性教學(xué)內(nèi)容過多、教師集中式連續(xù)教學(xué)，學(xué)生難以接受的問題。微課(Micro-course)是微課程的簡述，2008 年美國新墨西哥州胡安學(xué)院教師David.Penrose正式提出微課，“微課以在線或移動學(xué)習(xí)為目的，以短音頻或短視頻為載體來錄制課程，使得學(xué)生能隨時隨地的學(xué)習(xí)”[4]。2012 年 9 月教育部組織了第一屆中國微課大賽，標(biāo)志著微課在我國開始傳播[5]?！靶盘柵c系統(tǒng)”微課程的相關(guān)文獻(xiàn)最早見于2015年[6]，最初只是簡單制作教學(xué)視頻，隨著線上教學(xué)的發(fā)展，對于“信號與系統(tǒng)”課程來說，微課與線上線下混合式教學(xué)進(jìn)行整合已成為一種必然發(fā)展趨勢，并且微課對于線上線下混合式課程建設(shè)也會起到重要的促進(jìn)作用。近年來，隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)對教育教學(xué)產(chǎn)生了深刻的影響。上述2019年教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見中，還進(jìn)一步提出實施一流本科課程“雙萬計劃”，決定開展國家級線下一流課程、國家級線上線下混合式一流課程和國家級社會實踐一流課程推薦認(rèn)定工作。其中，線上線下混合式課程成為課程建設(shè)工作的熱點，經(jīng)過近兩年的改革實踐，不論教學(xué)一線教師還是教育研究者，以及教育機(jī)構(gòu)和政府教育部門，都已基本達(dá)成共識：線上線下混合式教學(xué)將成為未來教育的“新常態(tài)”[7]。與其他傳統(tǒng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程相類似，“信號與系統(tǒng)”課程的線上線下混合式教學(xué)，將整個教學(xué)過程規(guī)劃為課前預(yù)習(xí)、課堂重點教學(xué)、課后作業(yè)提高3個環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)都需要教師進(jìn)行主導(dǎo)設(shè)計，由學(xué)生配合完成相關(guān)知識內(nèi)容的學(xué)習(xí)。另外，微課能以明確的知識點為主要內(nèi)容，以短視頻為主要載體，對傳統(tǒng)課堂教學(xué)進(jìn)行有效補充。

針對線上線下混合式教學(xué)和微課教學(xué)的特點，將微課有機(jī)融入混合式教學(xué)的3個環(huán)節(jié)中，正是本研究的重點內(nèi)容。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代背景下，以“信號與系統(tǒng)”一流課程建設(shè)為契機(jī)，進(jìn)行線上線下混合式微課教學(xué)的設(shè)計研究與改革，不但能夠有效解決“信號與系統(tǒng)”課程現(xiàn)實教學(xué)中存在的問題，而且在促進(jìn)學(xué)生有效自主學(xué)習(xí)、促進(jìn)教師提高專業(yè)水平，以及在促進(jìn)教育自身發(fā)展的高階層面上具有重大意義。

1 “信號與系統(tǒng)”課程線上線下混合式微課教學(xué)模式

結(jié)合梧州學(xué)院電子與信息工程學(xué)院的學(xué)科專業(yè)實際，為展現(xiàn)課程建設(shè)及教學(xué)特色，“信號與系統(tǒng)”課程以培養(yǎng)電子信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用型人才為目標(biāo)，重視理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)過程，以工程應(yīng)用為大背景進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革。教學(xué)方式采用傳統(tǒng)與現(xiàn)代相結(jié)合，線上線下混合，課內(nèi)課外相配合，將課程思政和雙語教學(xué)有機(jī)融入到教學(xué)設(shè)計中，使學(xué)生在課堂上不僅能夠?qū)W會“信號與系統(tǒng)”的理論知識和實踐知識，而且能夠體會到這門課程中隱含的科學(xué)精神、社會文化價值和家國情懷。

1.1 線上線下混合式教學(xué)的應(yīng)用

由于傳統(tǒng)的線下教學(xué)包括課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)及課后復(fù)習(xí)3個環(huán)節(jié)，所以線上教學(xué)也應(yīng)通過適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)設(shè)計合理融入這3個教學(xué)環(huán)節(jié)中。首先是課前預(yù)習(xí)，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)進(jìn)度及教學(xué)內(nèi)容在線上布置預(yù)習(xí)作業(yè)；然后在課堂教學(xué)過程中對學(xué)生的預(yù)習(xí)情況進(jìn)行檢查，為學(xué)生的課前學(xué)習(xí)情況提供反饋，同時課堂上適當(dāng)應(yīng)用線上教學(xué)可以提升教學(xué)質(zhì)量和效率；最后是課后作業(yè)及復(fù)習(xí)的教學(xué)環(huán)節(jié)，這一教學(xué)環(huán)節(jié)的線上教學(xué)需要整合大量的線上線下資源，也是線上線下混合式教學(xué)中最重要的環(huán)節(jié)之一。這就要求教師要重點建立測試題(包括試題解答)的評價與反饋機(jī)制，用來實時監(jiān)督及分析評價教學(xué)效果，以促進(jìn)線上線下混合式教學(xué)的長期有效發(fā)展。以上各教學(xué)環(huán)節(jié)中，關(guān)鍵問題主要包括線上網(wǎng)上教學(xué)平臺的建設(shè)工作，線下課程教學(xué)過程的規(guī)范化及改進(jìn)，重要知識點的分解，典型例題的設(shè)計，工程實踐的挖掘，微課的制作，Matlab仿真程序設(shè)計，課程思政內(nèi)容的融入，各種教學(xué)資源及測試題的網(wǎng)上平臺應(yīng)用等。

1.2 微課教學(xué)的應(yīng)用

微課的主要形式是小型視頻或音頻，是針對教學(xué)內(nèi)容的重點、難點，或針對教學(xué)活動、實驗、專題等教學(xué)環(huán)節(jié)，而設(shè)計開發(fā)的支持多種學(xué)習(xí)方式的一種情景化新型視頻課程。它的主要特征可概括為“主題突出、短小精悍、交互性好、應(yīng)用面廣”[8]。微課最初應(yīng)用于線下教學(xué)，隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展，目前微課這種教學(xué)手段已廣泛應(yīng)用于線上教學(xué)。針對“信號與系統(tǒng)”課程的特點，在教學(xué)中應(yīng)用微課，既能幫助學(xué)生拓寬視野、補充知識，又能滿足學(xué)生對知識點個性化需求，提高學(xué)習(xí)效果。同時，通過微課的制作，客觀上也加深了教師對教材的理解和把握，提高了教師對現(xiàn)代化教學(xué)手段的應(yīng)用能力和教學(xué)水平的提高。對于在教學(xué)過程中如何具體應(yīng)用微課，主要應(yīng)考慮兩方面的問題：一是在傳統(tǒng)教學(xué)的3個環(huán)節(jié)中如何應(yīng)用，二是在線上線下教學(xué)過程中如何應(yīng)用。另外，在教學(xué)中應(yīng)用微課，還要考慮到微課的應(yīng)用原則、微課內(nèi)容的選擇、教學(xué)思路的設(shè)計及與課堂教學(xué)的配合等細(xì)節(jié)性和具體操作的問題。

1.3 線上線下混合式微課教學(xué)模式

將傳統(tǒng)教學(xué)與線上線上混合式微課的課程模式有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢培養(yǎng)應(yīng)用型人才，已成為當(dāng)前課程建設(shè)中的主流趨勢。在教學(xué)過程中根據(jù)實際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，理論與實踐相結(jié)合，即可以形成“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)的良性循環(huán)及長久機(jī)制[9]。對于微課，要以重要知識點為單位、以工程實踐為主題或以課程思政為專題進(jìn)行制作，根據(jù)實際教學(xué)需要，將微課重點應(yīng)用于課后線上教學(xué)過程，適當(dāng)應(yīng)用于課堂現(xiàn)場教學(xué)中。另外，還要重點建立評價與反饋機(jī)制，用來實時監(jiān)督及分析評價微課的教學(xué)效果，以促進(jìn)“信號與系統(tǒng)”微課程教學(xué)及線上線下混合式教學(xué)的長期有效發(fā)展。

下面介紹梧州學(xué)院“信號與系統(tǒng)”課程具體的教學(xué)模式和實施方案，首先進(jìn)行教材分析和重要知識點分解等理論層面的工作，與此同時逐步進(jìn)行硬件方面的建設(shè)工作，主要包括微課制作(硬件準(zhǔn)備)和網(wǎng)上教學(xué)平臺建設(shè)工作。另外，盡量將本研究實施過程與實際教學(xué)過程相整合，以教學(xué)進(jìn)度引領(lǐng)研究進(jìn)度，在實踐中檢驗教學(xué)改革的效果以便及時進(jìn)行改進(jìn)?；谖⒄n的“信號與系統(tǒng)”課程線上線下混合式教學(xué)設(shè)計流程見圖1。

圖1 基于微課的“信號與系統(tǒng)”課程線上線下混合式教學(xué)設(shè)計流程

2 “信號與系統(tǒng)”課程線上線下混合式微課教學(xué)改革實踐

電子與信息工程學(xué)院的“信號與系統(tǒng)”課程建設(shè)工作始于2004年(廣西大學(xué)梧州分校)時期，2006年春電子信息工程專業(yè)開設(shè)本課程，2010年春電子科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)開設(shè)本課程，2015年春通信工程專業(yè)開設(shè)本課程，課程建設(shè)與發(fā)展延續(xù)至今，多年來從未間斷，并且取得了初步的課程建設(shè)工作成果。2019年12月，進(jìn)行了“信號與系統(tǒng)”課程廣西區(qū)一流課程的申報工作，在此過程中進(jìn)行了大量的前期準(zhǔn)備工作，課程資源建設(shè)主要包括已初具規(guī)模的教材(講義)，輔助教學(xué)課件，教學(xué)視頻(北京交通大學(xué)國家精品課)，教學(xué)習(xí)題庫、硬件調(diào)試實驗室，虛擬仿真實驗室、網(wǎng)上仿真平臺，校內(nèi)外實習(xí)實訓(xùn)基地等多方面的建設(shè)成果。其中信號與系統(tǒng)實驗室、通信虛擬仿真實驗室及網(wǎng)上虛擬仿真實驗平臺已進(jìn)行了長時間的運行，并取得了較好的效果。針對建設(shè)及申報區(qū)級乃至國家級的一流課程工作的要求，“信號與系統(tǒng)”課程在說課視頻、教學(xué)設(shè)計、教學(xué)日歷、學(xué)生的學(xué)期測驗、學(xué)生成績分布統(tǒng)計、學(xué)生在線學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)、教師的課程教案、學(xué)生評教結(jié)果統(tǒng)計及教學(xué)(課堂或?qū)嵺`)實錄視頻做了大量的教學(xué)實踐及軟硬件設(shè)備材料的收集整理準(zhǔn)備工作。另外，在課程思政方面，也做了“信號與系統(tǒng)”課的相應(yīng)工作，特別在讓課程思政內(nèi)容進(jìn)入課堂方面也有取得了一些初步的成績。

對于微課小視頻，目前主要采用智慧教室、錄屏及網(wǎng)上剪輯的方式進(jìn)行小視頻的制作，制作微課小視頻需要做大量的前期準(zhǔn)備工作，首先進(jìn)行知識模塊的分解(圖2)和重要知識點的內(nèi)容挑選，然后是典型工程應(yīng)用方面的內(nèi)容，第三是例題講解，第四是課程思政的內(nèi)容(圖3)。

圖2 信號與系統(tǒng)知識模塊分解

完成上述工作之后，就是對上述4個方面內(nèi)容進(jìn)行多媒體PPT課件的制作，這一步驟非常重要，這是為后期的知識點及工程應(yīng)用小視頻制作做好充足的準(zhǔn)備。然后最核心的工作就是進(jìn)行微課小視頻的制作，剪輯完成之后，就可以上傳網(wǎng)絡(luò)平臺供學(xué)生使用。具體操作流程見圖3。

圖3 微課的制作過程

另外，對于微課的制作，要考慮將其應(yīng)用于線上還是線下教學(xué)，應(yīng)用于課堂教學(xué)還是課后學(xué)習(xí)過程。我們將應(yīng)用于課堂教學(xué)的微課主要以抽象知識點和課程思政為主，并且微課的時長較短，因為這樣更適用于課堂教學(xué)中的抽象知識以及時間緊張的課堂教學(xué)環(huán)境。而對于課后的線上教學(xué)，微課就以重點知識、難點知識、例題講解及工程應(yīng)用為主，這些微課視頻或音頻時長可以稍長。

本研究以連續(xù)時間信號的時域抽樣定理為例，探討“信號與系統(tǒng)”課程線上線下混合式微課教學(xué)的應(yīng)用。關(guān)鍵教學(xué)設(shè)計步驟見表1。

表1 連續(xù)時間信號的時域抽樣定理主要教學(xué)設(shè)計過程

以上教學(xué)設(shè)計中對于微課的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在2個方面：一是在課堂教學(xué)過程中應(yīng)用線下微課視頻，本節(jié)課主要應(yīng)用了2個小視頻：一個是數(shù)字技術(shù)中的虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)，另一個是杭州智慧城市的宣傳片，借這2個微課視頻激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另外，關(guān)于課后學(xué)生對于微課的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在線上，本節(jié)課主要設(shè)計了2個習(xí)題詳解的錄屏視頻。由于課堂教學(xué)時間緊湊，對于課堂教學(xué)中線下微課視頻要求時長不宜過長，大約3 min。而對于課后的線上微課視頻時長可適當(dāng)延長，但最長不宜超過15 min。對于課程思政，本節(jié)課主要通過VR技術(shù)和智慧城市的微課視頻、奈奎斯特生平和研究成果、模數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換器應(yīng)用、國家芯片制造狀況的介紹進(jìn)行穿插引入，特別是微課視頻中的課程思政元素，更能起到潤物無聲的作用。由以上教學(xué)實例可知，“信號與系統(tǒng)”課程線上線下混合式微課教學(xué)要根據(jù)實際教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，其主要目標(biāo)是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、科研精神及家國情懷以及自主學(xué)習(xí)的意愿。

在“信號與系統(tǒng)”建設(shè)廣西區(qū)一流課程的過程中，在已取得的網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)成效的基礎(chǔ)上，充分考慮微課在課堂內(nèi)外的運用，結(jié)合線上線下混合式教學(xué)的特點，對課下微課自學(xué)內(nèi)容及課堂活動進(jìn)行精心設(shè)計，充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立反饋機(jī)制，采用線上線下混合式微課教學(xué)進(jìn)行課程建設(shè)，將傳統(tǒng)教學(xué)與“互聯(lián)網(wǎng)+”微課模式充分結(jié)合，在近兩年的課程教學(xué)改革中取得了初步的成效，通過用電子與信息工程學(xué)院2017級通信工程及電子科學(xué)與技術(shù)2個班級學(xué)生的“信號與系統(tǒng)”課程總成績，與2018級同樣專業(yè)的2個班的該門課程成績進(jìn)行對比，可以粗略了解一下線上線下混合式微課教學(xué)的改革效果。由于這2個年級的學(xué)生正好處于教學(xué)改革前后過度期，所以在一定程度上能夠反映教學(xué)改革的狀況。如圖4和圖5中的成績分布可知，2018級實行線上線下混合式微課教學(xué)的2個班級的學(xué)習(xí)成績比2017級有明顯的提升。由此可見，傳統(tǒng)教學(xué)與互聯(lián)網(wǎng)及微課相整合的教學(xué)改革，在一定程度上能夠促進(jìn)教學(xué)效果的提升。

圖4 采用線上線上混合式微課教學(xué)的課程成績分布 圖5 教學(xué)改革前的課程成績分布

3 結(jié)語

綜上，線上線下混合式微課教學(xué)是網(wǎng)絡(luò)時代新型的教學(xué)手段，也是對傳統(tǒng)課堂教學(xué)的有效補充方式，將微課教學(xué)與線上線下混合式教學(xué)相結(jié)合，改革教學(xué)手段和教學(xué)模式，有效解決了“信號與系統(tǒng)”課程內(nèi)容多與學(xué)時少的矛盾，能夠幫助學(xué)生深入理解教學(xué)中相關(guān)概念和理論，在提高教學(xué)質(zhì)量的同時也能提高教學(xué)效率。另一方面，網(wǎng)絡(luò)微課教學(xué)也能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于學(xué)生合理利用碎片時間，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性?？傊?，基于網(wǎng)絡(luò)的微課教學(xué)能夠體現(xiàn)以學(xué)生為主體、以培養(yǎng)能力為目標(biāo)的教育教學(xué)創(chuàng)新理念。