基于SPOC的現(xiàn)代通信技術(shù)教學(xué)研究*

郭 慧

(山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 太原 030619)

0 引言

2020年初，新冠疫情爆發(fā)，在“停課不停學(xué)”的背景下，根據(jù)教育部發(fā)布的關(guān)于《疫情防控期間做好高校在線教學(xué)組織與管理工作》的通知，面向全國(guó)高校免費(fèi)開(kāi)放在線課程近2.4萬(wàn)余門(mén)，開(kāi)放國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)，免費(fèi)提供2000余門(mén)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程資源[1]。學(xué)校是人員密集型場(chǎng)所，同時(shí)也是公共衛(wèi)生突發(fā)事件的高發(fā)單位，為了保障全體教師和學(xué)生的生命安全，各級(jí)高校延遲開(kāi)學(xué)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行遠(yuǎn)程授課，以隔離阻斷病毒傳播，課堂教學(xué)如何在隔離中保質(zhì)保量地進(jìn)行變得尤為重要[2～4]。

《現(xiàn)代通信技術(shù)》課程是計(jì)算機(jī)、電子、通信工程專業(yè)的一門(mén)專業(yè)課，該課程通過(guò)通信網(wǎng)的架構(gòu)來(lái)講述各類先進(jìn)的通信技術(shù)。

目前，關(guān)于通信技術(shù)的課程往往是側(cè)重于講述某一特定的技術(shù)?；赟POC的《現(xiàn)代通信技術(shù)》課程從全網(wǎng)出發(fā)，對(duì)現(xiàn)代通信網(wǎng)分層中所涉及的通信技術(shù)進(jìn)行較為詳細(xì)的論述，從而加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)代通信技術(shù)的學(xué)習(xí)?，F(xiàn)代通信技術(shù)教學(xué)框架如圖1所示。

1 現(xiàn)代通信技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀分析

現(xiàn)代通信技術(shù)是電子、通信等相關(guān)專業(yè)的一門(mén)專業(yè)課，旨在培養(yǎng)學(xué)生全面認(rèn)識(shí)通信技術(shù)與系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，建立對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的初步分析與系統(tǒng)建設(shè)能力，為學(xué)生全面理解和認(rèn)識(shí)通信行業(yè)的系統(tǒng)工作原理與技能打下基礎(chǔ)[5,6]。從近三年的教學(xué)情況

圖1 現(xiàn)代通信技術(shù)教學(xué)框架

分析，主要存在以下問(wèn)題：

1) 學(xué)習(xí)能力不足。課堂理論教學(xué)中，大部分學(xué)生能掌握其中的理論和計(jì)算問(wèn)題，但是遇到對(duì)計(jì)算問(wèn)題對(duì)應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)，往往顯得非常困難。

2) 課下復(fù)習(xí)時(shí)間無(wú)法保證。大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)依賴于課堂上的吸收，課下預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)時(shí)間以及效果難以保證。

鑒于此，我們提出了基于異步小規(guī)模限制性在線課程(SPOC)的現(xiàn)代通信技術(shù)課堂教學(xué)，將理論、仿真、算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)融入在線課堂，有助于學(xué)生加深理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)良好的計(jì)算思維，激發(fā)學(xué)生深入研究課堂理論知識(shí)的興趣。在線課堂的回放能保證學(xué)生的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)效果。

2 基于SPOC的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)

現(xiàn)代通信技術(shù)MOOC資源理論講解非常清晰，為了加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，采用SPOC，在MOOC課程原有資源上，補(bǔ)充相關(guān)內(nèi)容[7]。

SPOC是融合了實(shí)體課堂與在線教育的混合教學(xué)模式，基于SPOC的現(xiàn)代通信技術(shù)課程教學(xué)流程如圖2所示[8,9]。

圖2 基于SPOC的現(xiàn)代通信技術(shù)教學(xué)流程

3 SPOC教學(xué)實(shí)例

以現(xiàn)代通信技術(shù)業(yè)務(wù)與終端部分的視頻壓縮技術(shù)為例，說(shuō)明SPOC教學(xué)過(guò)程。

在數(shù)據(jù)壓縮中，哈夫曼編碼(Huffman Coding)是一種常用的無(wú)損壓縮算法。在SPOC課程補(bǔ)充中，錄制相關(guān)視頻，融入計(jì)算思維，說(shuō)明哈夫曼編碼的應(yīng)用，并補(bǔ)充相關(guān)習(xí)題。

3.1 問(wèn)題提出

設(shè)7個(gè)字母在通信中出現(xiàn)的頻率如下：a：35%；b：20%；c:15%；d：10%；e：10%；f：5%；g：5%，采用哈夫曼編碼，求傳輸100個(gè)按上述比例出現(xiàn)的八進(jìn)制數(shù)字，需要多少個(gè)二進(jìn)制數(shù)字？采用等長(zhǎng)3位二進(jìn)制編碼，需要多少個(gè)二進(jìn)制數(shù)字？

3.2 建立模型

哈夫曼編碼的主要思想就是減少出現(xiàn)頻率高的信號(hào)的編碼位數(shù)，增加頻率低的信號(hào)的編碼位數(shù)，從整體上減少傳輸信號(hào)的二進(jìn)制編碼位數(shù)，起到壓縮的目的。模型建立步驟如下：

步驟1：8個(gè)數(shù)字信號(hào)的頻率*100，作為huffman樹(shù)的葉子節(jié)點(diǎn)的權(quán)；

步驟2：選擇兩個(gè)權(quán)值最小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并，合并后的父節(jié)點(diǎn)的權(quán)值為這兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)權(quán)值之和；

步驟3：將第2步生成的節(jié)點(diǎn)與未合并的葉子節(jié)點(diǎn)重新按照權(quán)值從小到大的順序進(jìn)行排序；

重復(fù)步驟2、3，直到生成最后一個(gè)父節(jié)點(diǎn)。

步驟4：將左子樹(shù)編碼設(shè)為“0”，右子樹(shù)編碼設(shè)為“1”，各葉子節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的編碼為每條路徑上的“0”，“1”序列。

3.3 模型計(jì)算

哈夫曼編碼如圖3所示。

圖3 哈夫曼編碼

3.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)huffman樹(shù)求huffman編碼的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

void CreatHuffman(HTNode ht[],HCode hcd[],int no)

{

int i,f,c;HCode hc;

for(i=0;i

{

hc.start=n0;c=i;f=ht[i].parent;

while(f!=-1)

//循環(huán)直到無(wú)父親結(jié)點(diǎn)，即到達(dá)樹(shù)根結(jié)點(diǎn)

{

if(ht[f].lchild==c)

//當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是父親節(jié)點(diǎn)的左孩子

hc.cd[hc.start--]=’0’;

else

hc.cd[hc.start--]=’1’;

//當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是父親節(jié)點(diǎn)的右孩子

c=f;f=ht[f].parent;

//再對(duì)父親節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相同的操作

}

hc.start++;

//start指向哈夫曼編碼最開(kāi)始字符

hcd[i]=hc;

}

}

3.5 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到8個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)的Huffman編碼，如表1所示。

采用哈夫曼編碼，求傳輸100個(gè)按上述比例出現(xiàn)的八進(jìn)制數(shù)字，需要的二進(jìn)制數(shù)字計(jì)算如下：

(2*35%+2*20%+3*15%+3*10%+3*10%+4*5%+4*5%)*100=255(個(gè))

表1 Huffman編碼表

如果采用等長(zhǎng)3位二進(jìn)制編碼，則需要300個(gè)二進(jìn)制數(shù)字。

根據(jù)比較，傳輸相同個(gè)數(shù)的數(shù)字信息，采用哈夫曼編碼所用二進(jìn)制位數(shù)更少，所以是一種典型的壓縮編碼方法。

3.6 課程內(nèi)容部署

哈夫曼編碼內(nèi)容在中國(guó)大學(xué)生慕課平臺(tái)上只是給出了名稱，為了讓同學(xué)更為深入地理解哈夫曼編碼的整個(gè)過(guò)程，以計(jì)算思維的角度去思考算法的流程，特將這部分內(nèi)容補(bǔ)充在慕課平臺(tái)上。這部分內(nèi)容主要包括2個(gè)部分：

1) 包含課件、視頻、隨堂測(cè)驗(yàn)和作業(yè)。

2) 設(shè)置討論區(qū)內(nèi)容。

在線下教學(xué)工具慕課堂中，按照實(shí)際授課的時(shí)間和班級(jí)創(chuàng)建課堂。

4 小結(jié)

基于SPOC的《現(xiàn)代通信技術(shù)》翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)一方面可以支持學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)限次回放，另一方面，在線下課堂輔助工具慕課堂中需要提前備課，補(bǔ)充了簽到活動(dòng)以及課堂練習(xí)。

同學(xué)們可以在線下課堂打開(kāi)小程序完成課堂活動(dòng)。

通過(guò)隨堂測(cè)試以及課堂練習(xí)檢驗(yàn)同學(xué)們的學(xué)習(xí)效果。

基于SPOC的《現(xiàn)代通信技術(shù)》課程學(xué)情統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

通過(guò)學(xué)情統(tǒng)計(jì)，能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)的薄弱點(diǎn)，有針對(duì)性地進(jìn)行指導(dǎo)學(xué)習(xí)。疫情的發(fā)生，推動(dòng)了學(xué)生網(wǎng)課的開(kāi)展，也讓我們對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂有了深入的實(shí)踐。實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂，視頻制作固然重要，但更重要的是課程內(nèi)容的組織。融入計(jì)算思維的模式，實(shí)踐證明，通過(guò)有效地組織“翻轉(zhuǎn)課堂”，能夠大大提升學(xué)生“吸收內(nèi)化”的學(xué)習(xí)效果。

圖4 學(xué)情統(tǒng)計(jì)