信號處理類課程線上教學探索與實踐

徐 華，施文娟，周 慧

(鹽城師范學院 物理與電子工程學院，江蘇 鹽城 224007)

引言

在電子信息工程專業(yè)的課程體系中，信號處理類課程具有重要的地位[1—2]，包括“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”及“數(shù)字圖像處理”等課程，該類課程的教學質(zhì)量對于專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的影響。在新冠肺炎疫情期間，傳統(tǒng)的課堂教學不得不轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上授課，以信號處理類課程為例，對線上教學進行了有益的嘗試。

信號處理類課程的線上教學面臨的主要問題有：(1)課程需要利用matlab仿真演示信號處理相關(guān)算法，如何在線上課堂有效展示？(2)如何開展高效率的有效討論，教師能夠監(jiān)管到每個討論組嗎？(3)如何督促學生按時進入線上課堂學習，課堂簽到如何進行，數(shù)據(jù)如何保留？(4)由于每個人的攝像頭和麥克風都是打開的，導致師生的背景環(huán)境和噪聲會直接進入課堂，破壞課堂正常教學秩序，線上課堂教學秩序如何保證？(5)線上課堂的教學數(shù)據(jù)如何采集，課堂過程如何記錄？

針對這些主要問題，經(jīng)過調(diào)研比較，確定了直播與課堂管理工具相結(jié)合的方式。直播平臺可以選擇中國教育科研網(wǎng)推薦的zoom視頻會議或者騰訊會議。zoom作為疫情期間全球最為熱門的視頻會議平臺，其提供了簡單的使用體驗和完備的直播功能，且能夠直接錄制教學過程；而騰訊會議在本地化方面做的非常好，且使用體驗也很不錯。在課堂的組織和輔助管理方面，可以選擇“慕課堂”管理工具以及清華大學的“雨課堂”等?！澳秸n堂”可以實現(xiàn)課堂的簽到、點名提問等各類教學活動，能夠?qū)崿F(xiàn)教學全過程的管理和數(shù)據(jù)采集，為教學的評價和反思提供了很好的支撐[3—5]。清華大學的“雨課堂”功能齊全，且在互動性、靈活性方面有著自身的特色。如在布置作業(yè)方面，可以自行設(shè)置不同題型；在PPT課件中直接插入相關(guān)試題等內(nèi)容。

一、課堂教學直播

1.直播前的準備

在課前十分鐘，教師通過zoom預(yù)約本次教學的線上教室，并隨機生成教室ID號和密碼，這樣可以最大程度地保障線上教學的可靠性和安全性。通過班級QQ群告知每位學生線上教室的ID號和密碼，提醒學生按時進入線上教室上課。

2.直播中的管理

為了確保高質(zhì)量線上教學，在進入線上教室時，教師關(guān)閉學生的攝像頭，并設(shè)置全員靜音模式，在教師講解過程中，如果有學生被提問，學生可以選擇自行打開麥克風回答問題，這樣保證了直播課堂的良好秩序。

另外，教師在zoom中選擇虛擬背景將現(xiàn)實中的背景替換，畫面中只出現(xiàn)教師人像，這不僅保障了課堂秩序，也保護了教師的個人信息安全。

在教學過程中，教師先共享教學PPT，并利用zoom提供的注釋功能對PPT進行劃線強調(diào)、注釋等?！靶盘柵c系統(tǒng)”“數(shù)字圖像處理”等課程中經(jīng)常需要采用matlab進行仿真，教師通過切換共享屏幕，能夠靈活地將電腦上的matlab仿真界面展示給學生，進而直接演示仿真的過程和結(jié)果，有效提升了課堂的教學效果。

二、教學管理

在課前、課中和課后，教師結(jié)合zoom直播平臺和“慕課堂”，實現(xiàn)了對于線上課堂的全程管理。

1.課前管理

首先，課程教學前，教師通過“慕課堂”發(fā)布學生需要預(yù)習的相關(guān)內(nèi)容和相關(guān)spoc課程視頻，供學生提前學習。同時，教師可以通過教學平臺查看到學生的預(yù)習情況，并在教學中有針對性地進行重點講授。

其次，課前15分鐘左右，教師開放“慕課堂”小程序中的“簽到”功能，讓學生簽到，并督促學生進入線上教室?！昂灥健惫δ苣軌?qū)W生的登錄情況進行實時統(tǒng)計，使教師能夠迅速了解學生實際線上簽到的具體數(shù)據(jù)。

最后，學生使用線上教室的賬號和密碼，進入zoom平臺的線上教室，等候上課。上課前，教師可以讓學生打開攝像頭來具體了解學生的上課狀況。

2.分組討論

在線上教學過程中，教師利用“慕課堂”小程序的“點名”功能，隨機抽取學生回答問題，這時教師提醒被抽到的學生在線上教室中自行打開麥克風，或者教師打開學生的麥克風，進行線上交流，依據(jù)學生的回答情況，在手機小程序進行打分(5星制)。簽到和提問情況具體如圖1(a)(b)所示。

在進行線上分組討論時，可利用zoom直播平臺，選擇“分組討論”，有“隨機分組”和“指定分組”兩個選項。例如，“數(shù)字圖像處理”課程的線上教學。首先，教師通過“慕課堂”發(fā)布討論題，學生通過手機小程序可以看到相關(guān)的討論題。其次，教師在zoom平臺選擇“隨機分組”，直播平臺會將學生分成若干組，同時教師可以進入到任何一個討論組參與學生的討論。最后，在規(guī)定的討論時間結(jié)束后，教師可以讓每個組推選一名學生作為代表在線上課堂發(fā)言，也可以讓學生課后在“慕課堂”平臺發(fā)布對于討論題的討論思考。

分組討論能夠提升線上課堂的互動效果，使得學生從被動聽課轉(zhuǎn)換為主動參與課堂教學，有效提升了學生的積極性和主動性。同時，教師可以通過“慕課堂”等對參與討論的學生進行評分，以作為平時成績的一個重要參考，這不僅能夠提高分組討論的教學效果，還為教學評價和教學分析提供了很好的過程數(shù)據(jù)支撐。

3.課件及仿真結(jié)果共享

教師利用zoom直播平臺可以共享教學課件，并利用zoom中提供的工具條，在課件上進行各類標注，包括劃線強調(diào)、顏色標注等。另外，教師可以運用zoom平臺中的“白板”進行板書，現(xiàn)場推導相關(guān)公式，方便學生能夠厘清“數(shù)字圖像處理”課程中的一些重要原理。如果鼠標板書效果不理想，還可以選擇共享“ipad屏幕”，直接利用ipad的手寫筆，獲得更為流暢的書寫體驗。

“數(shù)字圖像處理”課程中有很多知識點需要利用matlab仿真來向?qū)W生展示其中一些算法的實現(xiàn)效果，幫助學生理解其中的原理和實現(xiàn)過程。例如：在講解圖像DCT(Discrete cosine transformation)變換時，需要向?qū)W生解釋當數(shù)字圖像進行DCT變換后，可以將大部分的DCT系數(shù)直接置零，實現(xiàn)圖像壓縮；仿真中確定了兩個DCT系數(shù)的閾值5和50，在壓縮比和重建圖像質(zhì)量之間需要折中，具體如圖2所示。

圖2為經(jīng)過DCT變換后的重建圖像示例，其中(a)為原圖，(b)為經(jīng)過變換后的DCT系數(shù)圖示，(c)為閾值為130時的重建圖像，(d)為閾值為230時的重建圖像。matlab中提供了直接進行DCT變換的函數(shù)dct2(parameters,...)，可以直接得到讀入圖像的DCT變換系數(shù)，為了更好地展示DCT變換壓縮圖像數(shù)據(jù)的效果，圖(c)的重建圖像是將DCT系數(shù)低于130的直接賦值為0，圖(d)的重建圖像是將DCT系數(shù)低于230的直接賦值為0。從圖中可見，即使是圖(c)(d)的圖像還是能夠分辨出原始圖像，實際超過95%的DCT系數(shù)已經(jīng)被賦值為0，這個結(jié)果表明圖像的DCT變換可以很好地實現(xiàn)圖像壓縮的工程。因此在JPEG標準等圖像壓縮的應(yīng)用場景中，DCT變換得到了廣泛的應(yīng)用。

在線上教學中，首先，教師共享matlab的相關(guān)代碼，為學生講解代碼的具體含義。其次，開始仿真，依次共享得到仿真結(jié)果，學生可以通過直播平臺上的留言與教師和其他同學進行互動，對于不理解的地方或者有新的想法時，可以在平臺上與教師進行互動。

三、數(shù)據(jù)采集

1.教學全過程數(shù)據(jù)采集

學生課堂出勤數(shù)據(jù)。教師利用“慕課堂”小程序的“簽到”功能，能夠采集到每位學生課堂出勤的數(shù)據(jù)。這不僅方便教師統(tǒng)計每一堂課學生出勤情況，也方便教學部門統(tǒng)計分析全校學生的課堂出勤情況。

學生課堂學習數(shù)據(jù)。教師通過“慕課堂”發(fā)布討論題，并通過zoom平臺將學生分成若干組進行討論，教師可隨時進入任何一個討論組參與討論。學生也可以在課后將課堂參與討論的想法和答案發(fā)布到“慕課堂”上。這些課堂上的討論數(shù)據(jù)也能夠被教師所采集。而通過“慕課堂”小程序提問的學生，可在“慕課堂”管理端進行記錄和分析，這樣教師便獲得了學生學習的過程數(shù)據(jù)。

學生課后學習數(shù)據(jù)。教師通過“慕課堂”發(fā)布討論題和練習題，學生在課后完成教師布置的習題。教師可以通過這些學習數(shù)據(jù)進行檢查分析統(tǒng)計，了解學生的學習情況。

教學過程錄制。教師在每次授課時，都使用平臺的錄制功能，將每次線上教學全過程錄制保存到本地，便于教學結(jié)束后進行反思，以及后期課程的編輯，為今后改進教學方法提供了很好的支撐。

2.教學數(shù)據(jù)的有效利用

通過對教學輔助平臺的數(shù)據(jù)搜集，可以對整個教學過程實施科學合理的監(jiān)測和評估，從而為教師提高教學水平、教學管理部門監(jiān)督、評估教學質(zhì)量等提供全面的依據(jù)。例如：通過平臺統(tǒng)計學生的課件閱讀量來了解學生預(yù)習的總體情況；通過預(yù)習題目回答的準確率來了解學生的具體準備程度等。但是，在教學數(shù)據(jù)的搜集中，如何能夠全面有效采集數(shù)據(jù)，并加以利用，需要認真思考、不斷完善。

線上分組討論的教學方式，一方面，可以調(diào)動學生的學習積極性和主動性；另一方面，通過討論題的完成情況，來了解學生掌握知識的程度。另外，課堂提問也能夠?qū)W生起到督促作用。教學輔助平臺的“隨機點名”，使得學生能夠處于相對緊張的學習狀態(tài)，而不是由于線上教學就放松自己。同時，教師能夠根據(jù)學生回答問題的情況給予一定的指導，教學輔助平臺也能記錄學生的相應(yīng)學習情況。

在學生進行分組討論時，全體學生的學習數(shù)據(jù)都可以被采集，而點名提問的方式，只是針對少部分學生。將這兩種方式進行有效結(jié)合，可以全面形成學生課堂學習的過程數(shù)據(jù)。

除此之外，教學輔助平臺的討論區(qū)也可采集學生學習的過程數(shù)據(jù)。教師在討論區(qū)發(fā)布討論題，學生既可以在課堂上參與討論，也可以課后在討論區(qū)以發(fā)帖的方式參與，這些學生討論的情況，都能夠形成教學過程數(shù)據(jù)。

3.教學管理輔助平臺比較

針對“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字圖像處理”課程，教師通過“慕課堂”發(fā)布問卷，調(diào)研學生的線上學習基本情況。授課班級調(diào)研結(jié)果表明，56.25%的學生表示與線下課堂教學效果一樣；35.42%的學生表示比線下課堂教學效果好，學習積極性更高；6.25%的學生表示教學效果不如線下課堂，2.08%的學生表示無所謂。

除“慕課堂”教學平臺外，教師還對“雨課堂”的相關(guān)功能進行嘗試，利用其提供的試卷庫，制作了課后作業(yè)題，并發(fā)布到指定班級，平臺依據(jù)事先給定的答案自動評分，教師可以在學生答題后，直接公布成績。另外，在手機端和PC端，教師可以隨時查看學生課后作業(yè)的答題情況?！坝暾n堂”可以針對學生每道題和總體的準確率等進行統(tǒng)計和分析，編成統(tǒng)計圖表，方便教師查看。“雨課堂”還提供微信小程序和APP兩種登錄方式，教師通過任意一種登錄方式都可以實時查看學生上課情況，簽到情況等，了解課堂上學生的學習狀態(tài)。

“慕課堂”是愛課程網(wǎng)打造的學習平臺，平臺上有大量的優(yōu)質(zhì)課程，吸引了很多教師和學生用戶，教師和學生可以直接使用其中的“慕課堂”進行線上教學管理。而“雨課堂”作為專業(yè)課堂管理工具，在教學的管理方面具有自身特色，使用和操作更為靈活方便，功能全面。教師可以結(jié)合自身教學需要，選擇更為適合自己的課堂教學輔助平臺和管理工具。

結(jié)語

采用視頻會議平臺作為線上直播教室，有效實現(xiàn)了課堂教學的實時分享，為學生提供了方便、流暢的線上學習體驗，為教師提供了理想的線上課堂教學直播工具，與學生實現(xiàn)實時互動。利用“慕課堂”等教學輔助平臺可實現(xiàn)課前簽到、課堂提問以及課后練習等教學全過程的記錄和管理，有效保證了線上教學的良好效果。

教學數(shù)據(jù)的采集和有效利用是線上教學的關(guān)鍵，通過教學輔助平臺，采集學生課前、課中及課后的相關(guān)學習數(shù)據(jù)，形成教學的全過程記錄。教師通過全過程記錄，可以進一步分析和了解學生對于教學內(nèi)容的掌握程度，從而調(diào)整教學安排及持續(xù)提高教學質(zhì)量，實現(xiàn)因材施教。教學管理部門通過全過程教學數(shù)據(jù)的分析，可以對整體教學和個別教學形成全面客觀的評價，從而為教學督導、教學評價提供準確的數(shù)據(jù)支撐，為學校教學管理的持續(xù)完善提供依據(jù)，在各種教學評價中，充分利用這些數(shù)據(jù)，可以使得評價結(jié)果更為真實客觀，同時也減輕了職能部門的負擔。大量課程的數(shù)據(jù)，還可以為學校的數(shù)據(jù)中心提供更為全面的數(shù)據(jù)來源，為領(lǐng)導決策提供更為全面可靠的教學數(shù)據(jù)支撐，在學校各個方面工作中都能夠發(fā)揮應(yīng)有的作用。

“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字圖像處理”等課程的線上教學實踐表明，“直播+輔助平臺”是一種符合實際、能夠滿足各類需求的線上教學模式，值得進一步總結(jié)推廣。選擇合適的直播及教學輔助平臺，做好教學數(shù)據(jù)的采集和分析，是提高教學質(zhì)量，特別是改善線上教學質(zhì)量的重要保障。