基于超星學(xué)習(xí)通的融合教學(xué)模式

黃青華 盛志超

(上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 上海 200072)

“數(shù)字信號(hào)處理”是繼“信號(hào)與系統(tǒng)”的通信電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程之一。它主要是針對(duì)離散數(shù)字信號(hào)，講授離散傅里葉變換和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的兩大基礎(chǔ)理論與應(yīng)用。因此該課程既包含基本概念、變換、設(shè)計(jì)，又涵蓋了快速計(jì)算方法、靈活結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析等技術(shù)與應(yīng)用。

以課堂教學(xué)為主的傳統(tǒng)模式主要利用短短40學(xué)時(shí)的課堂教學(xué)、課后作業(yè)和項(xiàng)目的完成，教與學(xué)的效果受限于時(shí)間和空間。2020年上半年突如其來(lái)的疫情，致使大學(xué)全部課程轉(zhuǎn)為線(xiàn)上教學(xué)，由于條件的局限，教學(xué)暫由一種單一模式轉(zhuǎn)為另一種單一模式。通過(guò)兩種教學(xué)方法的對(duì)比分析，探索一種以教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體的更好的教學(xué)模式，融合基于課堂的線(xiàn)下教學(xué)和基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的線(xiàn)上教學(xué)兩種模式，拓展課程教與學(xué)的時(shí)間和空間，提高教與學(xué)的質(zhì)量。

1 單一教學(xué)模式的特點(diǎn)

“數(shù)字信號(hào)處理”的課程教學(xué)利用一個(gè)40學(xué)時(shí)的短學(xué)期要完成三大部分內(nèi)容的教學(xué)：①數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)。了解數(shù)字信號(hào)處理的基本概念，奈奎斯特采樣定理，模擬信號(hào)的數(shù)字處理方法，數(shù)字信號(hào)處理的研究方向和應(yīng)用，了解數(shù)字信號(hào)處理現(xiàn)在發(fā)展的方向。②傅里葉變換。首先掌握離散時(shí)間傅里葉變換及性質(zhì)，然后針對(duì)離散周期信號(hào)，學(xué)習(xí)離散傅里葉級(jí)數(shù)，最后掌握離散傅里葉變換及其快速算法，并會(huì)利用傅里葉變換分析信號(hào)的頻譜特性。③濾波器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。首先研究?jī)纱箢?lèi)濾波器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后學(xué)習(xí)濾波器的設(shè)計(jì)，掌握不同的設(shè)計(jì)方法，能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選取合適的濾波器及其設(shè)計(jì)方法[1-3]。

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)主要是充分利用好課堂時(shí)間。課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)學(xué)生可以通過(guò)課本、參考書(shū)和網(wǎng)絡(luò)，查找相關(guān)資料，預(yù)習(xí)效果難以量化，預(yù)習(xí)過(guò)程難以考核。課堂上教師針對(duì)重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行講解，根據(jù)學(xué)生們的課堂反應(yīng)，及時(shí)與學(xué)生們進(jìn)行互動(dòng)，解答疑問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入思考。課后作業(yè)主要是習(xí)題解答、課程項(xiàng)目等。跟課前預(yù)習(xí)存在同樣的問(wèn)題，老師不易了解掌握課后學(xué)習(xí)的過(guò)程和效果[4-5]。

基于學(xué)習(xí)通平臺(tái)的線(xiàn)上教學(xué)，可以在講課前將預(yù)習(xí)的內(nèi)容、要求和目標(biāo)發(fā)布在平臺(tái)上，設(shè)置預(yù)習(xí)的完成時(shí)限，測(cè)試預(yù)習(xí)的結(jié)果，進(jìn)而對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)的進(jìn)度和效果及時(shí)了解。同樣，課后的作業(yè)及復(fù)習(xí)也能做到實(shí)時(shí)掌握。但在線(xiàn)課堂的教學(xué)以教師為主，隔著屏幕很難進(jìn)行有效的互動(dòng)，學(xué)生們上課的投入狀態(tài)和聽(tīng)課效果很難面對(duì)面觀察。2020年秋季當(dāng)學(xué)生們回歸課堂時(shí)，針對(duì)以上兩種單一模式教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，將兩種模式進(jìn)行交叉融合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，為教與學(xué)帶來(lái)了非常好的效果[6-7]。

2 融合的教學(xué)模式

隨著大數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展，學(xué)院開(kāi)設(shè)了很多新的課程，“數(shù)字信號(hào)處理”這門(mén)基礎(chǔ)課只有40個(gè)學(xué)時(shí)。想要在這么短的時(shí)間內(nèi)既學(xué)好基礎(chǔ)的理論知識(shí)，又能完成應(yīng)用型的課程項(xiàng)目，并能跟蹤了解新的處理技術(shù)和理論，這給教師和學(xué)生都帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。只有通過(guò)新的教學(xué)模式，進(jìn)行課前知識(shí)點(diǎn)的導(dǎo)入和課程學(xué)習(xí)目標(biāo)的引入，才能釋放課堂教學(xué)的內(nèi)容和時(shí)間，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)線(xiàn)上自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和探索能力。因此，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)線(xiàn)上和線(xiàn)下教學(xué)模式的有機(jī)融合，提高教與學(xué)的效果，見(jiàn)圖1。

圖1 基于超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)的融合教學(xué)模式

2.1 課前預(yù)習(xí)

課前教師的任務(wù)是布置課前預(yù)習(xí)的內(nèi)容，制作相關(guān)PPT或視頻，根據(jù)預(yù)習(xí)內(nèi)容發(fā)布相關(guān)基礎(chǔ)問(wèn)題和拓展思考問(wèn)題，設(shè)置預(yù)習(xí)完成的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

以課程內(nèi)容的第二章“傅里葉變換”的第一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容“離散時(shí)間傅里葉變換”為例，首先，復(fù)習(xí)已學(xué)過(guò)的連續(xù)信號(hào)及其傅里葉變換的定義。由連續(xù)信號(hào)如何得到離散信號(hào)，其傅里葉變換(Fourier Transform, FT)因此也相應(yīng)地變?yōu)殡x散時(shí)間傅里葉變換(Discrete Time Fourier Transform, DTFT)。然后復(fù)習(xí)連續(xù)傅里葉變換存在的條件和性質(zhì)。了解離散時(shí)間傅里葉變換的條件和相關(guān)性質(zhì)，這些預(yù)習(xí)內(nèi)容通過(guò)PPT和小視頻的形式放在學(xué)習(xí)通平臺(tái)上。學(xué)生在規(guī)定的時(shí)限之內(nèi)，利用自己的時(shí)間靈活安排預(yù)習(xí)。預(yù)習(xí)完成之后，完成教師布置的基本問(wèn)題，這可以作為檢驗(yàn)預(yù)習(xí)效果的一種方法。之后提出兩個(gè)拓展問(wèn)題：①連續(xù)信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣之后變?yōu)殡x散信號(hào)，那連續(xù)傅里葉變換和離散傅里葉變換是一種什么關(guān)系？②離散傅里葉變換的性質(zhì)與連續(xù)傅里葉變換有哪些異同？

學(xué)生通過(guò)手機(jī)、平板下載學(xué)習(xí)通App或采用電腦網(wǎng)頁(yè)版，可以隨時(shí)隨地利用自己的空余時(shí)間預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)內(nèi)容，可以隨時(shí)中止，也可以不斷重復(fù)，提高了學(xué)習(xí)效率，釋放了線(xiàn)下課堂教學(xué)的時(shí)間和部分內(nèi)容。學(xué)生還要主動(dòng)查閱相關(guān)資料，進(jìn)行拓展問(wèn)題的思考，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和深入思考的能力。學(xué)生們將自己的思考分享到平臺(tái)的交流群，教師和學(xué)生們一起討論，將獲取的部分結(jié)果和遺留下的未解決的問(wèn)題再帶回到課堂上認(rèn)真聽(tīng)課。

2.2 課堂教學(xué)

經(jīng)過(guò)課前的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生們完成學(xué)習(xí)新知識(shí)之前的相關(guān)舊知識(shí)的復(fù)習(xí)，并去主動(dòng)思考新知識(shí)與舊知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)。這樣，課堂上就可以集中時(shí)間講解最核心的知識(shí)點(diǎn)。這樣的方式既節(jié)省了課堂教學(xué)的時(shí)間，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)和探索的能力。

在上一小節(jié)課前預(yù)習(xí)實(shí)例的基礎(chǔ)上，回到線(xiàn)下的課堂中，教師可以重點(diǎn)講解離散時(shí)間傅里葉變換的定義。在定義的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生如何思考該變換存在的條件，帶領(lǐng)著他們一起推導(dǎo)出該條件。然后在連續(xù)變換性質(zhì)的基礎(chǔ)上，拋磚引玉地為學(xué)生們講解離散變換的一個(gè)性質(zhì)及其推導(dǎo)過(guò)程。最后將學(xué)生分為八個(gè)小組，每個(gè)小組選擇一個(gè)性質(zhì)，以定義和已講過(guò)的內(nèi)容為基礎(chǔ)，推導(dǎo)離散傅里葉變換的其他性質(zhì)，并進(jìn)行分析比較兩種變換的異同。

通過(guò)課前在線(xiàn)內(nèi)容的預(yù)習(xí)和課堂上教師前期的講授和引導(dǎo)，課堂中學(xué)生們的主動(dòng)性和積極性得到極大提高，以已學(xué)過(guò)的知識(shí)為基礎(chǔ)，由淺入深地學(xué)習(xí)一個(gè)新理論。八個(gè)小組可以隨時(shí)將完成的部分推導(dǎo)結(jié)果或者中間遇到的問(wèn)題發(fā)布到學(xué)習(xí)通平臺(tái)上，教師和其他小組可以共享其結(jié)果，相互幫助解決其中存在的問(wèn)題，這個(gè)過(guò)程學(xué)生們的目光不再集中受限于講臺(tái)上的一塊黑板。最后，教師可以針對(duì)八個(gè)小組的工作進(jìn)行逐一點(diǎn)評(píng)和總結(jié)，重新帶著學(xué)生一起總結(jié)完成九大性質(zhì)的學(xué)習(xí)。這種線(xiàn)上和線(xiàn)下的交叉融合模式，大大提高了課堂的效率和教學(xué)的質(zhì)量，充分發(fā)揮了學(xué)生的課堂積極性和教師的課堂主導(dǎo)性。

2.3 課后作業(yè)、討論和考核

課后作業(yè)不再僅僅是將課本后面的習(xí)題做在作業(yè)本上，然后帶到課堂給教師批改。學(xué)習(xí)通平臺(tái)為作業(yè)、討論和考核提供了一個(gè)便利高效的平臺(tái)。針對(duì)以上教學(xué)內(nèi)容的課前預(yù)習(xí)和課堂教學(xué)，課后的一個(gè)重要作業(yè)是應(yīng)用所學(xué)的理論。教師在平臺(tái)上發(fā)布一組語(yǔ)音信號(hào)，包括純凈的語(yǔ)音信號(hào)、含白噪聲的語(yǔ)音信號(hào)以及在各種真實(shí)環(huán)境中的語(yǔ)音信號(hào)。學(xué)生采用課堂上學(xué)習(xí)的離散傅里葉變換和性質(zhì)來(lái)分析這些信號(hào)的頻譜特點(diǎn)。首先要復(fù)習(xí)掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)，然后采用Matlab、C或Python進(jìn)行編程調(diào)試，分析這些信號(hào)。最后，將自己所做的結(jié)果提交到作業(yè)庫(kù)中，學(xué)生們相互參考和比較各自的代碼和分析結(jié)果，有問(wèn)題可以相互提問(wèn)和交流。這種模式為教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生課后的學(xué)習(xí)提供了非常好的交流機(jī)會(huì)和平臺(tái)，過(guò)程和結(jié)果的可視化和共享充分發(fā)揮了課后作業(yè)的作用。

教師能根據(jù)學(xué)生提交的作業(yè)針對(duì)客觀題目設(shè)置自動(dòng)批改，主觀題目可以手動(dòng)批改，對(duì)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)，靈活及時(shí)地考核學(xué)生學(xué)習(xí)的效果和作業(yè)完成的質(zhì)量。

同時(shí)本次課后作業(yè)的問(wèn)題可以繼續(xù)延伸，作為后續(xù)課程內(nèi)容的預(yù)習(xí)，也可以繼續(xù)在此問(wèn)題的基礎(chǔ)上應(yīng)用所學(xué)的新理論進(jìn)一步分析。比如通過(guò)對(duì)這些含噪語(yǔ)音信號(hào)頻譜特點(diǎn)的分析，去預(yù)習(xí)濾波器的相關(guān)知識(shí)，并思考應(yīng)該設(shè)計(jì)怎樣的濾波器。然后再回到課堂上學(xué)習(xí)濾波器的相關(guān)理論，課后應(yīng)用這些理論知識(shí)編程仿真，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的去噪，直觀觀察到濾波之后的效果，看到理論知識(shí)的應(yīng)用效果。通過(guò)超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)和課后作業(yè)三者環(huán)環(huán)相扣，滾動(dòng)式向前推進(jìn)課程的教與學(xué)，大大提高教學(xué)的效果。

以“離散時(shí)間傅里葉變換”為例，圖2展示了課前、課堂和課后三部分內(nèi)容的緊密關(guān)聯(lián)。

圖2 離散傅里葉變換的融合教學(xué)模式

3 結(jié)語(yǔ)

在“數(shù)字信號(hào)處理”傳統(tǒng)課堂教學(xué)過(guò)程中引入了超星學(xué)習(xí)通的線(xiàn)上學(xué)習(xí)，通過(guò)課堂教學(xué)和線(xiàn)上預(yù)習(xí)、作業(yè)和互動(dòng)的融合，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的教與學(xué)的模式。同時(shí)延伸了課堂教學(xué)的時(shí)間與空間，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)和交流的主動(dòng)性和積極性，推進(jìn)了學(xué)習(xí)的過(guò)程化考核，大大提高了教與學(xué)的效果。