基于Python 的混合型學(xué)習(xí)平臺在數(shù)字信號處理教學(xué)中的應(yīng)用

代 萌，劉銳崗，付 峰

（空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，西安 710032）

0 引言

數(shù)字信號處理課程是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的核心課程，具有抽象概念多、學(xué)習(xí)難度大等特點[1-2]。目前，該課程普遍采用以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式，該模式雖具有良好的系統(tǒng)性及可操作性，但缺乏針對學(xué)生自主學(xué)習(xí)的激勵機制，也未能充分考慮到受訓(xùn)者的個體差異。

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”技術(shù)的發(fā)展及其與教育領(lǐng)域的深度融合，在教育風(fēng)格、培訓(xùn)方式、教育資源等領(lǐng)域引起了諸多變革。例如：隨教育信息化技術(shù)衍生而來的混合型教學(xué)模式目前已應(yīng)用于數(shù)字圖像處理[3]、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析[4]、線性代數(shù)[5]等課程的教學(xué)，并取得了良好的應(yīng)用效果。該模式可將傳統(tǒng)課堂與線上教學(xué)相結(jié)合，遵循以教師主導(dǎo)、學(xué)生為本的方針，既發(fā)揮了傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)性的優(yōu)勢，又可融合線上-線下教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

基于上述背景，本文基于Python 語言開發(fā)信息化平臺，將混合型教學(xué)模式引入數(shù)字信號處理課程中，并依托該平臺在教學(xué)活動中進(jìn)行了應(yīng)用嘗試。

1 數(shù)字信號處理課程及傳統(tǒng)教學(xué)特點分析

數(shù)字信號處理課程是醫(yī)學(xué)圖像處理、醫(yī)學(xué)儀器原理與應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)信號檢測與處理等后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，在工作實踐和科學(xué)研究中也有廣泛的應(yīng)用。但該課程要求學(xué)生具備扎實的理論基礎(chǔ)和熟練的實踐能力，具有學(xué)習(xí)內(nèi)容繁多、概念抽象、理論推導(dǎo)復(fù)雜等特點，是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教學(xué)中的難點[6]。

目前，以課堂授課為主體的傳統(tǒng)數(shù)字信號處理教學(xué)存在以下問題：（1）教學(xué)過程單方面以教師為主導(dǎo)，不利于調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性；（2）課堂教學(xué)模式注重理論概念及知識條目陳述，忽略深層因果探究及實踐應(yīng)用訓(xùn)練；（3）教學(xué)形式單一，無法充分利用課余時間，教學(xué)內(nèi)容缺乏擴展性；（4）教學(xué)評價常采用單一的定量考核方式，忽視了對學(xué)生實踐應(yīng)用能力的評價。

如何提高學(xué)生課程參與感、學(xué)習(xí)主動性，成為教學(xué)改革的首要內(nèi)容；同時，如何結(jié)合學(xué)生及課程特點，優(yōu)化教學(xué)媒介及教學(xué)方式，降低課程學(xué)習(xí)難度，強化知識掌握，提高學(xué)生利用數(shù)字信號處理方法解決實際問題的能力，進(jìn)而培養(yǎng)創(chuàng)新思維成為亟須解決的關(guān)鍵問題。

2 混合型學(xué)習(xí)平臺的框架設(shè)計

混合型教學(xué)模式是一種將教學(xué)媒介、教學(xué)環(huán)境、教學(xué)內(nèi)容協(xié)同組織的教學(xué)模式，該模式基于建構(gòu)主義[3]、教育傳播[4]、首要教學(xué)理論[7]，將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與線上教學(xué)相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生主動構(gòu)建知識體系[8-9]。

因此，本研究設(shè)計了傳統(tǒng)課堂教學(xué)結(jié)合線上式教學(xué)的混合型學(xué)習(xí)平臺（以下簡稱“平臺”），如圖1所示。平臺明確了教學(xué)總體目標(biāo)與階段目標(biāo)，完成教學(xué)目標(biāo)設(shè)計后，依據(jù)學(xué)生特征分析結(jié)果設(shè)置學(xué)習(xí)計劃，在傳統(tǒng)課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上結(jié)合浸入式分組項目教學(xué)[10]，并采用輔助教學(xué)工具及多維度教學(xué)資源管理，為教學(xué)提供技術(shù)保障。最后，結(jié)合課程考核成績及學(xué)生日常反饋實施教學(xué)評估。根據(jù)教學(xué)評估與平臺使用效果，教師可進(jìn)一步對教學(xué)平臺進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。

圖1 混合型學(xué)習(xí)平臺框架

平臺通過對學(xué)生學(xué)習(xí)特征的分析，按照縱向分層教學(xué)理念建立個性化學(xué)習(xí)策略，在教授基本課程大綱內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以學(xué)生為中心，將學(xué)習(xí)基礎(chǔ)（學(xué)科成績、學(xué)業(yè)成績、專業(yè)認(rèn)知、學(xué)術(shù)能力）、社交能力（同伴協(xié)作、師生互動）及心理狀態(tài)（學(xué)習(xí)動機變化、興趣、注意力、自信心、創(chuàng)造性思維、信念）等作為評估特征，多方面綜合衡量，推送相應(yīng)的擴展教學(xué)內(nèi)容及分組實踐項目。在課前階段，注重課前預(yù)習(xí)及當(dāng)堂知識擴展，主要內(nèi)容包括：第一，提供課程內(nèi)容概要、課前測試，幫助學(xué)生在預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上回顧知識點，教師可根據(jù)課前測試結(jié)果及在線互動及時掌握學(xué)習(xí)難點，針對學(xué)生存在的共性問題重點講解及集中答疑。第二，從上述特征出發(fā)，構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容推薦系統(tǒng)（learning recommender system，LRS），為學(xué)生推薦擴展學(xué)習(xí)內(nèi)容，例如：可結(jié)合學(xué)生高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、積分變換等前置課程的考核成績及自我基礎(chǔ)評價，為基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生推薦課程相關(guān)的基礎(chǔ)內(nèi)容。在授課階段，將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與平臺在線實驗相結(jié)合，為學(xué)生提供在線提問、知識點釋義等課堂互動，學(xué)生可通過點擊電子教案對應(yīng)鏈接獲得擴展內(nèi)容。在課后階段，平臺按照難度將作業(yè)庫題目設(shè)置為高、中、低3 級，學(xué)生可結(jié)合自身學(xué)習(xí)效果選擇從低至高漸進(jìn)式完成課后作業(yè)。最后，學(xué)生可結(jié)合課堂體驗進(jìn)行課堂評價，為教學(xué)效果評價提供反饋。在教學(xué)評價方面，采用基于縱向分層的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（data envelopment analysis，DEA）法實現(xiàn)學(xué)習(xí)效果評價，評價指標(biāo)包括學(xué)生成績及能力評估、課程滿意度評價及教師課程評價等方面。其中，學(xué)生成績評價包括學(xué)生平時成績、作業(yè)完成狀況、隨堂測試、項目完成評價、課程考試，能力評估包括研究能力、協(xié)作能力評估，采用學(xué)生自我評價、教師評價及學(xué)生研究成果綜合考量。

3 基于Python 的混合型學(xué)習(xí)平臺實現(xiàn)

基于混合型學(xué)習(xí)平臺設(shè)計理念，前后端分別采用Vue.js 組件及Flask 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架實現(xiàn)，具有易于構(gòu)建、開發(fā)快捷、組件搭建靈活等優(yōu)勢[11-12]。在教育資源管理方面，基于Python 語言在云存儲環(huán)境下構(gòu)建混合型學(xué)習(xí)平臺，利用云平臺提供服務(wù)，可突破時間與空間的限制訪問各項資源，并通過數(shù)據(jù)兼容性接口及開放性服務(wù)建立資源訪問模式，豐富教學(xué)資源。

存儲層采用MySQL 及Neo4j 實現(xiàn)，構(gòu)建學(xué)生特征庫、專業(yè)知識庫、項目庫、推薦系統(tǒng)知識圖譜，提取學(xué)生特征構(gòu)建學(xué)習(xí)風(fēng)格分類模型，采用Python 語言按照學(xué)習(xí)分類特點為學(xué)生構(gòu)建個性化教學(xué)計劃，設(shè)計學(xué)習(xí)推薦系統(tǒng)，結(jié)合教學(xué)進(jìn)度向?qū)W生推送針對性教學(xué)資源，并對學(xué)習(xí)效果進(jìn)行周期性評估，適時調(diào)整教學(xué)形式及教學(xué)內(nèi)容。

3.1 個體化學(xué)習(xí)計劃制訂

平臺基于以下策略實現(xiàn)個體化學(xué)習(xí)計劃制訂功能：第一，采用系統(tǒng)用戶信息設(shè)置、問卷調(diào)查、學(xué)生自我評價、教師評價等方式，提取學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、興趣方向、基礎(chǔ)知識、學(xué)習(xí)能力等特征信息，并將特征標(biāo)簽化。第二，基于Honey&Mumford 學(xué)習(xí)風(fēng)格模型及用戶畫像技術(shù)[13]，建立學(xué)習(xí)風(fēng)格分類模型，從自學(xué)能力、學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)主動性及專業(yè)興趣等維度建立用戶畫像，按照不同的個性維度建立學(xué)習(xí)指導(dǎo)機制，例如：從學(xué)習(xí)風(fēng)格特征維度出發(fā)，面向理論型學(xué)習(xí)風(fēng)格的學(xué)生時，系統(tǒng)應(yīng)以理論講解類資源推送為主，并配置邏輯性較強的作業(yè)、項目訓(xùn)練計劃；面向行動型風(fēng)格的學(xué)生時，平臺可以減少理論性較強的學(xué)習(xí)內(nèi)容推送，并通過增加項目教學(xué)的方式將理論教學(xué)內(nèi)容融入實踐應(yīng)用過程，使學(xué)生在項目實踐中掌握知識點[14]。第三，在學(xué)習(xí)過程中，采用課堂反饋、隨堂練習(xí)、師生互動、課后作業(yè)等方法建立持續(xù)反饋，在平臺中有目的地調(diào)整教學(xué)計劃，優(yōu)化教學(xué)效果。平臺可通過跟蹤動態(tài)特征庫并針對學(xué)生學(xué)習(xí)效果展開趨勢性分析，對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不斷實施評估，動態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)計劃。例如：平臺將監(jiān)測到的學(xué)生學(xué)習(xí)時間段、時長、頻次、知識點、考核結(jié)果、資源評價、項目進(jìn)度、作業(yè)得分、教學(xué)功能評價、教師反饋等作為評價學(xué)生學(xué)習(xí)成果、衡量學(xué)生學(xué)習(xí)特征的數(shù)據(jù)來源，并據(jù)此進(jìn)一步調(diào)整下一階段的學(xué)習(xí)計劃，幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣、鞏固專業(yè)知識、培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力。

3.2 針對性資源推送機制

按照教學(xué)計劃設(shè)置推薦策略，為學(xué)生推送不同的教學(xué)資源。平臺采用圖嵌入和規(guī)則抽取融合法實現(xiàn)資源推薦功能[15]：第一，采用自動抽取結(jié)合教師復(fù)核的方法，分析并總結(jié)知識點、教學(xué)資源、學(xué)生特征、教學(xué)策略等關(guān)鍵詞，并將上述內(nèi)容歸納為知識圖譜結(jié)構(gòu)的實體標(biāo)簽，用于描述資源特征。第二，采用聚類方法將不同標(biāo)簽合并到實體標(biāo)簽，并與具體知識點建立對應(yīng)關(guān)系。由教師結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗，將資源實體標(biāo)簽映射至學(xué)生特征，根據(jù)學(xué)生特征評分、學(xué)習(xí)風(fēng)格、對應(yīng)知識點標(biāo)簽找到對應(yīng)表現(xiàn)形式的知識點，先采用多維相似度評價算法，發(fā)現(xiàn)相似性知識點集合，再將結(jié)果按照關(guān)聯(lián)性排序，從中選擇并形成相似知識點推送給學(xué)生。按照不同知識點所需要的前置條件排列學(xué)習(xí)順序，進(jìn)而基于知識圖譜網(wǎng)絡(luò)為知識點關(guān)聯(lián)相關(guān)教學(xué)資源形成資源網(wǎng)絡(luò)，可按照教學(xué)需求，查詢教學(xué)資源網(wǎng)絡(luò)，提供針對性教學(xué)資源。

4 基于Python 的混合型學(xué)習(xí)平臺應(yīng)用及教學(xué)效果評價

4.1 平臺應(yīng)用

將平臺應(yīng)用于2022 級空軍軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)14 名學(xué)生的數(shù)字信號處理教學(xué)中，學(xué)生可在電子閱覽室、網(wǎng)絡(luò)實驗室等場所通過計算機、平板計算機及手機移動端進(jìn)行訪問。

4.1.1 在線上線下聯(lián)合教學(xué)中應(yīng)用

教學(xué)組完成教學(xué)設(shè)計后，采用線上教學(xué)與傳統(tǒng)課堂教學(xué)相結(jié)合方式，按照課程內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)模塊、流程控制模塊、頻譜分析模塊、數(shù)字濾波模塊。按照時間順序?qū)⒄n堂教學(xué)模式劃分為課前、課堂及課后，如圖2（a）所示，課前由平臺提供對應(yīng)課堂教學(xué)的擴展教學(xué)資源及課前測試，學(xué)生可結(jié)合推薦資源預(yù)先了解授課內(nèi)容、歷史背景等，提高學(xué)習(xí)興趣，擴展學(xué)習(xí)內(nèi)容；在課堂上可基于Python 教學(xué)組件快速完成算法實現(xiàn)、理論驗證、樣例演示等，提高課堂互動性，提升教學(xué)效果；課后，平臺可為學(xué)生提供作業(yè)布置及評閱功能，并允許學(xué)生反饋課堂評價。

圖2 基于Python 的混合型學(xué)習(xí)平臺界面

4.1.2 在情景式教學(xué)模式中應(yīng)用

平臺基于建構(gòu)主義理論，構(gòu)建情景式教學(xué)模式，以解決實際問題為學(xué)習(xí)的起點，結(jié)合模塊內(nèi)容及學(xué)生特征設(shè)置專題項目任務(wù)，模擬出真實應(yīng)用場景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生以項目小組為單位，采用互動交流、協(xié)作配合完成項目任務(wù)，在合作解決問題中鞏固知識，并深化教學(xué)內(nèi)容。項目實施過程中，指導(dǎo)教師發(fā)揮引導(dǎo)作用，并對最終的結(jié)果進(jìn)行評價，學(xué)生根據(jù)課堂評價，總結(jié)經(jīng)驗，鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容。圖2（b）為學(xué)生培訓(xùn)項目管理界面，進(jìn)入該頁面可查看當(dāng)前項目概要、工作條件及目標(biāo)，當(dāng)接受并啟動該項目后，還可顯示協(xié)作團隊成員、項目進(jìn)度等信息。在教學(xué)過程中，教師可基于情景式教學(xué)模式，結(jié)合傳統(tǒng)課堂教學(xué)進(jìn)度，增加學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)、互動和項目參與內(nèi)容，形成漸進(jìn)混合型教學(xué)模式。

4.2 教學(xué)效果對比

采用問卷調(diào)查、學(xué)生成績對比、項目應(yīng)用評價等方法比較應(yīng)用平臺前后的教學(xué)效果。通過對比發(fā)現(xiàn)，約71.4%的學(xué)生在問卷中反映采用平臺使得學(xué)習(xí)興趣得到顯著提升，64.3%的學(xué)生認(rèn)為采用平臺對于課程學(xué)習(xí)有很大幫助，50%的學(xué)生反映平臺提供的相關(guān)教學(xué)資源對學(xué)習(xí)有很大的幫助?？己穗y度參照2018～2021 級空軍軍醫(yī)大學(xué)數(shù)字信號處理課程結(jié)業(yè)考試，考核結(jié)果如圖3 所示，平臺應(yīng)用組（2022 級）與既往4 a 內(nèi)其他屆學(xué)生（2018～2021 級）比較，學(xué)生課程期末考核平均成績、優(yōu)秀率均高于各對照組，作業(yè)平均得分也高于各對照組。在項目應(yīng)用評價中，采用平臺學(xué)習(xí)前僅21.5%的學(xué)生有應(yīng)用項目經(jīng)歷，采用平臺學(xué)習(xí)后全部學(xué)生均經(jīng)歷過完整項目實施經(jīng)歷。

圖3 考核結(jié)果對比圖

值得一提的是，項目管理模塊是該平臺的重要特色，該平臺可為項目應(yīng)用提供全流程管理，例如：可為學(xué)生項目研究提供計劃制訂模板，并按照計劃實施進(jìn)度管理，幫助學(xué)生熟悉科研流程，有助于培養(yǎng)科學(xué)的研究習(xí)慣；將業(yè)務(wù)工作規(guī)范和管理工作規(guī)范內(nèi)置到平臺中，實現(xiàn)自動線上業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)，自然銜接各工作節(jié)點，引導(dǎo)工作規(guī)范的“無感”執(zhí)行和制度落地。基于系統(tǒng)流程化的管理基礎(chǔ)，在項目在線推進(jìn)的過程中，平臺自動識別項目及任務(wù)進(jìn)度和狀態(tài)，同時在對應(yīng)的統(tǒng)計頁面自動更新可視化的項目實時數(shù)據(jù)，并通過郵件通知方式，對特殊階段或者事件進(jìn)行提醒，實現(xiàn)實時項目任務(wù)信息自動更新、快速發(fā)布共享；可為學(xué)生提供項目立項、實驗記錄、代碼版本管理、檔案歸檔、記錄檢索等功能，降低科研成本，提高科研效率；以任務(wù)方式指定成果管理負(fù)責(zé)人進(jìn)行任務(wù)分配和管理，可實現(xiàn)任務(wù)分解和任務(wù)改派[16]。通過平臺應(yīng)用組與各對照組教學(xué)效果對照，使用編程方法解決實際應(yīng)用問題的學(xué)生占比從應(yīng)用平臺學(xué)習(xí)前的50%提升至100%；問卷調(diào)查結(jié)果顯示，約64.3%的學(xué)生反映采用平臺對團隊協(xié)作能力有較大提高，約71.43%的學(xué)生認(rèn)為采用平臺增強了自身學(xué)習(xí)興趣，同時學(xué)習(xí)效率也有所提高。

同時，在教學(xué)效果評估時發(fā)現(xiàn)，基于Python 的混合型學(xué)習(xí)平臺仍存在以下問題：35.7%的學(xué)生認(rèn)為平臺需要提高操作的便捷性。在教學(xué)過程中，課時有限，學(xué)生通常需要1 周時間方可熟練掌握平臺操作，延遲了教學(xué)計劃。28.6%的學(xué)生在調(diào)查中期望平臺能增加資源庫中應(yīng)用項目的數(shù)量。目前資源庫中包括63 項學(xué)習(xí)項目，其中36 項為研究項目，10項為理論重現(xiàn)項目，僅17 項為操作應(yīng)用項目。在進(jìn)一步的研究中，將結(jié)合教學(xué)特點深入調(diào)研學(xué)生操作習(xí)慣，提高軟件的易用性，降低應(yīng)用難度；同時將進(jìn)一步豐富教學(xué)資源類型及數(shù)量，提高平臺應(yīng)用的可操作性。

綜上所述，在混合型教學(xué)模式中，教師從教學(xué)主導(dǎo)者角色轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者，積極引導(dǎo)學(xué)生，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情，通過設(shè)置課程相關(guān)應(yīng)用研究場景，并采用互動協(xié)作等方式，讓學(xué)生在研究過程中鞏固知識[10]?；诨旌闲蛯W(xué)習(xí)平臺，教師在教學(xué)活動中能夠結(jié)合學(xué)生特征制訂針對性教學(xué)計劃，并設(shè)置漸進(jìn)式研究任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索及研究協(xié)作精神，激發(fā)學(xué)習(xí)主動性，在研究與應(yīng)用中提高專業(yè)認(rèn)知；并可為學(xué)生提供豐富的擴展資料及關(guān)聯(lián)信息，提高知識的廣度及發(fā)散度[17]。

5 結(jié)語

數(shù)字信號處理課程是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，但該課程對學(xué)習(xí)者基礎(chǔ)有較高的要求，同時課程抽象概念多，難以掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，具有較高的教學(xué)難度；加之傳統(tǒng)的教學(xué)模式缺乏對學(xué)生自主性的激發(fā)，忽略了不同學(xué)生間基礎(chǔ)的差異，難以調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性。本文將混合型學(xué)習(xí)理念引入數(shù)字信號處理教學(xué)之中，同時采用Python輔助教學(xué)工具，并基于網(wǎng)絡(luò)云平臺構(gòu)建了專項學(xué)習(xí)平臺，既保留了傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)性的優(yōu)勢，又發(fā)揮了互動式教學(xué)方式的特點，融合線上、線下教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并將抽象的課程可視化，提高了學(xué)生將所學(xué)理論轉(zhuǎn)化為實踐操作的能力，加深了對課程的理解，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，提高了教學(xué)效率，對其他相關(guān)性課程教學(xué)的開展具有一定的借鑒作用。