“信號(hào)與系統(tǒng)”混合式教學(xué)探索與實(shí)踐

楊 艷 陳 燕 李瑜慶

(蚌埠學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院, 蚌埠 233030)

自2015年10月教育部發(fā)文《引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》(教發(fā)〔2015〕7 號(hào))以來[1],蚌埠學(xué)院作為安徽省十三所應(yīng)用型高校聯(lián)盟成員,本著“地方性、應(yīng)用型、 開放式、工科強(qiáng)”的辦學(xué)定位,多年來堅(jiān)定不移地走服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展之路,緊密對(duì)接地方優(yōu)勢(shì)特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求,不斷優(yōu)化學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu),持續(xù)提升人才培養(yǎng)質(zhì)量,在教育教學(xué)改革中進(jìn)行了大膽的探索和實(shí)踐。在此種時(shí)代需求的背景下,“信號(hào)與系統(tǒng)”作為蚌埠學(xué)院電子信息、電氣工程、光電信息科學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)工程等本科專業(yè)的主干課程,自2019年以來,蚌埠學(xué)院“通信與信號(hào)處理”教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)該課程進(jìn)行了線上線下混合式教學(xué)模式的探索和實(shí)踐,積累了一定的建設(shè)成果和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)[2]。該課程基于OBE教學(xué)理念,優(yōu)化了教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容,制定了科學(xué)合理的成績(jī)考核方式,提升了學(xué)生的實(shí)踐能力,激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新精神。為提高本校的教學(xué)質(zhì)量、構(gòu)建應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系起到積極的推動(dòng)作用。

1 基于MOOC的線上線下混合教學(xué)

1.1 線上線下混合式教學(xué)模式發(fā)展歷程

通過整合課程資源,“通信與信號(hào)處理”教學(xué)團(tuán)隊(duì)基于學(xué)銀在線MOOC平臺(tái),完成了課程的線上教學(xué)資源建設(shè)。對(duì)課程中的章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行了MOOC視頻錄制,開課期次與學(xué)校的教學(xué)周期同步進(jìn)行。截止目前,已完成了第六個(gè)教學(xué)周期,線上的教學(xué)資源除教學(xué)視頻外,包括自制的課件、教學(xué)日歷、教學(xué)大綱、章節(jié)測(cè)驗(yàn)、作業(yè)庫(kù)和考試庫(kù)等資源,隨著每學(xué)期的不斷更新也越來越豐富。在教學(xué)大綱要求的學(xué)時(shí)范圍內(nèi),線上學(xué)時(shí)比例的分配與每學(xué)期的教學(xué)實(shí)際情況匹配,占比30～40%。學(xué)生除了利用MOOC平臺(tái)進(jìn)行日常的章節(jié)學(xué)習(xí)外,還需要完成同步進(jìn)行的線上作業(yè)和考試等環(huán)節(jié)。課程開設(shè)最初,由于學(xué)生習(xí)慣于線下教學(xué)模式,對(duì)線上環(huán)節(jié)的完成度并不高。很多學(xué)生仍然認(rèn)為課堂內(nèi)的學(xué)習(xí)才是主要的學(xué)習(xí)模式。2020年春季學(xué)期,因?yàn)橐咔橛绊?全部采用了線上教學(xué)模式。經(jīng)歷了疫情之后的每學(xué)期,線上教學(xué)模式已經(jīng)被學(xué)生們普遍接受。2020年秋季學(xué)期,“信號(hào)與系統(tǒng)”課程嚴(yán)格按照線上線下混合教學(xué)模式進(jìn)行。目前,該課程的MOOC平臺(tái)已向公眾開放,已經(jīng)成為校內(nèi)和省內(nèi)外一門重要的在線教育課程。其中,線上平臺(tái)還吸引了云南大學(xué)、華僑大學(xué)、南陽(yáng)理工學(xué)院、包頭師范學(xué)院和中國(guó)民用航空飛行學(xué)院等省內(nèi)外學(xué)生的學(xué)習(xí)[2]。

1.2 優(yōu)化教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容

將學(xué)生的知識(shí)、能力和素養(yǎng)作為教學(xué)的出發(fā)點(diǎn),優(yōu)化混合式課程的教學(xué)體系。首先,結(jié)合MOOC課程的特點(diǎn)將“信號(hào)與系統(tǒng)”的教學(xué)體系進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)面向電子信息大類學(xué)科規(guī)劃了學(xué)科基礎(chǔ)課程群,強(qiáng)化了本?！皯?yīng)用型、工科強(qiáng)”的辦學(xué)定位。優(yōu)化后的課程體系由“電路與電子技術(shù)、自動(dòng)化、信息處理”三大課程群構(gòu)成,如圖1所示。針對(duì)不同專業(yè)的學(xué)生將授課內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 電子信息類學(xué)科基礎(chǔ)課程體系

比如,對(duì)電子信息專業(yè)的學(xué)生,電路與系統(tǒng)的復(fù)頻域分析和系統(tǒng)傳輸函數(shù)等內(nèi)容在“電路”和“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中存在交叉,因此,可以將這些內(nèi)容放在“電路”課程中講授,壓縮拉普拉斯變換等相關(guān)內(nèi)容。而針對(duì)信息處理方向?qū)I(yè)的學(xué)生,在“數(shù)字信號(hào)處理”課程中離散信號(hào)和系統(tǒng)的傅里葉分析是重點(diǎn),可將“信號(hào)與系統(tǒng)”中的離散信號(hào)傅里葉變換內(nèi)容調(diào)整到“數(shù)字信號(hào)處理”課程中去,在后者中重點(diǎn)講述連續(xù)信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)、傅里葉變換和離散信號(hào)的Z變換和系統(tǒng)的Z域分析。如果授課專業(yè)是電氣或自動(dòng)化專業(yè),可將系統(tǒng)穩(wěn)定性判定、信號(hào)流圖、梅森公式等與“自動(dòng)控制原理”重復(fù)的教學(xué)內(nèi)容刪去。狀態(tài)變量分析內(nèi)容中,涉及到系統(tǒng)的控制矩陣等內(nèi)容可放在“自動(dòng)控制原理”中進(jìn)行講授。優(yōu)化后的教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容,使課程群的授課教師分工明確,避免了教師重復(fù)教學(xué),提高了工作效率,消除了學(xué)生聽課的乏味感,從而進(jìn)一步提升了“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的教學(xué)質(zhì)量[3]。

1.3 基于OBE的教學(xué)理念

為體現(xiàn)“工科強(qiáng)”的辦學(xué)定位,在混合式教學(xué)中,引入以成果為導(dǎo)向的OBE教育理念,首先根據(jù)培養(yǎng)方案,在優(yōu)化的教學(xué)內(nèi)容中加強(qiáng)學(xué)生的工程思維能力培養(yǎng)[4]。從工程思維角度出發(fā),將課程內(nèi)容結(jié)合實(shí)際工程案例進(jìn)行教學(xué)[5]。從課程的基本概念、定義,到三大變換的數(shù)學(xué)工具運(yùn)用,都在工程思維中進(jìn)行。比如,在講解非周期信號(hào)的頻率密度時(shí),可采用語(yǔ)音信號(hào)頻譜分析的案例進(jìn)行分析。由于傅里葉變換運(yùn)算稍顯復(fù)雜且難于計(jì)算,因此,在信號(hào)的頻域分析中,可恰當(dāng)?shù)匾隡atlab、Multimsim仿真軟件進(jìn)行工程信號(hào)的運(yùn)算和仿真分析[6]。頻譜分析的結(jié)果直觀明了,學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯得到了提升,更激發(fā)了學(xué)生的探究欲望[7]。同時(shí)要求學(xué)生課后線上提交各種工程信號(hào)的頻譜分析報(bào)告,完成教學(xué)反饋和回溯。再比如,講解反卷積時(shí),通過講解雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)實(shí)例代替空洞晦澀的理論,讓學(xué)生進(jìn)一步理解反卷積的概念以及在地震信號(hào)處理、地質(zhì)勘探等工程領(lǐng)域的重要應(yīng)用,如表1所示課程內(nèi)容與相關(guān)工程案例對(duì)照表。

表1 課程內(nèi)容與工程案例對(duì)照表

理論教學(xué)中Matlab、Multimsim作為輔助教學(xué)軟件,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,也有與課程配套的Matlab系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[8]。另外,學(xué)院的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室在為培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力提供了良好的硬件環(huán)境。如信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)、信號(hào)波形合成實(shí)驗(yàn)波形等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都有助于學(xué)生理解不同信號(hào)的區(qū)別以及周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)展開等與本課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn),為培養(yǎng)應(yīng)用型人才打下了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1.4 科學(xué)合理的課程考核

作為高等教育教學(xué)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),課程考核評(píng)價(jià)體系要科學(xué)合理,混合式教學(xué)的考核融合了學(xué)生在線上線下各環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)任務(wù)的參與度與完成度[9]。課程成績(jī)中,過程性考核占40%,終結(jié)性考核占60%。其中,過程性考核包括線上和線下,線上成績(jī)占50%,由章節(jié)測(cè)試、作業(yè)、考試、討論等任務(wù)組成,成績(jī)占比會(huì)根據(jù)每學(xué)期的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,如表2所示。線下成績(jī)由出勤、課后作業(yè)、分組討論、實(shí)驗(yàn)等組成,如表3所示為課程形成性考核成績(jī)構(gòu)成表。其中,實(shí)驗(yàn)成績(jī)由學(xué)生實(shí)驗(yàn)課堂表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告組成。學(xué)生可實(shí)時(shí)通過MOOC平臺(tái)獲得各項(xiàng)活動(dòng)的評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果可追溯?？茖W(xué)有效的課程考核評(píng)價(jià)體系,能夠激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí),提高學(xué)生的創(chuàng)新性,促進(jìn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

表2 線上線成績(jī)構(gòu)成表

表3 課程形成性考核(評(píng)價(jià))的課程成績(jī)構(gòu)成表

1.5 混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

混合式教學(xué)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示,分為五個(gè)階段?，F(xiàn)以“信號(hào)的頻譜分析與應(yīng)用”教學(xué)內(nèi)容為例進(jìn)行說明。

圖2 “信號(hào)與系統(tǒng)”混合式教學(xué)架構(gòu)

(1)課前線上預(yù)習(xí):在課堂教學(xué)之前,將課堂內(nèi)容提前發(fā)布,布置相關(guān)啟發(fā)式的提問,比如“信號(hào)在頻域內(nèi)進(jìn)行分析,可以從哪些角度去分析?”通過諸如此類問題的預(yù)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生自主思考和提高分析問題的能力。

(2)線下課堂對(duì)線上任務(wù)的回顧與評(píng)判:該環(huán)節(jié)主要由教師來完成,線上學(xué)習(xí)效果如何,需要進(jìn)行回顧和評(píng)判。

(3)知識(shí)的即時(shí)考核:線下課堂利用線上教學(xué)平臺(tái),在課堂上即時(shí)做出各種考核,包括進(jìn)行線上的分組討論和現(xiàn)場(chǎng)提問,提出“周期信號(hào)的雙邊譜和單邊有什么區(qū)別和聯(lián)系?”等問題,培養(yǎng)學(xué)生的歸納總結(jié)能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。

(4)知識(shí)的應(yīng)用與拓展:線下課堂可對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行升級(jí),提出諸如“什么是連續(xù)時(shí)間信號(hào)的頻譜和頻譜密度?”“二者有什么區(qū)別和聯(lián)系?”“周期信號(hào)有頻譜密度嗎?”“一個(gè)實(shí)信號(hào),它的頻譜是對(duì)稱的,那么如何理解負(fù)頻率呢?”等問題,學(xué)生或通過線下課堂的小組討論或通過查閱文獻(xiàn),進(jìn)行課堂即時(shí)回答或線上提交,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、深入思考的能力。

(5)課后任務(wù)和反饋:除線上布置作業(yè)外,線下也要布置作業(yè),相互補(bǔ)充,實(shí)時(shí)地抓住學(xué)生薄弱環(huán)節(jié),強(qiáng)化知識(shí)與能力訓(xùn)練。每個(gè)學(xué)生都可以在課后通過學(xué)習(xí)通提交關(guān)于不同工程信號(hào)的頻譜分析作業(yè)。

1.6 立德樹人的課程思政教育

通過適時(shí)在課程引入中國(guó)制造2025重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之新一代信息技術(shù)戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃關(guān)于信息技術(shù)在國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力的地位描述,潛移默化將社會(huì)主義核心價(jià)值觀、工匠精神、“四史學(xué)習(xí)”等思政元素融入線上和線下的課堂教學(xué),為學(xué)生樹立強(qiáng)烈的責(zé)任感和使命感,激發(fā)學(xué)生們的愛國(guó)熱情,引導(dǎo)學(xué)生投身于中國(guó)新時(shí)代信息建設(shè)中[10-11]。

2 結(jié)語(yǔ)

依托學(xué)銀在線MOOC平臺(tái),“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的線上線下混合式教學(xué)模式,從蚌埠學(xué)院的實(shí)際出發(fā),通過優(yōu)化教學(xué)體系和內(nèi)容,科學(xué)的考核方式,進(jìn)行了探索和實(shí)踐。實(shí)踐結(jié)果表明,學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與自主學(xué)習(xí)能力得到了大幅度的提升,理論知識(shí)和實(shí)踐能力得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。學(xué)生的課程評(píng)教每年均位居學(xué)校前列,學(xué)生的課程任務(wù)完成度好,參與度高,課程的目標(biāo)達(dá)成度也得到了提升。所培養(yǎng)的學(xué)生多次在省級(jí)各項(xiàng)學(xué)科競(jìng)賽中取得了優(yōu)異的成績(jī),畢業(yè)生中也涌現(xiàn)出了多名信息領(lǐng)域的企業(yè)骨干。為建成一流本科課程以及對(duì)其他電子類專業(yè)課程的建設(shè)提供了重要的依據(jù)和重要參考。