教育信息化2.0时代的数字信号处理课程教学改革实践

孙晓艳 王稚慧 要趁红 张立材

[摘           要]  随着教育信息化2.0时代的到来，如何将以人工智能等新型信息技术为核心的教育模式与实际的教学活动相结合是亟待解决的问题。阐述了已有新型教学模式和信息化手段在数字信号处理课程中的应用，并给出了已有应用结果的数据分析。

[关    键   词]  教育信息化2.0;数字信号处理;慕课

[中图分类号]  G642               [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2019）04-0210-02

一、前言

2018年4月，教育部出台了《教育信息化2.0行动计划》，是继2012年出台的《教育信息化“十三五”规划》之后，又一次全国层面出台的综合性教育信息化规划文件[1]。教育信息化的1.0阶段是基于Web2.0等传统信息技术所支持的智慧教育[2]，确定了“应用驱动”和“机制创新”的基本方针[3]。2017年，随着人工智能的大力发展和广泛應用，教育信息化2.0以人工智能为核心实现教育的创新与发展。

数字信号处理是通信工程专业的专业基础课程之一，具有理论性强但应用广泛、概念多且抽象、公式推导多且物理意义难等特点。数字信号处理课程固有的特点导致在实际的教学过程中知识直观性较低，课堂互动性和生动性较低，且学生学习的主动性较差，知识的实际应用能力较弱等一系列的问题。因此，如何在教育信息化2.0时代，以人工智能为核心，充分利用“互联网+”等信息化技术手段，提高数字信号处理课程的教学质量和学生的学习主动性，培养学生的创新性思维和解决实际问题的能力，是一个亟待解决的问题。

二、基于教学内容的课堂教学模式改革

首先，已有的数字信号处理教材可以分为两大类。一类是偏重于理论推导的教材，另一类是近几年出版的基于Matlab或LabView等软件的将理论与Matlab或LabView仿真实例相结合进行基本概念和基本原理阐述的教材。针对学生的实际学习困难，考虑实际教学课时数限制，将大量的Matlab程序实现及其讲解在教材中以二维码的方式呈现，供学生或教材使用者在课后进行学习。为此，我们编写了《数字信号处理及其Matlab实现——慕课版》教材。

其次，数字信号处理课程是信号与系统课程的延续，其与相关课程间的关系如图1所示。由图1可知，从大一高等数学、复变函数与积分变换等课程开始，学生进入数学基础课程的学习;之后学生在大二信号与系统课程中建立了系统的概念，为数字信号处理的学习打下了坚实的基础;最后学生通过后续数字图像处理等专业方向课程的学习，形成了四年不断线的数字信号处理系列课程体系。信号与系统课程主要讲解连续信号与系统，而数字信号处理课程主要讲解离散信号与系统。因此，将数字信号处理课程的教学内容按照其与信号与系统课程间的耦合关系进行分类。一类是紧耦合内容，例如离散时间信号与系统、时域离散信号的频域分析等。紧耦合的教学内容在实际的教学中，将教学课件发布到网络平台，让学生通过网络平台自行进行学习。在课程中，采用翻转课堂的形式，以学生为主进行讲解，而教师进行答疑解惑，或知识的补充。而另一类就是数字信号处理课程与信号与系统课程松耦合的内容，例如，离散傅里叶变换、滤波器算法与设计等。这类教学内容在课堂教学中，采用微助教、雨课堂和学习通等课堂教学工具，通过精心设计相应的教学环节，增加教师与学生的互动，在一定程度上提高学生的课堂参与度和学习积极性。课后学生通过课程网络平台中发布的作业对课堂知识进行巩固;通过课程网络平台中的慕课视频对相应知识进行拓展。

通过这一系列的措施可以将知识资源数字化，充分利用互联网资源，实现教育信息化2.0时代下的教育资源观转变和教育技术观转变。

三、与“互联网+”相结合的考核方式改革

课程考核是教学过程中的一个重要环节。传统的考核方式通常是课程结束后用一次考试来考核评估学生对相应课程的掌握程度。这种方式的弊端是导致部分学生平时松懈，只在考试前的一周，甚至是一个晚上学习需要考核的内容。为了解决类似这种问题，充分调用学生学习的积极性，采用过程化考核方法，即结合学生的课堂出勤、课堂表现、小组协作、试卷多方面进行考核，并且将包括课堂出勤、课堂表现、小组协作在内的平时成绩在最终成绩中所占的比重加大至50%，甚至是60%。

在教育信息化2.0时代，课堂表现可以借助微助教、雨课堂和学习通等课堂新型教学手段，根据课程实际教学内容增加讨论、抢答、点答等环节。教师精心设计的这些教学环节不仅可以活跃课堂气氛，也可以随时掌握学生对相关知识点的掌握情况。

为了提升学生的动手能力和对实际工程问题的分析和解决能力，教师选取数字信号处理相关知识对在实际工程项目中的应用进行立项。以项目为导向，3～4个学生自由成组，分工协作完成项目中的任务。协作完成项目的学生在课堂中进行项目答辩和项目成果展示。最终的小组协作成绩由教师打分、组间互评和组内互评3部分成绩组成。

四、基于数据分析的教学效果评价

在教育信息化2.0背景下，教学效果的评价不仅仅局限于课程结束后的一张试卷，而是基于多个不同的评价维度，贯穿在整个课程的教学过程中的实时评价分析体系。例如，通过对慕课平台中学生观看相应视频的时长进行统计，可以分析出学生对视频感兴趣的情况;通过对慕课平台中相应视频学生的回看次数，可以分析出该视频包含知识点学生的理解掌握情况;通过雨课堂、微助教等中课堂互动环节的学生相应信息，可以对相应知识点的学生掌握情况进行分析评价;课程平台中的作业完成情况，可以根据每道题目学生的答题情况进行分析。

以2017—2018学年第1学期我们的数字信号处理课程的网络平台数据为例，课程教师团队共制作61个慕课视频任务点供学生学习。网络平台面向全网开放，其中本校学生60人，外校学生80人。

另外，网络教学平台中开发制作的61个慕课视频的总时长为347分钟。本校学生网络平台慕课视频观看平均时长为338分钟，任务点完成平均百分比为90%;而外校学生慕课视频观看平均时长为182分钟，任务点完成平均百分比为48.64%。本校的学生在任课教师的引导下，结合课堂教学进度能够很好地完成网络教学平台发布的任务点。外校学生由于缺乏任课教师的管理和组织，还有可能因为教材不配套等客觀原因导致平均观看时长较短以及任务点完成平均百分比较低的问题。虽然外校学生的平均观看时长和任务点平均百分比较低，但是有17名学生观看了所有的慕课视频并完成所有的任务点，66名学生观看了70%的慕课视频并完成相应的任务点，分别占校外参与网络学习平台人数的14.91%和57.89%。

图2给出了数字信号处理网络教学平台中每个视频的本校学生观看完成平均百分比。由图2可知，本校学生除了第一个慕课视频以外，每个慕课视频的平均完成百分比均在80%以上，证明了所有慕课视频的有用性。

图3给出了每个慕课视频学生重复观看的平均百分比。由图3可知，数字信号处理网络教学平台中每个视频都有一定的重复观看比例。不同的重复观看比反映了学生对相应慕课视频中内容的掌握程度，即掌握程度越低，重复观看比例越高。而对重复观看比例较高的慕课视频中的知识点，例如图3中，网络平台中的第25、40和44个慕课的重复观看百分比均大于40%，则说明相应的知识点学生理解较困难，需要在课堂上进行进一步的讲解。

五、总结

在教育信息化2.0时代，充分利用以人工智能为核心，以“互联网+”等信息化技术手段，通过基于课程内容的教学模式改革中，充分利用已有的慕课或微课资源，运用翻转课堂提高学生的学习主动性。通过精心设计的课堂互动环节，不仅可以增强学生的学习兴趣，而且可以对教学效果进行及时评价，便于灵活调整教学内容和方法。通过以项目为导向的分组协作，培养学生的创新性思维和解决实际问题的能力。

参考文献：

[1]吴旻瑜，吴晓菲.教育信息化2.0的时代逻辑：《教育信息化2.0行动计划》解读之一[J].远程教育，2018（4）：4-10.

[2]郑旭东.智慧教育2.0：教育信息化2.0视域下的教育新生态：教育信息化2.0行动计划》解读之二[J].远程教育，2018（4）：11-19.

[3]杨宗凯，吴砥，郑旭东.教育信息化2.0：新时代信息技术变革教育的关键历史跃迁[J].教育研究，2018（4）：16-22.

编辑 马燕萍