以“数字信号处理”课程为例进行渐进混合式教学模式的探索与实践

王艳芬，张晓光，张 林，王 刚，孙彦景

（中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116）

以2018 年新时代全国高等学校本科教育工作会议召开为标志，全国吹响了一流本科教育改革的号角。教育部密集出台了《关于加快建设高水平本科教育 全面提高人才培养能力的意见》等系列文件，对金课“两性一度”的内涵做了进一步明确，“两性一度”最终要体现在教学内容、教学方法和教学模式的改革。近年来大规模在线开放课程和学习平台的兴起，拓展了教学时空，扩大了优质教育资源受益面，与此同时混合式教学受到普遍关注[1-5]。混合式教学是网络课堂教学（线上）和实体课堂教学（线下）相结合的一种教学模式。翻转课堂是混合式教学的一种高级形态，是线上线下混合式教学的有效策略和方式。所谓“翻转”，就是指教学主动权从教师到学生的转移，突出强调了“学”优先于“教”[6-7]。这是由以教师“教”为中心转向以学生“学”为中心的新范式变革，已经成为目前教师开展教学探索的一个方向[8-10]。

但是混合式教学改革没有统一的模式，如何有效开展混合式教学方法改革，不能千篇一律，也不会一蹴而就。本文以“数字信号处理”课程为例，探讨在线上线下渐进混合式教学模式改革及教学体系设计方面的具体做法。我校“数字信号处理”课程2010 年被评为江苏省精品课程，之后持续进行了线上慕课资源建设和线下教材资源建设。所建设的慕课资源在中国大学MOOC 平台上开课4 期，并获江苏省在线开放课程立项，自编的课程教材获评江苏省高等学校重点教材[11]。

1 渐进混合式教学改革的教学体系设计

“数字信号处理”是一门理论性很强且与实际工程应用结合紧密的课程。课程教学以“学以致用”为基本原则，在强化基本知识的同时，要重点培养学生的综合素质和能力。使学生通过学习，掌握数字信号处理的基本概念和基本理论，学会如何应用数字信号处理的方法和模型来解决工程技术领域的实际问题，培养学生严谨的科学态度和创新的科学思维。

为实现课程目标，总体教学设计思路是：围绕立德树人根本任务，以教学资源建设为助力，开展线上线下混合式教学方法改革，探索以学生“学”为中心的教学模式新范式，努力提高学生的综合能力。

从小班分组、项目驱动以及基于“慕课堂”和思维导图的师生互动教学模式改革入手，搭建“立体化”课堂，不断改进教学评价体系，构建促进“理论Theory +实践Practice +协作Cooperation”的TGC 三能力提高的渐进混合式教学体系，如图1 所示，使学生的理论分析能力、实践动手能力和团队协作能力都能得到较大提升。

图1 “理论+实践+协作”三能力提高的渐进混合式教学体系

为充分利用中国大学MOOC 在线开放课程教学资源，调动学生自主学习积极性，促进学生TGC 综合能力的提高，将“数字信号处理”课程内容划分为基础模块、频谱分析模块、数字滤波器模块，每个模块设置一个专题研讨任务，最后再结合实验模块开展综合性较强的研讨课题。按照课程授课时间顺序，循序渐进地减少课内线下教师授课时间，增加学生课外线上自主学习时间及线下教师与学生面对面交流互动和研讨学习时间，形成渐进混合式教学模式。其中，合理进行线下线上教学内容、项目专题研讨任务及多维度考核评价体系的设计非常重要。

混合式教学融合了建构主义教育理论的思想。按照建构主义教育理论，学生是信息加工的主体，是认知结构的主动建构者，教师是意义建构的帮助者、引导者与促进者。该理论主要的教学模式为抛锚式教学模式，也称为情境式教学模式，主要目的是使学生在一个完整、真实的问题背景中，产生学习的需求，通过学生间的互动交流即合作学习，自行学习体会并达到学习目标[12]。其中，协作能力的培养非常重要，所组织的课堂和课外活动基本都是以学生小组为单位开展的。

2 渐进混合式教学模式改革与实践

2.1 线下和线上教学资源

教学资源是实现人才培养目标的重要支撑，是进行线上线下混合式教学的重要基础。本课程混合式教学利用的线下资源采用自编教材《数字信号处理原理及实现（第3 版）》[11]，配套有学习指导书[13]和电子教案等。教材内容除绪论外包括4 个模块（3 个课程内容模块和1 个实验模块），如图2 所示。

图2 自编教材知识模块

与此同时，注重将课程知识与信息技术深度融合，将经典理论与软件仿真有机结合，重构教学内容，将MATLAB 仿真贯穿始终。本课程线上教学资源是自建的在线开放课程（中国大学MOOC 平台），按照自编教材内容编排，提供8 个单元、时长969 min 的75 个视频段，以及单元测试、单元作业、知识点小结、讨论题、随堂测试、单元知识图谱等丰富内容。每个单元都有MATLAB 实例讲解，体现了对算法实现的重视。

2.2 基于问题的四步翻转式教学

由课程内容凝练出若干个问题，基于小班分组开展教学活动。教师负责对各小组分配学习任务（给出讨论问题），控制教学进程。所采用的四步翻转式教学如图3所示，包括课题准备、学生自主协作学习、学生学习成果展示和学习评价。以“DFT 的对称特性及其应用”为例，教师首先结合课程内容的第2 模块即自编教材的第3、4 两章的有关内容准备了6 个问题，提前一周通过“慕课堂”推送，并组织课堂讨论。在讨论时可能会遇到两种情况，一是一组学生代表上台讲解本组观 点后，其他小组没有回应，出现冷场；二是几个小组的学生对某问题展开激烈争论，出现较为活跃的场面。要很好地面对这两种情况，教师需要提前对所讨论的问题做好充分的准备和设计。对于“静”场面，教师应引导讨论或提出引申的问题深化讨论；对于“动”场面，虽然教师一般会十分乐见，但应注意把控讨论的方向和时间，及时进行归纳性总结和评价。比较来看，适度的“动”有助于提升学生在课堂上的思维活跃度，有助于提高课程的教学质量[14]。

图3 四步翻转式教学

2.3 基于项目的探究研讨性实验翻转

精心设计与教学内容紧密结合的实验实践项目，再将实验实践项目设计为课前项目准备、课中项目教学、课后项目拓展三个教学环节，使线上学习与线下活动相融合。整个过程以学生为主、教师为辅，使学生适应翻转课堂的节奏，增加学生对课程内容的参与、体验及分享，通过使课堂内容与项目实践应用相结合，激发学生的学习兴趣和探索潜质。例如将原8 学时的3 个实验内容进行重新安排，其中的部分内容由学生在课前通过线上自主学习完成。总体上，教学以小组为单位，围绕某综合性的探究课题，通过课前、课中、课后三个环节实现大班授课和小班研讨，共分四个阶段（每阶段2 学时、相隔一周），如表1 所示。其中的探究课题（共8 个供学生选择，也鼓励学生自选课题）是教师结合科研或教研成果精心设计的，实用性和综合性较强，均涉及频谱分析和数字滤波器设计及实现等课程核心内容。

阶段一（基础课题研讨）。课前教师利用“慕课堂”推送必做的基础研讨课题和可“多选一”的探究项目课题，要求学生通过线上资源复习准备频谱分析等相关知识。课中各小组在讨论和合作学习基础上，进行基础课题汇报，同时确定探究课题选题。课后各小组与教师团队及其研究生帮扶结对，为所选定的探究性课题做好准备。

表1 基于项目的探究研讨性实验教学设计

阶段二和阶段三（过程训练）。课前学生通过线上资源复习准备数字滤波器相关知识，各小组合作编写滤波器实验部分程序。课中围绕探究课题过程训练，以小组为单位进行自由讨论，教师负责答疑解惑。课后各小组在教师团队的指导下，进一步完善和提升所选定的探究性课题。

阶段四（探究课题成果汇报）。课前要求各小组完成基础课题研讨报告，并全面梳理探究项目课题，制作汇报PPT。课中各小组汇报答辩，采用“教师提问打分+小组互评打分”的师生共同评价方式。课后各小组根据彼此研究成果的分享，反思弥补自己实践和专业知识的不足，整理报告，总结收获，实现知识迁移与运用。

在进行讨论时，学生一般能按要求仿真出波形，但对问题的分析往往不够深入或存在疑惑，此时教师应由浅入深地引导学生对问题进行深入分析。例如，在阶段一的基础课题研讨中，针对周期信号的DFT 频谱分析中经常遇到的问题（如栅栏效应、频谱泄露等），教师应引导学生理解问题产生的现象和原因，并引导他们提出解决办法（见表2）。

表2 对频谱分析相关问题的分析与引申例子

2.4 基于“慕课堂”、思维导图的师生互动教学

在教学中，采用“慕课堂”、雨课堂、超星学习通等智慧工具可以提升课堂的教学体验，使师生之间互动增加、教学氛围更为轻松[15-16]。本课程通过“慕课堂”和中国大学MOOC 平台，进行课前、课中、课后的全景教学设计，统筹规划线上课程和线下课堂两部分教学，通过签到、点名、练习、公告等功能支持多种课堂互动场景，如图4 所示。“慕课堂”还可以与思维导图的运用相结合，进一步提高师生的互动效果。在正式讲课前，用思维导图回顾上节课的知识点，用“慕 课堂”小练习检查上节课知识点掌握情况；讲课后，用思维导图总结本节课的知识点。同时，要求学生在每个知识模块学习结束之后，按照自己的理解来绘制自己的思维导图。

图4 基于“慕课堂”的教学活动

2.5 多维度考核评价方式

课程采用多维度考核评价方式，从“智识（理论基础、科学逻辑思维）”“能力（理论联系实际、团结协作能力）”“行为（翻转课堂、小组讨论、探究答辩等表现）”等多个维度进行综合考核评价，完善对学生学习过程的监测、评估与反馈。

总成绩包括理论考试60%、探究研讨实验15%、线上15%、线下10%四部分，如图5 所示。其中，线上平时（15%）包括单元作业、单元测试等，侧重对基础理论知识点掌握情况的考查；线下平时（10%）包括“慕课堂”测验、翻转讨论和思维导图，侧重对知识掌握、协作能力及总结能力情况的考查；探究研讨性实验（15%）包括基础课题研讨和项目探究等，侧重对理论联系实际能力、探究能力等综合素质的考查；理论笔试成绩（60%）侧重对基本概念、基本计算和基本原理掌握情况的考查。

图5 多维度考核评价方式

3 改革成效

经过多年的教学改革，通过线上线下混合式教学，学生的平均成绩有较大提高，特别是学生的自信心和专业责任感明显增强。此外，课程团队也取得了丰硕成果。近五年来，承担省级教学研究项目3 项、校级研究项目7 项（含课程思政项目1 项），发表教学论文17 篇（其中核心期刊14 篇），出版教材6 部，教学获奖22 项（其中省级/协会及以上7 项）。所获奖项包括江苏省教学成果一等奖1 项，煤炭行业教学成果奖特等奖和二等奖各1 项，自编主教材为江苏省高等学校重点教材并获校教学成果一等奖。自建慕课资源获江苏省“十三五”在线开放课程立项，所在团队为校优 秀教学团队，团队教师获江苏省高校微课比赛二等奖、校青年教师比赛特等奖等。最近，团队两位年青教师在教学中分别带领学生开展的两个探究研讨项目的参赛作品，双双获得第七届全国电工电子基础课程组（华东赛区）实验教学案例设计竞赛一等奖。

4 结语

本文探讨的通过翻转课堂进行线上线下混合式教学只是课堂教学的一种形态。实际上，混合式教学是没有统一模式的，否则就无法实现“因材施教”。但混合式教学有统一的追求，那就是要充分发挥线上和线下两种教学的优势，改进传统教学，改变学生学习主动性不高、课堂参与度不高、综合能力不强等问题。今后，我们将继续推进教学方法改革，按照“两性一度”标准持续进行课程建设，打造“一流课程”，培养“一流人才”。