生物医学信号处理网络在线课程设计与教学研究

吴水才，周著黄，高宏建，林 岚，杨春兰

（北京工业大学生命科学与生物工程学院，北京100124）

0 引言

生物医学信号处理课程是生物医学工程专业的必修课程，该课程既有理论教学又有实践教学，如何提高课程教学效果一直是教学研究的热点。学生通过该课程的学习，能掌握生物医学信号的产生与特点、医学信号采集系统的构成和医学信号的各种处理方法。随着互联网和移动通信技术的发展，网络在线课程教学日渐普及，其发展打破传统教育在时间和空间上的限制，使学生有更多的时间和机会获取所需知识[1-3]。

目前，在线课程有2 种主流模式[4-7]：教师引领型在线课程（视频公开课）和个人自主学习型在线课程（慕课）。教师引领型在线课程将传统面授课堂的各教学环节数字化，放到在线学习平台，其典型应用是中国大学精品资源共享课。个人自主学习型在线课程是选取课程内容重新进行教学设计，使课程内容模块化，并辅以自动评测的在线测验与考试和在线虚拟实验，支持学生利用零碎的学习时间进行自主学习。这类在线课程打破了传统面授课堂上由一名教师主导的教学模式，支持教师与学生共建在线学习社区，并提供自动反馈式的学习记录，以保证课程的完成率。

中国大学MOOC 基于爱课程网，于2014 年开通（网址：http://www.icourses.cn），目前已与国内40 余所高校开展合作，成为当前中文慕课第一大平台，全国高校均可通过该平台进行在线课程建设和应用。随着互联网的普及，在线学习正改变着人们的学习方式，越来越多的学生通过网络开放的教育资源来提升自己，满足个性化学习的需求。为此，本课题组设计了生物医学信号处理在线课程，基于中国大学MOOC 网在我校生物医学工程专业本科生中实施该课程的自主学习和课堂教学学习，有效提高了学生的自主学习能力和课程教学效果。

表1 生物医学信号处理在线课程视频内容

1 生物医学信号处理在线课程设计

生物医学信号处理课程是生物医学工程专业重要的专业基础课程，其主要目的是使学生掌握生物医学信号的基本特点和基本分析方法，为后续专业课程的学习打下牢固的基础。该课程的特点：（1）理论性强：课程中涉及各种滤波器的设计原理、功率谱分析、小波分析和人工神经网络及应用；（2）实践性强：采用软件编程实现各种数字滤波器、心电信号处理及计算机辅助诊断系统的设计。生物医学信号处理在线课程的设计是基于中国大学MOOC 网和北京工业大学出版社出版的教材《医学信号处理及应用》，按课程章节来组织教学内容，各章节内容之间既相对独立又相互联系，以保证课程知识体系的系统性和完整性。为便于学生利用零碎的学习时间进行学习，在线课程的每段课程内容视频长度控制在15 min 左右，并配有相应字幕。每章节都有课程测验题，供学生在教学视频学习后进行测试。生物医学信号处理在线课程的教学视频是委托智慧树网站在线课程制作团队进行录制，再进一步剪辑加工成片，总共录制教学视频55 个，具体内容见表1。

2 生物医学信号处理在线课程教学

生物医学信号处理在线课程平台建成后，2019年上学期在中国大学MOOC 网上线开课，在我校2016 级生物医学工程专业班试用，实现了以教师为主导、学生为主体的在线开放式和课堂教学式的混合教学。该课程在线网页如图1 所示。

混合式教学授课过程分为线上学习和课堂学习两大部分。具体教学过程如下：教师在每一章节的导学部分布置课前任务，学生通过上网学习课程视频完成知识点的重点学习（如图2 所示）。教师在课堂上先请学生进行课程内容的讲解（翻转课堂），再有针对性地进行授课，帮助学生解决重点和难点问题。课后学生再完成线上平台的在线测试（如图3 所示）。学生可在讨论区提出问题、发表学习体会，教师根据这些问题进行解答（如图4 所示）。在线课程实施中在线交互必不可少，这也是网络在线课程与传统在线课程的差别之一，传统在线课程拘泥于单纯知识传递，而网络在线课程则重视在线交互。

为使学生本人及教师及时掌握学生的学习效果，课程平台提供了学生成绩管理模块，学生在平台中完成课程单元测试和期末考试，该模块自动对学生进行测评并提供成绩证书（如图5 所示）。

图1 生物医学信号处理在线课程网页

图2 生物医学信号处理在线课程视频学习界面

图3 生物医学信号处理在线课程在线测试界面

3 生物医学信号处理在线课程教学效果

生物医学信号处理网络在线课程的建设在国内是首例，并于2019 年上学期首次在中国大学MOOC网实现了上线开课。我校生物医学工程专业本科生的生物医学信号处理课程采取了课堂教学与网络在线学习的互补模式，课堂教学之前要求学生在线进行预习，从而提高学生的自主学习能力；课堂教学之后要求学生在线进行复习，完成课程单元作业，从而提高课程的教学效果。教学实践结果表明：开展网络在线学习与课堂教学相结合的教学模式可有效培养学生的自主学习能力，提高学生的学习效果。图6～8为我校生物医学工程专业学生对该课程教学质量的评价。可知2017 年学生评价分是84.524，满意度为84.565 22%；2018 年学生评价分是81.667，满意度为81.153 85%；2019 年学生评价分是93.667，满意度为92.647 06%。通过上述比较可看出，2019 年学生评教成绩有了明显的提高。

图4 生物医学信号处理在线课程在线讨论界面

图5 生物医学信号处理在线课程学生成绩管理模块界面

但是，生物医学信号处理网络在线课程的教学还存在以下2 个主要问题：（1）学生的高流失率。该在线课程有497 名学生选修（如图1 中所示），但最终只有18 名学生通过测试拿到证书（如图5 中所示）。目前，网络在线课程在我国高校只是学生通过优质网络资源进行专业课程学习的辅助工具，由于不能得到大学承认的学分，很难激发学生的学习热情。如何提高学生的学习耐心和兴趣，保证课程的完成率和通过率是目前网络在线课程教学无法回避的重要问题。（2）网络在线课程评价和认证体系有待完善，要想获得高校和社会的认可就必须建立一套行之有效的评价和认证体系，我国现有高等教育尚未涉及网络在线课程方面的认证，按何种标准、由何种机构对课程进行评价和认证是网络在线课程所面临的直接问题。

图6 2017 年学生对生物医学信号处理课程教学质量的评价

图7 2018 年学生对生物医学信号处理课程教学质量的评价

图8 2019 年学生对生物医学信号处理课程教学质量的评价

4 结语

本文主要介绍了生物医学信号处理网络在线课程的建设及教学应用，在课程教学中采取线上学习和传统课堂教学的混合教学模式，做到优势互补、取长补短。学生在线学习时遇到的共性和个性问题可以通过传统教学阶段的学习解决，从而提高学生的自主学习能力和课堂教学效果。

网络在线课程的特点是在线、免费式教学，由于多数学生自律性较差，在学习中一旦遇到问题会中断学习，造成网络在线课程的流失率增加。目前我国大部分学生进行网络在线课程学习只是出于兴趣和爱好，这种学习激情难以持续，当务之急就是建立一套完整的网络在线课程教学管理制度，使该模式教学最终得到高校和社会的认可，这也是网络在线课程得到可持续发展的前提和保障[8-11]。

总之，网络在线课程对我国高等教育改革既是机遇又是挑战，其通过网络技术与教育相融合的教学模式正逐渐融入我国的高等教育体系之中。但网络在线课程在教学活动中仍存在诸多问题和不足[12]，还须努力探索破解网络在线课程在我国高等教育发展中的困境，使其在我国高等教育领域中得到健康发展。