混合教学模式下“现代信号处理”案例教学探索

张晓光 段元星 王艳芬

[摘 要] 教育部十年规划与“金课”的提出彰显了国家对高校教育教学的高度重视，“线上+线下”混合教学模式已成为变革课堂教学的必然，但其在实践过程中存在一些问题。以拓宽电子信息专业学生视野、培养他们解决复杂问题的能力和思维为目标，阐述了混合教学模式下“现代信号处理”课程案例教学改革方案，介绍了该课程的案例教学设计。以心电信号工频干扰消除为例，详细说明了该课程在课前、课中和课后三个环节互相影响、互为补充、形成良性循环的案例教学实践。为了检验教学效果，与传统教学方法的考核结果对比，结果表明，混合教学模式下的案例教学有助于提升学生的理论分析能力和实践动手能力。

[关键词] 混合教学模式;案例教学;心电信号工频干扰消除

[课题项目] 2020年度教育部高等学校电子信息类教学指导委员会“电子信息类课程渐进混合教学模式应用研究”（2020-YB-54）;2019年度中国矿业大学研究生教研课题“‘现代信号处理课程案例库建设与案例教学”（2019YJSJG025）;2019年度中国矿业大学教学研究项目重点课题“互联网+视域下渐进混合式教学模式改革与应用”（2019ZD03）

[作者简介] 张晓光（1978—），女，辽宁昌图人，博士，中国矿业大学信息与控制工程学院副教授，硕士生导师，主要从事信号处理与高等教育研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）15-0022-04   [收稿日期] 2020-10-29

教育部十年规划与“金课”的提出彰显了国家对高校教育教学的高度重视[1，2]，也对教学优化策略给出了顶层指引，混合教学模式已成为变革课堂教学的必然，成为提升教学质量、培养一流人才的重要抓手。目前国内高校纷纷大力建设在线课程，积极推行“线上+线下”混合教学模式，但是在实际授课中，学生对混合教学模式中开展的小班分组、问题研讨等教学方式比较积极，对公式繁杂、理论抽象内容的理解始终不够深入，学习劲头不足，究其原因是学生所学内容脱离现实生活，不容易理解。鉴于此，开展混合教学模式下的案例教学改革与实践尤为重要。

一、混合教学模式下的案例教学方法改革

混合教学是网上在线学习和常规教室教学的有机结合[3]，涉及课堂内外的学习资源建设、教学设计、师生互动、拓展任务和考核评价等多个环节[4]。案例教学法是以具体典型事件或生活情境为基础，围绕教学内容和教学目标而开展的一种互动教学[5，6]。利用混合教学模式下的案例教学方法能够较容易地完成被动学习模式向主动学习模式的转换，激发学生的学习兴趣，提升学习效果。

二、混合教学模式下课程案例教学设计

（一）案例选取与设计

教学案例需要服务于教学目标。首先，选取与设计的案例必须与所学章节知识点高度相关;其次，应该具有关注度，能瞬间吸引学生的注意，激发出他们的学习兴趣;再次，最好具有综合性，能够把孤立的知识点成功串起来，将所学知识迁移运用到实践问题中，提升学生的高阶思维和综合能力。例如针对中国矿业大学的“现代信号处理”课程，选取与设计的教学案例与知识点对应如表1所示。

（二）案例教学的实施方法

针对课程内容前后衔接关系和对应的知识点特征，分别采用案例导入式、案例问题启发式、案例比较式及综合案例分析方法实施案例教学。

案例导入式教学法是指在教学课堂上，通过有趣的案例导入授课内容，用以激发学生的求知欲望;案例比较式教学法是指利用不同算法或者实现方案，实现类似功能的案例;案例问题启发式教学法是指引入与工程背景密切相关的案例，然后引导学生发现潜隐于案例中的工程问题，分析产生问题的原因和解决问题的办法，紧扣课程所授内容知识点;综合案例分析教学法是指通过一个涵盖了多个核心知识点的综合案例，通过案例子任务将课程多个教学内容贯穿起来。

三、混合教学模式下课程案例教学实践

（一）案例教学实践

在教学过程中，案例教学按照“课前案例准备—课中案例教学—课后案例总结”的混合模式进行，利用“基于LMS算法的自适应滤波器设计”可以进行心电信号工频干扰消除。下面以此为例，进行“现代信号处理”课程案例教学实践说明。

1.课前案例准备。在讲解基于LMS算法的自适应滤波器设计内容时，在课前一周，教师就会利用慕课等智慧工具分别推送事先准备好的导学案，其内容包括章节名称、视频所在网址和名称、学习目的、应具备的经验知识、学习内容和要解决的问题等，要求学生进行在线自主学习，在“先问题，后学习”的氛围中为线下课中案例教学铺垫知识。例如，对应这两个相关而又不同的教学内容，要求学生在课前自主掌握的问题如下：一是自适应噪声抵消系统的构成;二是LMS算法原理;三是Matlab或C语言程序实现。同时，鼓励学习小组之间互相讨论，并实行组长监督制，提高学生自主学习和团队协作能力。

2.课中案例教学。课中分为教学课堂和对应的实验课堂，下面分别详细说明教学课堂和实验课堂中的案例教学实践过程。

第一，教学课堂。教师首先通过慕课推送与学习任务相关的基础问题，以检验学生课前对知识点的掌握情况，通过慕课测试可以瞬时得到测试结果，此时教师可以根据学生的出错率情况对知识点进行梳理，帮助学生理解和掌握重点知识，聚焦学习目标。关于“基于LMS算法的自适应滤波器设计”内容的知识点测试，主要以填空题、判断题或选择题的形式来考查上文中提到的课前要求学生自主掌握的问题。

通过案例导入课题。测试完知识点，并带着学生有重点的梳理完重点知识后，利用案例导入式教学法，在教學课堂上直接导入如图1所示的含有50Hz工频干扰的心电图信号，引导学生观察心电图信号的时域和频域波形，找到50Hz工频干扰对心电图信号带来的影响。

根据图1，有学生首先指出设计一个低通或带阻滤波器，滤除50Hz干扰信号即可，此时适时引导学生通过本节课程“基于LMS算法的自适应滤波器设计”的理论学习和实验操作，用其对心电信号干扰消除可以达到比低通或带阻更好的效果。接下来，将如何基于LMS算法的自适应滤波器设计一个自适应陷波器的问题进行分解，拆分为以下几个相关问题：一是自适应滤波器原理是什么？二是自适应噪声抵消系统原理是什么？三是当噪声为单一争先分量，如50Hz工频干扰，自适应抵消系统即为自适应陷波器吗？四是请按自适应噪声抵消系统结构框图，设计含有加权系数的单频自适应陷波器框图。针对以上问题，首先支持每个学习小组内部讨论并解决问题;然后留出时间引导学生进行大讨论，直到所有理论问题得以解决。整个讨论过程，以学生合作学习为主，教师负责引领、组织、控制和评价，起到辅助的作用。

第二，实验课堂。当案例子任务对应的理论教学一结束，也就是在对应的实验课前大概一周时间，通知学生要做的实验任务，尤其是案例实施任务，要求班級学生以小组为单位，提前进行实验预习和相关程序设计。根据理论课上围绕案例开展的讨论和方案规划，以及小组实验课前的预习，在实验课上，要求学生在掌握LMS自适应滤波器理论知识[7]的基础上，设计合适的自适应陷波器，如图2所示。图3所示为基于自适应陷波器的心电图信号工频干扰消除波形，从时域图中可以看到波形前部存在震荡，这是因为自适应算法需要一个学习的过程。从频域图中可以看到自适应工频干扰消除对原始心电图信号影响较小，滤波效果较好。实验结束之前，教师检查实验数据和波形，并随机提问与实验相关的理论问题，依此对实验课堂表现打分，同时提醒学生记录实验数据和波形。

第三，课后案例总结。案例拓展任务，主要是给学有余力且有兴趣的学习小组的课后任务，教师负责指导和答疑。关于心电信号工频干扰消除的课后案例拓展，会要求学生小组继续就心电信号经常存在的肌电干扰和基线漂移噪声，利用自适应算法和小波变换进行去噪。当包括拓展任务的整个案例完成后，要求每个研究生小组提交一份案例实践报告，然后选出一组最优案例，并推荐该组学生代表就案例做一次报告，与其他学生分享和交流。

（二）考核结果对比

为了检验“现代信号处理”课程混合教学模式下案例教学方法改革的效果，与传统教学方法的考核结果做了对比。2019学年某班研究生利用学堂在线进行了混合教学模式下案例教学方法的改革，其中最终考核包括理论考试、案例实验、平时成绩三个部分。为了简化统计且尽可能地减小误差，课程对比了2018—2019年学生的理论、实验平均成绩（如表2所示），同时对2018—2019年学生考核总成绩分值分段占比进行了对比，如图4所示。

由表2和图4数据可以看出，采用混合教学模式下的案例教学改革方法，在分值上中等生和差等生的提高更明显，且根据几年平均分数和学生综合表现看出，改革有助于提升学生的理论分析能力和实践动手能力。

四、结语

混合教学模式下的“现代信号处理”课程案例教学实践，以拓宽电子信息专业学生视野，培养他们解决复杂问题的能力和思维为目标，选取或设计具有工程背景的案例，注重课前、课中、课后三个教学环节的有效衔接和良性循环，激励学生主动学习，提升学习效果。

参考文献

[1]教育部.教育信息化十年发展规划（2011—2020年）[J].中国教育信息化，2012（8）：3-12.

[2]吴岩.建设中国“金课”[J].中国大学教学，2018（12）：6-11.

[3]苏小红，赵玲玲，叶麟，等.基于MOOC+SPOC的混合式教学的探索与实践[J].中国大学教学，2015（7）：62-67.

[4]李逢庆，韩晓玲.混合式教学质量评价体系的构建与实践[J].中国电化教育，2017（11）：113-118.

[5]张晓光，汤文豪，王艳芬，等.数字信号处理案例教学法研究与实践[J].实验技术与管理，2018，35（5）：214-217+235.

[6]张培玲，张中卫，李辉.《现代信号处理》课程案例教学方法研究[J].读与写（教师版），2018（11）：1.

[7]张泾周，张光磊，戴冠中.自适应算法与小波变换在心电信号滤波中的应用[J].生物医学工程学杂志，2006，23（5）：977-980.

Exploration of "Modern Signal Processing" Case Teaching in Mixed Teaching Mode

ZHANG Xiao-guang， DUAN Yuan-xing， WANG Yan-fen

（School of Information and Control Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116， China）

Abstract： The Ministry of Educations ten-year plan and the introduction of the “Gold Class” have shown that our country attaches great importance to college education and teaching. The online and offline mixed teaching model has become a necessity to transform teaching， but it has encountered bottlenecks in practice. This article aims to broaden the students‘ horizons of electronic information majors and cultivate the ability to solve complex problems and thinking. It explains the reform program and teaching design of the case teaching of modern signal processing course in the mixed teaching mode. Power frequency interference cancellation of ECG signals is taken as an example， which explains the case teaching practice of  before class， during and after class in detail. In order to test the teaching effect， it is compared with the assessment results of traditional teaching methods. The results show that case teaching under the mixed teaching mode helps to improve students' theoretical analysis ability and practical ability.

Key words： mixed teaching model; case teaching; the elimination of power frequency interference of ECG signal