电子信息类核心课程线上教学模式改革与探索

彭 鑫， 谢文武， 朱 鹏， 余 超

(湖南理工学院 信息科学与工程学院，电子信息与通信技术国家实验教学示范中心，湖南 岳阳 414000)

0 引言

面对新冠肺炎疫情的防控形势，教育部对全国高校提出2020年春季学期“停课不停教，停课不停学”的要求，号召各线上教学平台免费开放慕课和虚拟仿真实验的使用权限，支持各高校利用已有的精品类课程资源进行线上教学[1]。以往信息化教学仅是辅助教学手段，而疫情期间转变为课堂教学的唯一渠道，让人们对信息化教学有了更为清晰的认识，极大地推动了信息化教学的发展进程[2,3]。由于全程线上教学对广大教师而言是一次全新的尝试，不同学科专业线上教学方式因其课程内涵的不同也存在显著差异。

本文以湖南理工学院疫情防控期间“信号与系统”课程教学模式为例，对电子信息类核心课程线上教学进行深度探索。

1 线上教学面临的机遇与挑战

电子信息类专业核心课程通常理论与实验并重，并且理论与实验环节深度耦合相互衔接。线上教学针对这类课程应有针对性的措施。教育部线上教学指南推荐的中国大学MOOC(爱课程)、学堂在线、超星、智慧树等各大慕课平台能够提供线上慕课，还具备移动端学习功能，可以进行直播、作业、答疑、统计等。腾讯课堂、阿里钉钉则进一步强化了线上直播的教学效果，有效地拓展了教育教学的时空和边界，对于理论环节的教学可以提供有力支撑[4]。虚拟仿真实验平台对于信号处理类实验可以提供理想的实验环境，但是硬件实验还难以实现。通过疫情期间的大规模尝试，线上教学尚面临一些挑战。

第一，线下课堂中算法与公式的推导甚至师生间眼神肢体互动都是教学信息传递的重要部分。现有的技术手段可以实现课程硬知识的传递，但无法充分支持师生的深度研讨。

第二，电子信息类核心课程内容系统性强，环环相扣。线上教学过程中，教师难以实时获取学生反馈。虽然教学平台支持随堂测试和点名功能，但线上测试与线上的教师讲授无法同步，对于教学进程的推进难以准确控制。

第三，专业核心课程实验项目需要与理论内容相互支撑。线上教学平台虽提供了虚拟仿真实验功能，但是第三方的虚拟仿真课程可裁剪性不足，教师可定制的实验环节设计是线上教学必须解决的问题。

第四，线上考试系统已可支持客观题的测试与判卷，但是电子信息类专业课程考核要求有系统性、综合性，不能通过大量的客观题进行考核。综合题还需要教师的深度介入，利用线上教学考试平台进行学生学业过程性评价是线上教学面临的挑战。

本文针对上述挑战以“信号与系统”课程为例，构建了行之有效的线上教学模式，基本达成课程的教学目标。

2 “信号与系统”线上教学实践

“信号与系统”是电子信息类专业开设的专业核心课程。该课程以信号的时域与变换域分析为核心内容，阐述通信信号的分析与处理原理，让学生从系统层面理解通信系统中信号处理面临的主要理论问题，从而培养学生的系统思维能力和工程素养，为从事信号处理领域的相关工作提供专业思维[5]。教学设计基于建构主义理论，形成以教师为主导，学生为主体，精品慕课为依托，线上资源为拓展，直播研讨为支撑，仿真实验为手段，过程评价为依据的信号与系统线上教学模式，如图1所示。

图1 “信号与系统”线上教学模式

2.1 线上教学模式的构建

教学使用的线上精品慕课课程为中国大学MOOC平台哈尔滨工业大学俞洋教授的“信号与系统”课程。为了更好地将慕课应用于本校教学，采取校内SPOC形式，教师可以按照教学进度对内容进行裁剪。教学讲授工具使用腾讯课堂，其他课程资源与课程作业使用学校课程中心(超星泛雅)。教学过程从之前的以教师课堂讲授为主要渠道，过渡到由教师完成教学资源构建，完成学习方法指引，组织教学内容研讨，完成学习成果评价。学生由之前的被动接受，转变为在教师设计的学习框架下进行主动探究式学习。

2.2 线上教学计划

课程原教学计划针对线下课堂教学制定，转移到线上后需要对教学计划进行进一步调整。“信号与系统”总学时为72，其中理论课64学时，实验课8学时。原计划理论课在课堂内完成，实验课按照项目不同分别在硬件实验室和计算机房完成。调整为线上教学后，学生在完成课前慕课学习基础上，线上授课64学时，学生实验操作调整为课后进行，实验分析融入线上讲授。

计划调整前后总的教学周数不变，每周安排4个学时，虽然总学时没有增加，但是由于学生在课外的慕课学习和仿真实验，有效学习投入时间比原计划学时更多。实验环节对于掌握“信号与系统”课程中基本概念、定理等理论知识和信号变换方法具有重要意义，线上教学过程由于无法开展线下实验，所有实验项目通过matlab编程实现，并将实验融入理论讲授过程是有必要的。

2.3 线上课堂教学

线上教学的讲授环节遵循混合式教学理念。教师课前通过学校课程中心移动端平台发布学习任务，指引学生在爱课程平台学习相关的慕课章节，并完成爱课程平台上与慕课章节对应的基础测试题。基础测试题一般为概念性的客观题，主要考查学生对基础概念的掌握情况。学生在课前学习慕课视频时如果遇到问题可以通过慕课平台或学校课程中心提问交流。通过平台的测试统计功能和线上发言记录，教师可以准确定位学生课前学习数据，对学生的重点难点问题进行有效的归纳，为线上讲授提供准确的指向。

线上讲授主要利用腾讯课堂采取直播方式进行。线上的直播与线下有较大差异。线下课堂讲授教师除了与学生进行语言交流之外，还可进行各种形式的互动，能够在45分钟时间内根据学生的注意力调整教学节奏。而线上讲授过程，师生间的交流被明显限制，如果采取教师单向讲授的方式学生难以持续维持课堂专注度。因此，线上讲授分三个阶段进行。第一，重难点讲授。教师根据课程的重点以及学生在慕课学习过程中出现的难点问题进行集中讲解，一般集中讲解的时间不超过20分钟。第二，教师进一步提出更为深入的问题，将学生按课前分组进行线上讨论，讨论过程教师可以随机对各小组提供指引，学生讨论时间一般为10-15分钟左右。第三，各小组的代表线上回应教师的提问，展示本小组的讨论结果，这一阶段一般为10-15分钟左右。在教师讲授阶段，由于线上课堂只能提供PPT展示和基本板书功能，教师可以通过课程中心的移动端进行穿插问答，作为课堂讲授的交互形式。

以“周期信号的傅里叶级数”为例，学生在完成慕课学习后，基本了解三角傅里叶级数和指数傅里叶级数展开，以及周期信号单双边谱绘制原理。通过线上基本测试，学生对于三角与指数傅里叶级数展开式上的区别与联系即单边谱与双边谱之间的转换原理掌握并不是非常明确，主要体现在，部分学生对于三角函数公式不熟悉，不能透彻掌握从三角傅里叶级数到指数傅里叶级数的转换原理，从而不能理解单边谱和双边谱之间的奇对称和偶对称关系。针对这一问题，教师的线上讲授环节第一阶段，重点对三角傅里叶级数到指数傅里叶级数的转换关系进行推导，然后根据公式推导过程总结单边谱与双边谱的对称关系。在第二阶段，要求学生分组讨论能否根据谱线的特点判断信号的频率分布特征。在第三阶段，学生线上反馈研讨结果。教师综合学生反馈，给出信号幅度谱与相位谱所反映的信号功率和相移分布特征，完成从频谱的理论推导到工程概念的转变。

教师通过课程中心平台发布课后作业和拓展资料。课后作业与课前的基础测验不同，课前的基础测验主要是对基础概念的考核，课后作业则为基础概念的延伸，其考查目标与课程教学目标一致，侧重对工程能力的考核[6]。课前的基础测验主要为客观题型，而课后作业则包括综合计算题型。目前课程中心平台无法支持综合题的自动评阅，只能采取教师在平台上发布作业，学生下载后手写完成，然后通过课程中心移动端的图片上传功能提交。教学内容的课后拓展是教学的重要方面，特别对于信号与系统等理论性强的课程可通过拓展内容让学生了解信号处理领域的研究进展，加深对课程内容的理解。以抽样定理的讲授为例，教师在通过卷积定理完成抽样定理的推导过程后，引导学生阅读非均匀采样与压缩感知的文献，让学生了解突破奈奎斯特采样极限的信号处理研究方向，培养学生的创新思维。

2.4 线上实验教学

由于教学过程均在线上完成，有利于实现理论实验一体化。“信号与系统”实验环节基于matlab平台，课堂讲授将matlab教学穿插全过程。教师首先安排专门的matlab仿真内容，引导学生安装使用matlab，之后在时域信号分析部分掌握matlab产生基本时域信号的函数与方法，在连续时间系统的时域分析部分掌握matlab的微分方程与卷积运算方法，在傅里叶变换部分掌握matlab进行信号频域分析的编程实现和函数实现方法，在拉普拉斯变换部分掌握用matlab进行系统s域分析的方法，在Z变换部分掌握matlab进行Z域分析方法。其中重点实验项目为基本信号的产生、信号的分解与合成、傅里叶变换、抽样定理。

实验教学由教师提前在课程中心发布实验预习资料，学生在课后完成实验报告(含代码与仿真结果)后线上提交，教师根据学生代码完成情况和实验结果在讲授环节对实验原理、代码和实验结果进行分析，由于线上讲授时间不宜太长，教师需要提前对学生的实验代码进行归纳分析形成教案集中讲授。虽然腾讯课堂支持屏幕共享，但由于线上讲授的时间限制，教师需要提前准备好代码和仿真结果，而尽量避免现场编写程序。以信号的分解与合成实验为例，学生完成实验后，教师对实验结果进行分析总结。

以周期信号的分解与合成实验为例，教师针对图2的仿真实验结果，阐述周期信号傅里叶级数展开的谐波特征。针对实验仿真结果中出现的合成波形在断点处出现幅度上冲8.9%的问题，解释吉布斯现象。并且可以利用matlab仿真的便捷性，通过调整谐波数观察吉布斯现象的演变规律，从而实现理论实验一体化教学。

图2 信号的分解与合成实验仿真结果

2.5 线上教学效果

为了评价学生参与线上教学的学习效果，课程组设计了基于线上学习的形成性评价策略。评价过程根据学生在慕课平台的学习时长和测验评分，课程中心的作业评分，学生在线上讲授时的研讨表现，学生实验报告的完成度，线上期末考试成绩等共5个环节的学业表现作为课程考核成绩。线上教学的形成性评价充分利用了信息化教学平台的数据统计功能。课程依托matlab仿真实验不仅可以完成线下硬件实验的全部功能，还可进一步强化学生对信号处理原理的理解，同时提升学生运用matlab开展创新性研究的能力。以上各环节在学生学业评价中所占比重为：慕课平台的学习时长和测验占10%，课程中心的作业评分占20%，学生在线上讲授时的研讨表现占15%，学生实验报告的完成度占15%，线上期末考试的成绩占40%。学生的线上研讨表现对于任课教师而言有一定的主观因素，所以这一阶段可以结合课程中心移动端的课内抢答等功能作为辅助评价。期末考试则通过课程中心的线上考试功能，教师发布期末考试试题，其中客观题型可以线上作答，综合提醒则由学生在线下作答后上传，考试的全过程启用课程中心监考功能，督促学生独立完成考试。

经过一个学期的教学统计发现，教师安排的慕课学习任务的线上平均完成度达81.3%，课程中心作业的平均完成度达89.2%，线上研讨的学生参与度达87.6%，学生实验报告的平均完成度达90.2%，统计结果如图3所示。

图3 学生学习任务完成度统计

从评价结果观察，线上教学基本达成课程教学目标。由于考核形式与以往线下教学完全不同，因而考核成绩不适于直接对比两者的教学效果。但从师生的课后调研反馈，线上教学过程教与学双方的投入更多，一方面是基于建构式教学的线上混合模式后，教师在课堂设计上的必要投入，学生在面临更大课堂挑战时的学习精力投入都会增加。另一方面，由于教学活动在线上开展，增加了师生有效沟通的成本，也占据师生的时间精力投入。总体上讲通过线上教学的充分探索，利用信息化教学资源构建开放式课堂环境提升课堂教学的挑战度，通过线下的师生小组讨论让学生充分参与课堂教学提升学习主动性将是后疫情时代高校课堂教学的重要改革方向。

3 结语

“信号与系统”为典型的电子信息类核心课程。线上教学中，利用线上慕课资源、课程中心、腾讯课堂等多种信息化教学工具开展研讨式教学，有效提升线上教学与学习的效果，同时通过线上形成性评价发现，线上教学模式下，学生基本完成预定的教学目标。经过疫情期间的线上教学实践发现，通过大量运用信息化教学手段，可以对教学过程形成详细的过程数据，有利于教育教学评价的开展和课程教学目标达成度溯源。此外，课堂教学改革趋势不再局限于教师课内的知识传递和课程教材，丰富的网络资源成为学生学习的重要来源，因此教师以信息化平台为技术手段，构建课程学习资源框架，引导学生进行自主学习。但是，全程线上教学引入了多种线上教学平台，一定程度上增加了教与学双方的负担，也无法全面代替线下教学。疫情之后，线上线下结合的混合式教学手段将是高校课堂教学的重要趋势。