信号处理类课程线上教学探索与实践

徐 华，施文娟，周 慧

(盐城师范学院 物理与电子工程学院，江苏 盐城 224007)

引言

在电子信息工程专业的课程体系中，信号处理类课程具有重要的地位[1—2]，包括“信号与系统”“数字信号处理”及“数字图像处理”等课程，该类课程的教学质量对于专业人才培养质量具有重要的影响。在新冠肺炎疫情期间，传统的课堂教学不得不转变为线上授课，以信号处理类课程为例，对线上教学进行了有益的尝试。

信号处理类课程的线上教学面临的主要问题有：(1)课程需要利用matlab仿真演示信号处理相关算法，如何在线上课堂有效展示？(2)如何开展高效率的有效讨论，教师能够监管到每个讨论组吗？(3)如何督促学生按时进入线上课堂学习，课堂签到如何进行，数据如何保留？(4)由于每个人的摄像头和麦克风都是打开的，导致师生的背景环境和噪声会直接进入课堂，破坏课堂正常教学秩序，线上课堂教学秩序如何保证？(5)线上课堂的教学数据如何采集，课堂过程如何记录？

针对这些主要问题，经过调研比较，确定了直播与课堂管理工具相结合的方式。直播平台可以选择中国教育科研网推荐的zoom视频会议或者腾讯会议。zoom作为疫情期间全球最为热门的视频会议平台，其提供了简单的使用体验和完备的直播功能，且能够直接录制教学过程；而腾讯会议在本地化方面做的非常好，且使用体验也很不错。在课堂的组织和辅助管理方面，可以选择“慕课堂”管理工具以及清华大学的“雨课堂”等。“慕课堂”可以实现课堂的签到、点名提问等各类教学活动，能够实现教学全过程的管理和数据采集，为教学的评价和反思提供了很好的支撑[3—5]。清华大学的“雨课堂”功能齐全，且在互动性、灵活性方面有着自身的特色。如在布置作业方面，可以自行设置不同题型；在PPT课件中直接插入相关试题等内容。

一、课堂教学直播

1.直播前的准备

在课前十分钟，教师通过zoom预约本次教学的线上教室，并随机生成教室ID号和密码，这样可以最大程度地保障线上教学的可靠性和安全性。通过班级QQ群告知每位学生线上教室的ID号和密码，提醒学生按时进入线上教室上课。

2.直播中的管理

为了确保高质量线上教学，在进入线上教室时，教师关闭学生的摄像头，并设置全员静音模式，在教师讲解过程中，如果有学生被提问，学生可以选择自行打开麦克风回答问题，这样保证了直播课堂的良好秩序。

另外，教师在zoom中选择虚拟背景将现实中的背景替换，画面中只出现教师人像，这不仅保障了课堂秩序，也保护了教师的个人信息安全。

在教学过程中，教师先共享教学PPT，并利用zoom提供的注释功能对PPT进行划线强调、注释等。“信号与系统”“数字图像处理”等课程中经常需要采用matlab进行仿真，教师通过切换共享屏幕，能够灵活地将电脑上的matlab仿真界面展示给学生，进而直接演示仿真的过程和结果，有效提升了课堂的教学效果。

二、教学管理

在课前、课中和课后，教师结合zoom直播平台和“慕课堂”，实现了对于线上课堂的全程管理。

1.课前管理

首先，课程教学前，教师通过“慕课堂”发布学生需要预习的相关内容和相关spoc课程视频，供学生提前学习。同时，教师可以通过教学平台查看到学生的预习情况，并在教学中有针对性地进行重点讲授。

其次，课前15分钟左右，教师开放“慕课堂”小程序中的“签到”功能，让学生签到，并督促学生进入线上教室。“签到”功能能够将学生的登录情况进行实时统计，使教师能够迅速了解学生实际线上签到的具体数据。

最后，学生使用线上教室的账号和密码，进入zoom平台的线上教室，等候上课。上课前，教师可以让学生打开摄像头来具体了解学生的上课状况。

2.分组讨论

在线上教学过程中，教师利用“慕课堂”小程序的“点名”功能，随机抽取学生回答问题，这时教师提醒被抽到的学生在线上教室中自行打开麦克风，或者教师打开学生的麦克风，进行线上交流，依据学生的回答情况，在手机小程序进行打分(5星制)。签到和提问情况具体如图1(a)(b)所示。

在进行线上分组讨论时，可利用zoom直播平台，选择“分组讨论”，有“随机分组”和“指定分组”两个选项。例如，“数字图像处理”课程的线上教学。首先，教师通过“慕课堂”发布讨论题，学生通过手机小程序可以看到相关的讨论题。其次，教师在zoom平台选择“随机分组”，直播平台会将学生分成若干组，同时教师可以进入到任何一个讨论组参与学生的讨论。最后，在规定的讨论时间结束后，教师可以让每个组推选一名学生作为代表在线上课堂发言，也可以让学生课后在“慕课堂”平台发布对于讨论题的讨论思考。

分组讨论能够提升线上课堂的互动效果，使得学生从被动听课转换为主动参与课堂教学，有效提升了学生的积极性和主动性。同时，教师可以通过“慕课堂”等对参与讨论的学生进行评分，以作为平时成绩的一个重要参考，这不仅能够提高分组讨论的教学效果，还为教学评价和教学分析提供了很好的过程数据支撑。

3.课件及仿真结果共享

教师利用zoom直播平台可以共享教学课件，并利用zoom中提供的工具条，在课件上进行各类标注，包括划线强调、颜色标注等。另外，教师可以运用zoom平台中的“白板”进行板书，现场推导相关公式，方便学生能够厘清“数字图像处理”课程中的一些重要原理。如果鼠标板书效果不理想，还可以选择共享“ipad屏幕”，直接利用ipad的手写笔，获得更为流畅的书写体验。

“数字图像处理”课程中有很多知识点需要利用matlab仿真来向学生展示其中一些算法的实现效果，帮助学生理解其中的原理和实现过程。例如：在讲解图像DCT(Discrete cosine transformation)变换时，需要向学生解释当数字图像进行DCT变换后，可以将大部分的DCT系数直接置零，实现图像压缩；仿真中确定了两个DCT系数的阈值5和50，在压缩比和重建图像质量之间需要折中，具体如图2所示。

图2为经过DCT变换后的重建图像示例，其中(a)为原图，(b)为经过变换后的DCT系数图示，(c)为阈值为130时的重建图像，(d)为阈值为230时的重建图像。matlab中提供了直接进行DCT变换的函数dct2(parameters,...)，可以直接得到读入图像的DCT变换系数，为了更好地展示DCT变换压缩图像数据的效果，图(c)的重建图像是将DCT系数低于130的直接赋值为0，图(d)的重建图像是将DCT系数低于230的直接赋值为0。从图中可见，即使是图(c)(d)的图像还是能够分辨出原始图像，实际超过95%的DCT系数已经被赋值为0，这个结果表明图像的DCT变换可以很好地实现图像压缩的工程。因此在JPEG标准等图像压缩的应用场景中，DCT变换得到了广泛的应用。

在线上教学中，首先，教师共享matlab的相关代码，为学生讲解代码的具体含义。其次，开始仿真，依次共享得到仿真结果，学生可以通过直播平台上的留言与教师和其他同学进行互动，对于不理解的地方或者有新的想法时，可以在平台上与教师进行互动。

三、数据采集

1.教学全过程数据采集

学生课堂出勤数据。教师利用“慕课堂”小程序的“签到”功能，能够采集到每位学生课堂出勤的数据。这不仅方便教师统计每一堂课学生出勤情况，也方便教学部门统计分析全校学生的课堂出勤情况。

学生课堂学习数据。教师通过“慕课堂”发布讨论题，并通过zoom平台将学生分成若干组进行讨论，教师可随时进入任何一个讨论组参与讨论。学生也可以在课后将课堂参与讨论的想法和答案发布到“慕课堂”上。这些课堂上的讨论数据也能够被教师所采集。而通过“慕课堂”小程序提问的学生，可在“慕课堂”管理端进行记录和分析，这样教师便获得了学生学习的过程数据。

学生课后学习数据。教师通过“慕课堂”发布讨论题和练习题，学生在课后完成教师布置的习题。教师可以通过这些学习数据进行检查分析统计，了解学生的学习情况。

教学过程录制。教师在每次授课时，都使用平台的录制功能，将每次线上教学全过程录制保存到本地，便于教学结束后进行反思，以及后期课程的编辑，为今后改进教学方法提供了很好的支撑。

2.教学数据的有效利用

通过对教学辅助平台的数据搜集，可以对整个教学过程实施科学合理的监测和评估，从而为教师提高教学水平、教学管理部门监督、评估教学质量等提供全面的依据。例如：通过平台统计学生的课件阅读量来了解学生预习的总体情况；通过预习题目回答的准确率来了解学生的具体准备程度等。但是，在教学数据的搜集中，如何能够全面有效采集数据，并加以利用，需要认真思考、不断完善。

线上分组讨论的教学方式，一方面，可以调动学生的学习积极性和主动性；另一方面，通过讨论题的完成情况，来了解学生掌握知识的程度。另外，课堂提问也能够对学生起到督促作用。教学辅助平台的“随机点名”，使得学生能够处于相对紧张的学习状态，而不是由于线上教学就放松自己。同时，教师能够根据学生回答问题的情况给予一定的指导，教学辅助平台也能记录学生的相应学习情况。

在学生进行分组讨论时，全体学生的学习数据都可以被采集，而点名提问的方式，只是针对少部分学生。将这两种方式进行有效结合，可以全面形成学生课堂学习的过程数据。

除此之外，教学辅助平台的讨论区也可采集学生学习的过程数据。教师在讨论区发布讨论题，学生既可以在课堂上参与讨论，也可以课后在讨论区以发帖的方式参与，这些学生讨论的情况，都能够形成教学过程数据。

3.教学管理辅助平台比较

针对“信号与系统”“数字图像处理”课程，教师通过“慕课堂”发布问卷，调研学生的线上学习基本情况。授课班级调研结果表明，56.25%的学生表示与线下课堂教学效果一样；35.42%的学生表示比线下课堂教学效果好，学习积极性更高；6.25%的学生表示教学效果不如线下课堂，2.08%的学生表示无所谓。

除“慕课堂”教学平台外，教师还对“雨课堂”的相关功能进行尝试，利用其提供的试卷库，制作了课后作业题，并发布到指定班级，平台依据事先给定的答案自动评分，教师可以在学生答题后，直接公布成绩。另外，在手机端和PC端，教师可以随时查看学生课后作业的答题情况。“雨课堂”可以针对学生每道题和总体的准确率等进行统计和分析，编成统计图表，方便教师查看。“雨课堂”还提供微信小程序和APP两种登录方式，教师通过任意一种登录方式都可以实时查看学生上课情况，签到情况等，了解课堂上学生的学习状态。

“慕课堂”是爱课程网打造的学习平台，平台上有大量的优质课程，吸引了很多教师和学生用户，教师和学生可以直接使用其中的“慕课堂”进行线上教学管理。而“雨课堂”作为专业课堂管理工具，在教学的管理方面具有自身特色，使用和操作更为灵活方便，功能全面。教师可以结合自身教学需要，选择更为适合自己的课堂教学辅助平台和管理工具。

结语

采用视频会议平台作为线上直播教室，有效实现了课堂教学的实时分享，为学生提供了方便、流畅的线上学习体验，为教师提供了理想的线上课堂教学直播工具，与学生实现实时互动。利用“慕课堂”等教学辅助平台可实现课前签到、课堂提问以及课后练习等教学全过程的记录和管理，有效保证了线上教学的良好效果。

教学数据的采集和有效利用是线上教学的关键，通过教学辅助平台，采集学生课前、课中及课后的相关学习数据，形成教学的全过程记录。教师通过全过程记录，可以进一步分析和了解学生对于教学内容的掌握程度，从而调整教学安排及持续提高教学质量，实现因材施教。教学管理部门通过全过程教学数据的分析，可以对整体教学和个别教学形成全面客观的评价，从而为教学督导、教学评价提供准确的数据支撑，为学校教学管理的持续完善提供依据，在各种教学评价中，充分利用这些数据，可以使得评价结果更为真实客观，同时也减轻了职能部门的负担。大量课程的数据，还可以为学校的数据中心提供更为全面的数据来源，为领导决策提供更为全面可靠的教学数据支撑，在学校各个方面工作中都能够发挥应有的作用。

“信号与系统”“数字图像处理”等课程的线上教学实践表明，“直播+辅助平台”是一种符合实际、能够满足各类需求的线上教学模式，值得进一步总结推广。选择合适的直播及教学辅助平台，做好教学数据的采集和分析，是提高教学质量，特别是改善线上教学质量的重要保障。