“信号与系统”混合式教学探索与实践

杨 艳 陈 燕 李瑜庆

(蚌埠学院 电子与电气工程学院, 蚌埠 233030)

自2015年10月教育部发文《引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》(教发〔2015〕7 号)以来[1],蚌埠学院作为安徽省十三所应用型高校联盟成员,本着“地方性、应用型、 开放式、工科强”的办学定位,多年来坚定不移地走服务地方经济社会发展之路,紧密对接地方优势特色产业发展需求,不断优化学科专业结构,持续提升人才培养质量,在教育教学改革中进行了大胆的探索和实践。在此种时代需求的背景下,“信号与系统”作为蚌埠学院电子信息、电气工程、光电信息科学、物联网工程等本科专业的主干课程,自2019年以来,蚌埠学院“通信与信号处理”教学团队对该课程进行了线上线下混合式教学模式的探索和实践,积累了一定的建设成果和教学经验[2]。该课程基于OBE教学理念,优化了教学体系和教学内容,制定了科学合理的成绩考核方式,提升了学生的实践能力,激发了学生的创新精神。为提高本校的教学质量、构建应用型人才培养体系起到积极的推动作用。

1 基于MOOC的线上线下混合教学

1.1 线上线下混合式教学模式发展历程

通过整合课程资源,“通信与信号处理”教学团队基于学银在线MOOC平台,完成了课程的线上教学资源建设。对课程中的章节内容进行了MOOC视频录制,开课期次与学校的教学周期同步进行。截止目前,已完成了第六个教学周期,线上的教学资源除教学视频外,包括自制的课件、教学日历、教学大纲、章节测验、作业库和考试库等资源,随着每学期的不断更新也越来越丰富。在教学大纲要求的学时范围内,线上学时比例的分配与每学期的教学实际情况匹配,占比30～40%。学生除了利用MOOC平台进行日常的章节学习外,还需要完成同步进行的线上作业和考试等环节。课程开设最初,由于学生习惯于线下教学模式,对线上环节的完成度并不高。很多学生仍然认为课堂内的学习才是主要的学习模式。2020年春季学期,因为疫情影响,全部采用了线上教学模式。经历了疫情之后的每学期,线上教学模式已经被学生们普遍接受。2020年秋季学期,“信号与系统”课程严格按照线上线下混合教学模式进行。目前,该课程的MOOC平台已向公众开放,已经成为校内和省内外一门重要的在线教育课程。其中,线上平台还吸引了云南大学、华侨大学、南阳理工学院、包头师范学院和中国民用航空飞行学院等省内外学生的学习[2]。

1.2 优化教学体系和教学内容

将学生的知识、能力和素养作为教学的出发点,优化混合式课程的教学体系。首先,结合MOOC课程的特点将“信号与系统”的教学体系进行优化。针对面向电子信息大类学科规划了学科基础课程群,强化了本校“应用型、工科强”的办学定位。优化后的课程体系由“电路与电子技术、自动化、信息处理”三大课程群构成,如图1所示。针对不同专业的学生将授课内容进行优化。

图1 电子信息类学科基础课程体系

比如,对电子信息专业的学生,电路与系统的复频域分析和系统传输函数等内容在“电路”和“信号与系统”课程中存在交叉,因此,可以将这些内容放在“电路”课程中讲授,压缩拉普拉斯变换等相关内容。而针对信息处理方向专业的学生,在“数字信号处理”课程中离散信号和系统的傅里叶分析是重点,可将“信号与系统”中的离散信号傅里叶变换内容调整到“数字信号处理”课程中去,在后者中重点讲述连续信号的傅里叶级数、傅里叶变换和离散信号的Z变换和系统的Z域分析。如果授课专业是电气或自动化专业,可将系统稳定性判定、信号流图、梅森公式等与“自动控制原理”重复的教学内容删去。状态变量分析内容中,涉及到系统的控制矩阵等内容可放在“自动控制原理”中进行讲授。优化后的教学体系和教学内容,使课程群的授课教师分工明确,避免了教师重复教学,提高了工作效率,消除了学生听课的乏味感,从而进一步提升了“信号与系统”课程的教学质量[3]。

1.3 基于OBE的教学理念

为体现“工科强”的办学定位,在混合式教学中,引入以成果为导向的OBE教育理念,首先根据培养方案,在优化的教学内容中加强学生的工程思维能力培养[4]。从工程思维角度出发,将课程内容结合实际工程案例进行教学[5]。从课程的基本概念、定义,到三大变换的数学工具运用,都在工程思维中进行。比如,在讲解非周期信号的频率密度时,可采用语音信号频谱分析的案例进行分析。由于傅里叶变换运算稍显复杂且难于计算,因此,在信号的频域分析中,可恰当地引入Matlab、Multimsim仿真软件进行工程信号的运算和仿真分析[6]。频谱分析的结果直观明了,学生的学习兴趣明显得到了提升,更激发了学生的探究欲望[7]。同时要求学生课后线上提交各种工程信号的频谱分析报告,完成教学反馈和回溯。再比如,讲解反卷积时,通过讲解雷达探测系统实例代替空洞晦涩的理论,让学生进一步理解反卷积的概念以及在地震信号处理、地质勘探等工程领域的重要应用,如表1所示课程内容与相关工程案例对照表。

表1 课程内容与工程案例对照表

理论教学中Matlab、Multimsim作为辅助教学软件,在实验教学中,也有与课程配套的Matlab系统仿真实验系统[8]。另外,学院的创新实验室在为培养学生的工程实践能力提供了良好的硬件环境。如信号A/D转换的实验、信号波形合成实验波形等实验项目都有助于学生理解不同信号的区别以及周期信号的傅里叶级数展开等与本课程相关的知识点,为培养应用型人才打下了坚实的理论和实验基础。

1.4 科学合理的课程考核

作为高等教育教学中的关键环节,课程考核评价体系要科学合理,混合式教学的考核融合了学生在线上线下各环节学习任务的参与度与完成度[9]。课程成绩中,过程性考核占40%,终结性考核占60%。其中,过程性考核包括线上和线下,线上成绩占50%,由章节测试、作业、考试、讨论等任务组成,成绩占比会根据每学期的实际情况进行适当调整,如表2所示。线下成绩由出勤、课后作业、分组讨论、实验等组成,如表3所示为课程形成性考核成绩构成表。其中,实验成绩由学生实验课堂表现和实验报告组成。学生可实时通过MOOC平台获得各项活动的评价,评价结果可追溯。科学有效的课程考核评价体系,能够激励学生自主学习,提高学生的创新性,促进应用型人才的培养。

表2 线上线成绩构成表

表3 课程形成性考核(评价)的课程成绩构成表

1.5 混合式教学设计

混合式教学设计架构如图2所示,分为五个阶段。现以“信号的频谱分析与应用”教学内容为例进行说明。

图2 “信号与系统”混合式教学架构

(1)课前线上预习:在课堂教学之前,将课堂内容提前发布,布置相关启发式的提问,比如“信号在频域内进行分析,可以从哪些角度去分析?”通过诸如此类问题的预习,培养学生自主思考和提高分析问题的能力。

(2)线下课堂对线上任务的回顾与评判:该环节主要由教师来完成,线上学习效果如何,需要进行回顾和评判。

(3)知识的即时考核:线下课堂利用线上教学平台,在课堂上即时做出各种考核,包括进行线上的分组讨论和现场提问,提出“周期信号的双边谱和单边有什么区别和联系?”等问题,培养学生的归纳总结能力和团队合作精神。

(4)知识的应用与拓展:线下课堂可对知识点进行升级,提出诸如“什么是连续时间信号的频谱和频谱密度?”“二者有什么区别和联系?”“周期信号有频谱密度吗?”“一个实信号,它的频谱是对称的,那么如何理解负频率呢?”等问题,学生或通过线下课堂的小组讨论或通过查阅文献,进行课堂即时回答或线上提交,进一步培养学生创新思维、深入思考的能力。

(5)课后任务和反馈:除线上布置作业外,线下也要布置作业,相互补充,实时地抓住学生薄弱环节,强化知识与能力训练。每个学生都可以在课后通过学习通提交关于不同工程信号的频谱分析作业。

1.6 立德树人的课程思政教育

通过适时在课程引入中国制造2025重点发展领域之新一代信息技术战略发展规划关于信息技术在国家核心竞争力的地位描述,潜移默化将社会主义核心价值观、工匠精神、“四史学习”等思政元素融入线上和线下的课堂教学,为学生树立强烈的责任感和使命感,激发学生们的爱国热情,引导学生投身于中国新时代信息建设中[10-11]。

2 结语

依托学银在线MOOC平台,“信号与系统”课程的线上线下混合式教学模式,从蚌埠学院的实际出发,通过优化教学体系和内容,科学的考核方式,进行了探索和实践。实践结果表明,学生的学习兴趣与自主学习能力得到了大幅度的提升,理论知识和实践能力得到了长足的进步。学生的课程评教每年均位居学校前列,学生的课程任务完成度好,参与度高,课程的目标达成度也得到了提升。所培养的学生多次在省级各项学科竞赛中取得了优异的成绩,毕业生中也涌现出了多名信息领域的企业骨干。为建成一流本科课程以及对其他电子类专业课程的建设提供了重要的依据和重要参考。