混合式教学实践中的“134N”范式探索与应用——以《数字信号处理》课程为例

蒋 芳,屈 磊,朱 军

安徽大学电子信息工程学院,安徽合肥,230031

随着大数据、云计算、人工智能等新兴产业的兴起,新技术不断涌现,新经济形态的不断发展,对于人才的要求从单纯的知识型,转变为工程型、创新型、素质型和交叉型等复合型需求[1-2]。传统的教学模式不适应“新工科”背景下对于高素质复合型人才的培养需求[3-4]。《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》明确提出,以学生发展为中心,大力推进智慧教室建设,构建线上线下相结合的教学模式[5]。各类慕课(MOOC)、小规模限制性在线课程(SPOC)、超星等平台的出现为传统教学模式的改变提供了信息化的手段[6-7]。如何合理运用信息化的教学手段对传统课堂教学方式进行改造,实现线上与线下课堂有机融合,提升学生的自主性学习动力,提高人才培养的质量需要积极探索。

1 数字信号处理课程学情分析

数字信号处理是电子信息类各专业的一门重要专业基础课程,授课对象面向具有一定专业知识储备的大三上学期的学生,主要学习信息的数字化处理技术基础。本课程在信号系列课程中承担着从连续到离散、确定到随机、一维到高维的重要承前启后功能。基于近4年持续跟踪的随堂、期中与期末测试成绩的数据分析,发现本门课程具有以下学情特征:

(1)基础知识厚,高阶知识薄。学生对于离散时间信号的概念、常见离散时间信号的特点及相互表示方法,系统线性、移不变、因果和稳定性的判断等基础知识掌握牢固。相对的,对于利用多个基础知识分析离散时间系统输出响应的高阶知识薄弱。

(2)专项运用强,综合实践弱。利用DFT分析信号的傅立叶变换,利用FFT及IFFT计算分析信号频谱的方法等专项知识的运用能力强;而对于根据应用场景设计IIR和FIR滤波器,通过现代软件工具仿真实现数字滤波器的综合实践能力不足。

出现以上特征的主要原因在于:

(1)学习能力强但课堂学时紧。课程面向的对象是电子信息类专业大三上学期学生,完成了前期《信号与系统》《复变函数》《电路分析基础》等课程的学习,知识储备足,学习能力强。大三上学期同期有《微机原理及应用》理论课/实验课、《通信原理》理论课/实验课、《微波技术》理论课/实验课等重要的、难度较大的专业课。本门课程学时为54学时,3节/周,课堂学时较为紧张。

2 “134N”线上线下混合式教学模式构建

结合学生的学情分析,根据新工科培养高素质复合型工科人才的建设方案及本校专业特色,本课程在教学改革实施中需要重点解决的问题如下:

(1)见树木不见森林。本课程在信号系列课程中承担着从连续到离散、确定到随机、一维到高维的承前启后重要功能,知识点看似分散,实则相互关联,分析、设计思路在前后期多门课程中既一脉相承,又自成体系,导致学生在学习过程中易出现见树木不见森林,难以建立信号类课程完整知识体系的问题。

(2)同步激励,异步响应。本课程具有承前启后的特点,与《信号与系统》课程强关联,学生起点不同,同步一致的教学方式不适应差异的个体,易导致学生成绩两极分化。教学实施与产出之间存在教师同步激励、学生异步响应的问题。

(3)价值引领成效不强,教学产出单一。课堂学时紧张,教学和考核偏重理论知识,导致学生学习的内驱力来自考试分数而不是综合素质的提高,课程的价值引领效果有待提升。

为满足学生需求,课程组构建了“134N”线上线下混合式教学模式,如图1所示。课程教学以学生为“1”中心;重塑教学结构,打破传统课堂课前、课中与课后的分界,采用“线上-看”“线下-辨”“线上-提”的 “3”阶循环教学;教学手段“4”结合,线上与线下循环教、讲授与讨论翻转教、教学与科研互促教、理论与实践结合教;以产出为导向,建设PBL项目资源库、教学视频库、思政案例库,完善评价方式,促进“N”层次产出,助力学生成长为高素质复合型人才。具体采用了以下三个针对性的举措:

图1 “134N”线上线下混合式教学模式

(1)“看辨提”的“3”阶循环式教学结构。建立数字信号处理课程的完整知识图谱。基于知识图谱,将课程内容分解为5个知识单元,每个知识单元的内容按照内在关联性和难易度分解为低、中、高三阶。

线上-看。低阶内容基于基础概念的分立知识点,学习方式采用线上-看,学生看书本、PPT课件、数字信号处理在线慕课、调取教学视频库中的微课视频进行学习。

而对于唯一性问题，1999年， Mischler和Wennberg首先在硬势和角截断条件下得到了一个最优的结果，即如果初值质量和能量有限， 能量保持守恒的解一定是唯一的[8].但是Wenenberg通过具体的例子表明方程存在能量增加的解[9].Toscani和Villani利用概率空间里的一个距离在麦克斯韦势、非角截断条件下得到了解的唯一性[10].最近，Desvillettes和Mouhot在初值满足一定条件下，在硬势及非角截断情形下得到了解的唯一性[3，11].

线下-辨。中阶内容为关联了若干个知识点的教学内容,如序列的复杂计算、变换、频谱分析等,学习方式采用线下-辨,通过教师课堂引导,深入连接,结合项目展示和讨论,并有机融入课程思政,连点成线,“辨”其本质。

线上-提。高阶内容为综合应用和提升内容,学习方式采用线上-提,通过在线查阅资料、小组协作、师生共创完成PBL项目库中的项目,扩线为面,“提”升分析应用能力、创新能力。

一次线上-线下-线上的循环教学,能够完成若干具有关联度的知识点学习并进行连接、应用和创新。每一次内循环的完成又作为下一次内循环的起点,循环迭代,建立起整门课程完整的知识体系。

(2)教学手段“4”结合。如图2所示,通过多样化的教学资源库支撑多元化的教学手段,通过多种手段的激励,使学生“忙起来”,小组合作完成PBL项目,形成组内互助,调动部分低预期学生的积极性和参与度。

图2 “134N”线上线下混合式教学模式

通过在课程教学中引入安徽大学在线教育平台、MOOC平台等在线教育平台,实现线上与线下循环教;通过雨课堂、QQ群等智慧工具的使用,实现讲授与讨论翻转教;通过建立PBL项目资源库、教学微视频库、思政案例库以及matlab、python、CCS集成开发环境的使用,实现理论与实践结合教、教学与科研互促教。

(3)以产出为导向,“N”位一体协同发展。建设三个资源库,多类型项目引导,促进“N”层次教学产出,学生协同发展。

PBL项目资源库。利用MATLAB软件和CCS集成开发环境,教师设计或者根据科研项目需求,给出项目案例,学生分组完成,在教学过程中帮助学生建立立体知识框架,培养复杂工程问题的解决能力和团队协作意识。

教学视频资源库。教师根据评价反馈,针对学生未掌握但是非共性的知识点,录制教学视频,或推荐在线视频,供学生自主选择观看,培养学生主动学习能力。

思政案例库。结合课程内容,选取若干个知识点,设计思政案例,变教为导,强化学生的社会责任感和家国情怀。三个资源库协同作用,促进了学生复杂工程问题的解决能力、主动学习能力、团队协作意识、社会责任感等多方面能力的提升和意识的增强,从而实现学生综合素质的“N”位一体协同发展。

3 混合式教学实践

3.1 教学实施

教学实施上采用“看辨提”三阶循环,从线上到线下再到线上的循环,具体实施方式如图3所示。

图3 “看辨提”三阶循环教学实施方式

线上-提阶段,主要采用学生看视频、PPT、线上讨论、教师参与答疑,通过事先发布的测试题和作业题对学生进行评价;线下-辨阶段,教师和学生轮转讲授和讨论,教师讲授重难点部分,学生进行探究式小组讨论和展示,教师示范性点评,通过随堂测试、学生互评、教师评价的方式进行考核;线上-提阶段,回归线上,小组基于PBL项目进行学习,线上查阅资料、讨论、以项目报告、学生评价、老师评价的方式进行考核。

3.2 教学资源建设

为保障混合式教学的实施,课程组进行了线上教学资源储备。在安徽大学在线教育综合平台上搭建了课程网站,线上线下混合教学示范班有学生50人,课程访问数2 216次,资源利用率较高。目前已经建有自制的30个微课视频资源,在安徽大学在线教育平台上供学生选择使用,计划继续录制新的视频资源,丰富教学视频资源库。为提高学生的实践能力,课程组设计了10个PBL项目,可供实践教学和科研拓展使用,也将陆续更新。针对价值引领和人格养成,课程组设计了思政案例库,有4项案例获得了“安徽大学课程思政百佳优秀案例”。

3.3 评价方式

为了充分调动学生学习的自主性,发挥线上线下混合式教学的特点[8],依据过程可评价、适当激励消极个体的原则,课程组制定了如表1所示的评价规则,过程考核落脚点在平时成绩。低阶线上内容的学习依据雨课堂和SPOC平台教师批改数据打分;为了激励消极个体,在弱合作的线下探究式课堂评价环节,设置了调节因子F,对于每组排名前20%的汇报同学,成绩乘以0.8,对于每组排名后20%的发言同学,成绩乘以1.2。

表1 混合式课程评价方式表

4 实施成效

以目标达成度数据为依据分析实施成效。2019级通信工程教学1班是本次探索混合式教学的试点班级,从课程目标达成度值和目标达成人数的占比两方面的分析,三项课程目标均较教改前有所提升。其中课程目标3为本课程在培养学生综合实践能力方面设置的目标,能使用现代软件工具完成通信系统中数字滤波关键子系统的设计/开发,经过线上线下混合式教学的实践显示,这部分的目标达成度较以往显著提高。

5 结 语

基于“新工科”背景下对于培养高素质复合型人才的需求,针对数字信号处理课程的教学痛点,课程组构建了基于“134N”的线上线下混合式教学新范式,设计了“看辨提”三阶循环教学实施结构,对数字信号处理课程的混合式教学进行了探索与实践。一轮授课周期结束后,针对学生考核结果的课程目标达成度分析显示,达成度获得了有效提升。“134N”教学范式能够帮助学生夯实理论基础,鼓励学生分组协作、主动拓展,实现立体知识框架的建立、复杂工程问题解决能力、团队协作、主动学习等综合能力“N”位一体协同提高。