“信號與系統(tǒng)”混合式教學(xué)改革思考

倪淑燕 楊新巖 曾朝陽 趙繼廣

[摘 要] “信號與系統(tǒng)”課程是電子信息類本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課，目前大部分高校仍采用傳統(tǒng)教學(xué)模式。為了在信息化背景下充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺和資源提高課程教學(xué)實效，對“信號與系統(tǒng)”課程的混合式教學(xué)改革進行了研究，從教學(xué)對象、教學(xué)內(nèi)容和過程管控三個方面分析了“信號與系統(tǒng)”課程傳統(tǒng)教學(xué)模式的特點和存在的問題。在此基礎(chǔ)上結(jié)合課程特點，設(shè)計了以練習導(dǎo)向為主、知識擴展為輔的課堂翻轉(zhuǎn)模式，并給出了進行混合式教學(xué)改革的一些思考，最后以采樣定理為例，對具體實施過程進行了詳細介紹，可為高?；旌鲜浇虒W(xué)改革提供參考。

[關(guān)鍵詞] 信號與系統(tǒng);翻轉(zhuǎn)課堂;混合式

[基金項目] 2020年度航天工程大學(xué)課堂教學(xué)改革項目“‘信號與系統(tǒng)’混合式教學(xué)實踐”

[作者簡介] 倪淑燕（1981—），女，河北邢臺人，博士，航天工程大學(xué)電子與光學(xué)工程系副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事通信與信息系統(tǒng)研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）51-0053-04? ? [收稿日期] 2021-05-19

一、混合式教學(xué)需求分析

互聯(lián)網(wǎng)時代的來臨，讓世界各個角落聯(lián)系在一起，大量的學(xué)習資源可以通過網(wǎng)上輕易獲取，這對傳統(tǒng)的教學(xué)模式產(chǎn)生了很大的挑戰(zhàn)。在信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合、創(chuàng)新發(fā)展的教育信息化2.0時代，信息技術(shù)引領(lǐng)著教育的變革[1]?！靶盘柵c系統(tǒng)”課程是電子信息類本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課，網(wǎng)上學(xué)習資源非常豐富。在信息化大背景下，如何利用線上平臺和資源發(fā)揮混合式教學(xué)法的優(yōu)勢，提升教學(xué)實效，是“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革需要考慮的問題。目前大部分高校的“信號與系統(tǒng)”課程采用傳統(tǒng)模式，主要特點和面臨的問題如下。

1.教學(xué)對象的差異性大。由于生源參差不齊，學(xué)生基礎(chǔ)和能力差距較大，學(xué)生的學(xué)習風格也不盡相同，面授的講解很難統(tǒng)籌兼顧。線上課程的最大優(yōu)勢之一是學(xué)生可以根據(jù)需求反復(fù)觀看或選擇性觀看，這樣能更加合理的利用時間，適應(yīng)學(xué)生多樣化的需求。在差異性已經(jīng)在課前得到一定解決的情況下，面授時更有針對性地安排內(nèi)容，可以有效提高學(xué)習效率。

2.知識點多，理論性強?！靶盘柵c系統(tǒng)”課程的重點知識點多達上百個，且對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，理論分析結(jié)果來源于復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)運算，實際面授時間非常有限，面面俱到會造成重點不突出、深度不夠，但突出重點又會造成課內(nèi)關(guān)注面有限，部分目標較難達成。而利用線上資源可以解決這個矛盾，知識覆蓋面利用視頻自學(xué)實現(xiàn)，而面授內(nèi)容則聚焦于重點、難點及對知識的拓展。

3.過程管控和效果評價困難。“信號與系統(tǒng)”課程作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，一般采用大班教學(xué)方式，主講教師對整個課程學(xué)習過程的把控非常困難，只能根據(jù)課堂表現(xiàn)、階段測試等了解學(xué)員的大致情況，課外反饋信息量較少?；旌鲜浇虒W(xué)法利用信息技術(shù)手段，采用統(tǒng)計的方式實時反饋線上線下、課內(nèi)課外的信息，使過程管控更加有效，大大提高了評價的方便性和準確性。

混合式教學(xué)主要指線上線下混合式教學(xué)。線下學(xué)生課前自主學(xué)習，自定步調(diào)完成網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習;線上師生面對面，教師合理組織課堂活動，進行知識深化[2]。該方式在線下完成知識的傳授，具有很大的靈活性，更適應(yīng)學(xué)生多樣化的需求，且可以根據(jù)自學(xué)情況有針對性地安排面授內(nèi)容，使面授內(nèi)容重點更突出。而在混合式教學(xué)的過程中可以利用信息技術(shù)手段實現(xiàn)過程管控，進一步提高教學(xué)實效。

二、混合式教學(xué)模式設(shè)計

混合式教學(xué)一般采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，實施的一般步驟為：課前組織學(xué)生觀看相關(guān)教學(xué)視頻，有針對性地進行課前練習，課中通過少量快速的測評、小組討論、學(xué)習匯報等形式完成知識的內(nèi)化，最后進行相關(guān)的總結(jié)與反饋。根據(jù)課程性質(zhì)的不同，具體的實施又可以分為練習導(dǎo)向型翻轉(zhuǎn)模式、知識拓展型翻轉(zhuǎn)模式、學(xué)術(shù)對話型翻轉(zhuǎn)模式和反饋驅(qū)動的多輪翻轉(zhuǎn)模式[3]。

根據(jù)“信號與系統(tǒng)”課程的實際特點，一方面理論性強，需要通過大量習題去熟悉理論;另一方面與工程實際聯(lián)系緊密，可以利用工程實際將一些抽象的問題具體化，因此可以選擇以練習導(dǎo)向為主、知識擴展為輔的翻轉(zhuǎn)模式，見圖1。

課前采用“自學(xué)+測試+指導(dǎo)”的模式，即學(xué)生自行觀看視頻，通過習題測試檢驗效果，教師在學(xué)員自學(xué)開始前和過程中充分發(fā)揮引導(dǎo)作用。自學(xué)開始前，教師需要確定教學(xué)目標、教學(xué)重難點和能力要求，設(shè)計導(dǎo)學(xué)任務(wù)書[4]，在任務(wù)書中設(shè)置問題讓學(xué)生產(chǎn)生疑問，或把知識點點出來，引導(dǎo)學(xué)生帶著目的去學(xué)習。在自學(xué)過程中，可以設(shè)置一些有針對性的討論題目啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生及時了解和解決自學(xué)過程中遇到的問題。“信號與系統(tǒng)”課程邏輯性和模塊性都比較強，授課視頻可以以章為單位推送給學(xué)生，每章可以由多個知識點構(gòu)成，每個知識點可設(shè)置1～2個自學(xué)評估題，每章可設(shè)置綜合評估題。

課上面授是混合式教學(xué)的核心環(huán)節(jié)，對于“信號與系統(tǒng)”課程，面授環(huán)節(jié)主要解決四個問題：回顧自學(xué)內(nèi)容、深化重難點知識、加強知識點應(yīng)用、進行知識拓展。面授環(huán)節(jié)首先需要對自學(xué)知識點進行回顧，帶領(lǐng)學(xué)生回憶知識全貌，在此基礎(chǔ)上根據(jù)線上測試和討論情況，有針對性地對重難點進行深度講解。為了加強知識點的應(yīng)用，面授環(huán)節(jié)通過大量習題進行深化練習，確保學(xué)生能夠熟練掌握并靈活應(yīng)用所學(xué)知識。在課堂練習環(huán)節(jié)可以將學(xué)生練習、學(xué)生講解、教師講解相結(jié)合，簡單題可不講，中等難度題學(xué)生講，難題教師講。在組織形式上可以引入分組討論、小組競爭的方式提高課堂的活躍度。在掌握好基本知識以后，通過知識拓展加深對知識點的理解。知識拓展可以從以下幾個方面展開：（1）從深度上進行拓展，比如采樣定理可拓展至帶通采樣;（2）向?qū)嶋H應(yīng)用拓展，比如將卷積和相關(guān)的概念進一步拓展至接收機的匹配濾波，從采樣工程拓展到實際A/D;（3）向后續(xù)課程拓展，比如從離散信號的傅里葉變換到“數(shù)字信號處理”中的DFT。

三、混合式教學(xué)實施

如何設(shè)計翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)內(nèi)容和課堂活動，是能否順利達到教學(xué)目的、提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵?；旌鲜浇虒W(xué)實施需要根據(jù)教學(xué)對象和教學(xué)內(nèi)容，在教學(xué)實踐中逐步優(yōu)化。

混合式教學(xué)的基本思想是線上線下結(jié)合，這樣就需要安排大量的線下自學(xué)時間?？紤]到很多高校的實際情況，在課程安排比較滿的情況下學(xué)生自學(xué)時間非常有限，可采用將自學(xué)環(huán)節(jié)納入課內(nèi)的方式。以航天工程大學(xué)為例，“信號與系統(tǒng)”理論課共計60學(xué)時，根據(jù)大綱要求及主要內(nèi)容，可抽出部分學(xué)時以自學(xué)方式開展，在每部分內(nèi)容面授之前首先布置自學(xué)任務(wù)，安排2個學(xué)時（90分鐘）的線上學(xué)習，面授環(huán)節(jié)對重難點進行深入講解和練習。這2個學(xué)時可以包括觀看視頻45分鐘左右（3～5個知識點）、30分鐘網(wǎng)上資源自學(xué)、15分鐘左右的練習。自學(xué)視頻主要以章節(jié)為單位推送給學(xué)生，每次推送視頻60分鐘左右，分幾個知識點錄制，每個知識點10分鐘左右。

在進行混合式教學(xué)改革初期，很多教師會面臨這樣一個問題：部分內(nèi)容翻轉(zhuǎn)還是全部內(nèi)容翻轉(zhuǎn)。從實施層面考慮，可以采用循序漸進的方式逐步過渡。在混合式教學(xué)實施初期，考慮選擇性進行翻轉(zhuǎn)課堂設(shè)計，在翻轉(zhuǎn)內(nèi)容選擇上可遵循以下三個原則：（1）基礎(chǔ)課程中已經(jīng)涉及過的內(nèi)容，比如信號基本運算、微分方程的全響應(yīng)等;（2）與實際聯(lián)系強、容易引起學(xué)員興趣的內(nèi)容，比如采樣定理;（3）邏輯性強、自學(xué)難度低、容易理解的內(nèi)容，比如拉普拉斯變換的性質(zhì)。即使經(jīng)過多輪教學(xué)實踐后，也不一定需要將所有內(nèi)容進行翻轉(zhuǎn)，對于一些難度較大的知識點如傅里葉級數(shù)，可延續(xù)傳統(tǒng)面授方式，但也需充分利用線上資源，推送一些形象的短視頻，幫助學(xué)生理解。

混合式教學(xué)的線上自學(xué)環(huán)節(jié)一般采用觀看授課視頻的方式進行，而大部分高校并沒有專門建設(shè)“信號與系統(tǒng)”的MOOC或SPOC課程，這時最好的方式是利用網(wǎng)上公開的開放課程。實際上，由于“信號與系統(tǒng)”課程開設(shè)較為廣泛，網(wǎng)絡(luò)上有很多高校建設(shè)的“信號與系統(tǒng)”國家精品課程，可以根據(jù)教材和大綱進行選擇，這樣教師可以把更多的精力放在自學(xué)環(huán)節(jié)的考核、面授環(huán)節(jié)的鞏固擴展上，大大提高了教學(xué)效率。有時間和精力的教師也可以針對授課對象的特點，制作自己的微課課程，雖然工作量會比較大，但針對性更強，需要權(quán)衡考慮。微課的錄制可以采用兩種思路：（1）當網(wǎng)上MOOC視頻與本校教學(xué)大綱不匹配時，課程組可以按照本校大綱對每個知識點進行完整錄制;（2）當MOOC基本上能夠滿足教學(xué)大綱要求時，錄制微課的目的主要是進行補充、擴展和提高。

四、混合式教學(xué)示例

以“信號與系統(tǒng)”重要知識點采樣定理為例，設(shè)計混合式教學(xué)的實施過程，見圖2。

1.課前導(dǎo)學(xué)。在自學(xué)活動開始前，需要教師進行興趣和內(nèi)容的引導(dǎo)，可以安排在上節(jié)課結(jié)束或自學(xué)活動和視頻開始時。采樣定理部分可以采用結(jié)合實際提出問題的方式進行導(dǎo)學(xué)，如我們生活中的信號大部分為模擬信號，是連續(xù)的，比如語音信號，而計算機中存儲和處理的數(shù)字信號是離散的，為什么這些離散點可以代表連續(xù)信號，而且利用這些離散點能把連續(xù)信號恢復(fù)出來呢？這一點我們在時域很難理解，現(xiàn)在我們已經(jīng)學(xué)習了頻域分析方法，學(xué)生可以思考如何解釋此現(xiàn)象。

2.視頻觀看。采樣定理的視頻可以問題驅(qū)動方式展開，分為兩個知識點：（1）信號取樣的過程，以兩個問題為牽引，為什么取樣，怎么取才能無失真地恢復(fù)原信號;（2）信號恢復(fù)的過程，牽引問題為如何從取樣信號中恢復(fù)原信號。兩個知識點的視頻約25分鐘，第二個知識點總結(jié)出奈奎斯特采樣定理，并給出1～2個應(yīng)用實例。

3.客觀測試。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，可以設(shè)置5道左右的客觀測試題，主要以奈奎斯特采樣定理直接應(yīng)用為主，同時結(jié)合傅里葉變換基本性質(zhì)，客觀測試題以選擇題為主、填空題為輔，學(xué)生直接線上作答，系統(tǒng)自動評閱，提交后可看到正確答案，學(xué)生可以根據(jù)評閱情況查漏補缺。這部分可利用“雨課堂”等教學(xué)互動軟件來實現(xiàn)。

4.互動討論。除了客觀題外，采樣定理部分還可以設(shè)置1道主觀題，重點考查信號采樣后時域和頻域發(fā)生的變換，主觀題可采用線上互動討論的方式進行，同時支持學(xué)生在討論區(qū)進行自命題。為了有效調(diào)動學(xué)生的積極性，采用小組互評的方式考查主觀題和自命題。

5.面授環(huán)節(jié)。面授環(huán)節(jié)安排1個學(xué)時（45分鐘），首先利用7分鐘對自學(xué)知識點進行總結(jié)性回顧，并對自學(xué)情況進行抽測，可隨機選擇視頻中或客觀測試中的習題，隨機抽取學(xué)生進行作答;接下來的25分鐘結(jié)合例題對重難點知識進行進一步的講解和練習，主要以習題方式開展;最后13分鐘進行知識拓展和總結(jié)，知識拓展部分結(jié)合工程實際，講解A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）的實際工作過程，使學(xué)生充分認識到定理的地位和作用，擴寬學(xué)生的視野。

五、結(jié)語

混合式教學(xué)是傳統(tǒng)教學(xué)的有益外延和補充，將翻轉(zhuǎn)課堂引入“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)過程，一方面可以充分利用互聯(lián)網(wǎng)資源提高課程的教學(xué)質(zhì)量;另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源進行學(xué)習的能力和習慣，真正做到以學(xué)為本?！靶盘柵c系統(tǒng)”的混合式教學(xué)改革是一個持續(xù)的探索過程，在這個過程中需要教師在線上資源、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式、考核方式等各個方面精心設(shè)計，不斷創(chuàng)新，在實踐中不斷總結(jié)、修正和完善，形成相對穩(wěn)定的混合式教學(xué)模式，構(gòu)建教學(xué)相長的生態(tài)環(huán)境。

參考文獻

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