信號與系統(tǒng)課程的MOOC建設(shè)與應(yīng)用

劉秀環(huán)，王海燕，王 雪，石代虎，田雅男，陳綿書

(吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院，吉林 長春 130012)

課程是人才培養(yǎng)的核心要素，教學(xué)改革改到深處是課程建設(shè). 在“互聯(lián)網(wǎng)+”大背景下，信息技術(shù)與教育相結(jié)合是教學(xué)改革的拐點(diǎn)之一. 大規(guī)模開放在線課程(Massive open online course，MOOC)的建設(shè)與應(yīng)用則是當(dāng)前高等院校教育教學(xué)改革的重要突破口[1]. 2015年4月，教育部發(fā)布了“關(guān)于加強(qiáng)高等學(xué)校在線開放課程應(yīng)用與管理的意見”，助力推動我國MOOC走上“高校主體、政府支持、社會參與”的中國特色發(fā)展道路[1]. MOOC教學(xué)全過程都在線上，是向大規(guī)模人群提供無差異的課程教學(xué). SPOC(Small private online course)是對MOOC的發(fā)展和補(bǔ)充，SPOC的內(nèi)容可以是MOOC的超集. SPOC通常是指使用在線課程(非對外開放的在線課程或MOOC)對少數(shù)在校注冊的學(xué)生實(shí)施的課程教學(xué). 教師在開設(shè)MOOC的同時(shí)，可選擇所授課班級及平行班級的學(xué)生開展基于MOOC的自主在線學(xué)習(xí)，結(jié)合在線討論、在線作業(yè)、在線測驗(yàn)以及線下課堂教學(xué)(含翻轉(zhuǎn)課堂)、答疑、實(shí)驗(yàn)和線下期末考試等環(huán)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)SPOC. 換言之，SPOC是將線上學(xué)習(xí)與線下課堂教學(xué)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)混合式教學(xué).

信號與系統(tǒng)課程是電子信息類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)核心課程，在減少計(jì)劃學(xué)時(shí)的情況下，為保證教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)質(zhì)量，順應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”新時(shí)代教學(xué)改革需求和作為網(wǎng)絡(luò)時(shí)代“原住民”的新時(shí)代大學(xué)生樂于利用碎片化時(shí)間學(xué)習(xí)的心理，在學(xué)校在線課程建設(shè)項(xiàng)目的支持下，課程組開展了信號與系統(tǒng)雙語MOOC建設(shè)，力求更好地服務(wù)于本專業(yè)學(xué)生的同時(shí)，通過學(xué)校優(yōu)質(zhì)教育資源的輻射作用，惠及對本課程具有學(xué)習(xí)需求的學(xué)生和社會相關(guān)人員.

1 信號與系統(tǒng)雙語在線課程建設(shè)

1.1 在線課程框架設(shè)計(jì)

信號與系統(tǒng)在線課程教學(xué)內(nèi)容從信號到系統(tǒng)、從時(shí)域到變換域、從連續(xù)到離散3個維度闡述信號與線性系統(tǒng)的分析方法和原理. 課程內(nèi)容分6章節(jié)[2-4]：a.緒論；b.連續(xù)時(shí)間信號與系統(tǒng)的時(shí)域分析；c.傅里葉變換及連續(xù)時(shí)間信號與系統(tǒng)的頻域分析；d.拉普拉斯變換及連續(xù)時(shí)間信號與系統(tǒng)的復(fù)頻域分析；e.離散時(shí)間信號與系統(tǒng)的時(shí)域分析；f.z變換及離散時(shí)間信號與系統(tǒng)的z域分析. 課程內(nèi)容的邏輯關(guān)系如圖1所示[4-5].

1.2 在線課程內(nèi)容建設(shè)與優(yōu)化

依據(jù)課程教學(xué)大綱，信號與系統(tǒng)在線課程建設(shè)了近百個完整知識點(diǎn)教學(xué)視頻內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上對課程內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)與優(yōu)化.

1)基本知識點(diǎn)與仿真實(shí)驗(yàn)相融合. 融入“信號的卷積運(yùn)算”“信號的分解與合成”“信號的抽樣與恢復(fù)”等驗(yàn)證課程經(jīng)典理論的仿真實(shí)驗(yàn). 學(xué)生通過在線學(xué)習(xí)課程的相關(guān)理論任務(wù)點(diǎn)視頻之后，可通過學(xué)習(xí)仿真實(shí)驗(yàn)視頻對抽象的課程理論獲得一定程度上的感性認(rèn)知.

圖1 信號與系統(tǒng)在線課程邏輯關(guān)系

2)基本理論與領(lǐng)域前沿技術(shù)相融合. 本著課程內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)的原則，并考慮通信工程類專業(yè)學(xué)生作為B5G(Beyond 5G)/6G技術(shù)的主力軍，及早建立信號與系統(tǒng)課程理論知識與實(shí)際通信系統(tǒng)間的關(guān)系，一方面有助于學(xué)生開拓前沿視野，早日建立通信思維；另一方面也為學(xué)生梳理通信工程類的課程設(shè)置體系，幫助學(xué)生盡早度過課程與專業(yè)迷茫期. 基于此，將本課程基本理論與信息和通信領(lǐng)域的前沿技術(shù)相融合，建設(shè)了“卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”、“傅里葉變換與正交頻分復(fù)用(Orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)”“時(shí)頻變換與5G中的頻譜”等若干關(guān)聯(lián)性主題視頻，在傳授前沿知識的同時(shí)，梳理了本課程與通信原理、數(shù)字信號處理、現(xiàn)代無線通信原理等課程體系間的關(guān)聯(lián).

3)融入工程實(shí)例并深度挖掘德育元素. 在教學(xué)內(nèi)容中融合了蘊(yùn)含本課程知識點(diǎn)的日常生活和工程中的實(shí)例. 例如，在“信號的描述”一節(jié)中舉例說明音樂的表述中蘊(yùn)含了時(shí)域和頻域的描述. 深度挖掘課程中的德育元素，例如由系統(tǒng)的內(nèi)部穩(wěn)定性和外部穩(wěn)定性引申到個人和集體之間利益關(guān)系的社會主義價(jià)值觀，等等.

總之，通過優(yōu)化信號與系統(tǒng)在線課程內(nèi)容，使其盡可能符合“高階性”、“創(chuàng)新性”和“挑戰(zhàn)度”的“兩性一度”要求.

1.3 在線課程資源建設(shè)

信號與系統(tǒng)在線課程理論教學(xué)視頻中的PPT全部使用英文表述. 目前已完成教學(xué)視頻總時(shí)長1 409 min，教學(xué)視頻總數(shù)量107個；試題庫目前已建設(shè)完成試題數(shù)量313題；參考文獻(xiàn)等課外學(xué)習(xí)資料超過60項(xiàng). 在線課程資源仍在不斷建設(shè)和完善中.

2 信號與系統(tǒng)在線課程應(yīng)用

2.1 基于在線課程的線上線下混合式教學(xué)

信號與系統(tǒng)在線課程建設(shè)初期，部分模塊未能達(dá)到MOOC運(yùn)行平臺所界定的標(biāo)準(zhǔn)，尚不能對全網(wǎng)開放. 因而，本在線課程最初于2020年9月在本校內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上線，僅對本專業(yè)(通信工程類專業(yè))運(yùn)行. 課程組于2020-2021學(xué)年第一學(xué)期針對2019級通信工程類學(xué)生(共5個平行教學(xué)班)開設(shè)了基于校內(nèi)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺運(yùn)行的信號與系統(tǒng)SPOC. 理論教學(xué)采用線上、線下混合式雙語教學(xué)模式. 教學(xué)視頻中的PPT和課堂上的板書全部采用英文，而講授過程中教師依據(jù)知識點(diǎn)的難易程度適度使用英文. 中英文使用并非互譯，而是有機(jī)結(jié)合，渾然一體.

應(yīng)防疫要求，2020年秋季前4周采取線上教學(xué)，共16學(xué)時(shí). 課前：教師通過學(xué)習(xí)通和QQ群發(fā)布上課通知，明確說明學(xué)生上課時(shí)間應(yīng)在線完成的任務(wù)點(diǎn). 課中：上課時(shí)教師通過學(xué)習(xí)通簽到；學(xué)生完成任務(wù)點(diǎn)后教師發(fā)布隨堂測驗(yàn)，根據(jù)測驗(yàn)結(jié)果，通過學(xué)習(xí)通班級群或班級QQ群語音直播總結(jié)本節(jié)重點(diǎn)、難點(diǎn)和隨堂測驗(yàn)中的問題. 課后：教師布置在線作業(yè)，在討論區(qū)發(fā)布討論話題與學(xué)生充分互動，作業(yè)和討論話題可引導(dǎo)學(xué)生回看教學(xué)視頻以鞏固和加強(qiáng)學(xué)生對知識點(diǎn)的理解和掌握. 教師通過QQ群、學(xué)習(xí)通等隨時(shí)為學(xué)生答疑.

從第5周起恢復(fù)課堂教學(xué)，同時(shí)開展線上、線下混合式教學(xué). 課前：教師發(fā)布通知布置預(yù)習(xí)內(nèi)容. 課中：教師通過學(xué)習(xí)通掃描二維碼、發(fā)位置或拍照簽到. 教師通過學(xué)習(xí)通發(fā)布小測試檢驗(yàn)學(xué)生預(yù)習(xí)任務(wù)點(diǎn)情況，然后有針對性地進(jìn)行詳、略講解. 因大班授課，學(xué)生的預(yù)習(xí)情況參差不齊，難以實(shí)現(xiàn)完全翻轉(zhuǎn)課堂. 但可以針對部分知識點(diǎn)進(jìn)行“大課堂小翻轉(zhuǎn)”，可通過學(xué)習(xí)通APP選人功能指定學(xué)生上臺扮演教師講解，教師引導(dǎo)臺下全體學(xué)生進(jìn)行評析，并實(shí)時(shí)糾錯和適度補(bǔ)充. 這樣，教師作為課堂組織者輔助絕大部分學(xué)生順利完成本節(jié)學(xué)習(xí)任務(wù). 課后：及時(shí)在討論區(qū)發(fā)布討論話題與學(xué)生互動，學(xué)生可回看教學(xué)視頻進(jìn)行復(fù)習(xí)和鞏固. 適度發(fā)布線上和線下作業(yè)，并通過QQ群、學(xué)習(xí)通班級群等作為師生溝通渠道并進(jìn)行答疑和解惑.

本學(xué)期學(xué)生考核結(jié)果如圖2所示，總體成績符合高斯分布. 該成績分布曲線很大程度上得益于信號與系統(tǒng)在線課程的應(yīng)用. 學(xué)生可以隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)和鞏固課程知識點(diǎn)并參與在線討論，絕大部分學(xué)生能夠較好地掌握課程內(nèi)容. 而對于具有較大難度的綜合分析和設(shè)計(jì)型拔高題目，只有少數(shù)對課程掌握得較好的學(xué)生 “跳一跳”方能“夠得著”. 這也正體現(xiàn)出本課程具有一定的“挑戰(zhàn)度”.

圖2 學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)輸出成績分析截圖

隨著信號與系統(tǒng)在線課程資源建設(shè)不斷完善和深入，在本校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺運(yùn)行一期后，開始上線至超星學(xué)銀在線平臺以MOOC形式運(yùn)行，第二期開課覆蓋學(xué)校達(dá)10所，學(xué)銀在線MOOC平臺統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示. 在學(xué)銀在線平臺運(yùn)行的各期，信號與系統(tǒng)MOOC除了服務(wù)于其他專業(yè)師生以及社會上對本課程具有一定需求的相關(guān)人員之外，還基于信號與系統(tǒng)MOOC對本專業(yè)(通信工程類專業(yè))學(xué)生開設(shè)信號與系統(tǒng).

圖3 學(xué)銀在線第二期信號與系統(tǒng)MOOC覆蓋學(xué)校

采用SPOC，各平行班授課教師可根據(jù)各自教學(xué)班學(xué)情，合理安排線上學(xué)時(shí)和線下課堂教學(xué)學(xué)時(shí)，這不僅能夠有效地完成信號與系統(tǒng)課程正常教學(xué)計(jì)劃，并取得良好的教學(xué)效果，也將助力部分學(xué)生順利完成“信號與系統(tǒng)”課程重修. 針對本專業(yè)學(xué)生所設(shè)計(jì)的基于MOOC開展信號與系統(tǒng)課程教學(xué)的考核評價(jià)體系示例如表1所示. 另外，除了在學(xué)銀在線平臺運(yùn)行之外，信號與系統(tǒng) MOOC也已上線智慧樹平臺，且運(yùn)營良好.

表1 信號與系統(tǒng)課程考核評價(jià)體系示例

2.2 線上線下混合、虛實(shí)結(jié)合開放實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在信號與系統(tǒng)MOOC中融入的仿真實(shí)驗(yàn)無法滿足學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)獲得真實(shí)的感性認(rèn)知. 信號與系統(tǒng)課程理論抽象，難以理解，而課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，難以使學(xué)生將實(shí)驗(yàn)與相關(guān)理論緊密結(jié)合并做到融會貫通. 基于虛擬儀器技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充與提升[6]，有助于解決上述難題. 引進(jìn)北京時(shí)代行云有限公司研發(fā)的“雷實(shí)驗(yàn)”(LEI)智慧實(shí)驗(yàn)平臺，打破時(shí)空限制，將微信、PC機(jī)及“雷實(shí)驗(yàn)”智慧實(shí)驗(yàn)平臺無縫銜接[7]. “雷實(shí)驗(yàn)”軟件平臺提供與Mutltisim兼容的仿真模塊，口袋實(shí)驗(yàn)室可提供可編程電源、示波器、函數(shù)信號發(fā)生器等虛擬儀器. 學(xué)生通過微信登錄LEI實(shí)驗(yàn)平臺，即可將“雷實(shí)驗(yàn)”軟件平臺提供的虛擬儀器、儀表結(jié)合PC機(jī)、必要電子元器件和“雷實(shí)驗(yàn)”智慧面包板，隨時(shí)隨地開展電子信息類課程實(shí)驗(yàn)，而無需限制在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中. 開展線上線下混合、虛擬與實(shí)際結(jié)合的非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生深入理解課程理論，真正做到理論與實(shí)踐相結(jié)合[8].

以信號與系統(tǒng)課程中“信號的抽樣與恢復(fù)”為例，這是本課程的難點(diǎn)和重點(diǎn)之一. 學(xué)生通過信號與系統(tǒng)MOOC學(xué)習(xí)、研討和鞏固相關(guān)原理，然后基于LEI實(shí)驗(yàn)平臺的仿真模塊設(shè)計(jì)了“信號的脈沖取樣與恢復(fù)”實(shí)驗(yàn)，如圖4所示. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真電路圖，在LEI實(shí)驗(yàn)智慧面包板上用實(shí)際電子元器件搭建電路，利用LEI實(shí)驗(yàn)軟件平臺提供的虛擬儀器結(jié)合PC機(jī)，完成線上線下混合且虛實(shí)結(jié)合的“信號的脈沖取樣與恢復(fù)”實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電路與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，PC機(jī)屏幕上的虛擬示波器顯示出對虛擬信號發(fā)生器產(chǎn)生的三角波進(jìn)行脈沖取樣后的抽樣信號波形以及經(jīng)過低通濾波之后恢復(fù)出三角波.

圖4 “信號的脈沖取樣與恢復(fù)”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖

圖5 “信號的脈沖取樣與恢復(fù)”實(shí)驗(yàn)電路與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

信號與系統(tǒng)MOOC教學(xué)視頻、討論區(qū)研討、在線答疑等各模塊有力促進(jìn)學(xué)生在課堂之外設(shè)計(jì)并完成課內(nèi)實(shí)驗(yàn)無法達(dá)成的開放性實(shí)驗(yàn). 而非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的開放實(shí)驗(yàn)更加有利于學(xué)生對信號與系統(tǒng)課程基本理論的驗(yàn)證和深入理解，從而使課程理論和實(shí)踐緊密結(jié)合，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)以及解決實(shí)際工程問題奠定扎實(shí)基礎(chǔ).

3 結(jié)束語

本文闡述了關(guān)于信號與系統(tǒng)MOOC的建設(shè)和應(yīng)用. 在線課程能夠讓使用者隨時(shí)“查漏補(bǔ)缺”，可有效且系統(tǒng)地提升教學(xué)質(zhì)量. 信號與系統(tǒng)MOOC與線上線下混合且虛實(shí)結(jié)合的開放實(shí)驗(yàn)相輔相成，有力支撐本專業(yè)“厚基礎(chǔ)”“重實(shí)踐”“強(qiáng)創(chuàng)新”的人才培養(yǎng). “互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代改變了人們的生活、工作和學(xué)習(xí)方式，它催生的MOOC教育及線上和線下、虛擬和實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)改革，展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力. MOOC建設(shè)及其深度應(yīng)用[9]，必將提高課程的“兩性一度”，為“金課”建設(shè)提供強(qiáng)大而有力的支撐.