代 萌,劉銳崗,付 峰
(空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系,西安 710032)
數(shù)字信號處理課程是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的核心課程,具有抽象概念多、學(xué)習(xí)難度大等特點[1-2]。目前,該課程普遍采用以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式,該模式雖具有良好的系統(tǒng)性及可操作性,但缺乏針對學(xué)生自主學(xué)習(xí)的激勵機制,也未能充分考慮到受訓(xùn)者的個體差異。
“互聯(lián)網(wǎng)+教育”技術(shù)的發(fā)展及其與教育領(lǐng)域的深度融合,在教育風(fēng)格、培訓(xùn)方式、教育資源等領(lǐng)域引起了諸多變革。例如:隨教育信息化技術(shù)衍生而來的混合型教學(xué)模式目前已應(yīng)用于數(shù)字圖像處理[3]、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析[4]、線性代數(shù)[5]等課程的教學(xué),并取得了良好的應(yīng)用效果。該模式可將傳統(tǒng)課堂與線上教學(xué)相結(jié)合,遵循以教師主導(dǎo)、學(xué)生為本的方針,既發(fā)揮了傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)性的優(yōu)勢,又可融合線上-線下教學(xué)模式,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。
基于上述背景,本文基于Python 語言開發(fā)信息化平臺,將混合型教學(xué)模式引入數(shù)字信號處理課程中,并依托該平臺在教學(xué)活動中進(jìn)行了應(yīng)用嘗試。
數(shù)字信號處理課程是醫(yī)學(xué)圖像處理、醫(yī)學(xué)儀器原理與應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)信號檢測與處理等后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)基礎(chǔ),在工作實踐和科學(xué)研究中也有廣泛的應(yīng)用。但該課程要求學(xué)生具備扎實的理論基礎(chǔ)和熟練的實踐能力,具有學(xué)習(xí)內(nèi)容繁多、概念抽象、理論推導(dǎo)復(fù)雜等特點,是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教學(xué)中的難點[6]。
目前,以課堂授課為主體的傳統(tǒng)數(shù)字信號處理教學(xué)存在以下問題:(1)教學(xué)過程單方面以教師為主導(dǎo),不利于調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性;(2)課堂教學(xué)模式注重理論概念及知識條目陳述,忽略深層因果探究及實踐應(yīng)用訓(xùn)練;(3)教學(xué)形式單一,無法充分利用課余時間,教學(xué)內(nèi)容缺乏擴展性;(4)教學(xué)評價常采用單一的定量考核方式,忽視了對學(xué)生實踐應(yīng)用能力的評價。
如何提高學(xué)生課程參與感、學(xué)習(xí)主動性,成為教學(xué)改革的首要內(nèi)容;同時,如何結(jié)合學(xué)生及課程特點,優(yōu)化教學(xué)媒介及教學(xué)方式,降低課程學(xué)習(xí)難度,強化知識掌握,提高學(xué)生利用數(shù)字信號處理方法解決實際問題的能力,進(jìn)而培養(yǎng)創(chuàng)新思維成為亟須解決的關(guān)鍵問題。
混合型教學(xué)模式是一種將教學(xué)媒介、教學(xué)環(huán)境、教學(xué)內(nèi)容協(xié)同組織的教學(xué)模式,該模式基于建構(gòu)主義[3]、教育傳播[4]、首要教學(xué)理論[7],將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與線上教學(xué)相結(jié)合,激發(fā)學(xué)生主動構(gòu)建知識體系[8-9]。
因此,本研究設(shè)計了傳統(tǒng)課堂教學(xué)結(jié)合線上式教學(xué)的混合型學(xué)習(xí)平臺(以下簡稱“平臺”),如圖1所示。平臺明確了教學(xué)總體目標(biāo)與階段目標(biāo),完成教學(xué)目標(biāo)設(shè)計后,依據(jù)學(xué)生特征分析結(jié)果設(shè)置學(xué)習(xí)計劃,在傳統(tǒng)課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上結(jié)合浸入式分組項目教學(xué)[10],并采用輔助教學(xué)工具及多維度教學(xué)資源管理,為教學(xué)提供技術(shù)保障。最后,結(jié)合課程考核成績及學(xué)生日常反饋實施教學(xué)評估。根據(jù)教學(xué)評估與平臺使用效果,教師可進(jìn)一步對教學(xué)平臺進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。
圖1 混合型學(xué)習(xí)平臺框架
平臺通過對學(xué)生學(xué)習(xí)特征的分析,按照縱向分層教學(xué)理念建立個性化學(xué)習(xí)策略,在教授基本課程大綱內(nèi)容的基礎(chǔ)上,以學(xué)生為中心,將學(xué)習(xí)基礎(chǔ)(學(xué)科成績、學(xué)業(yè)成績、專業(yè)認(rèn)知、學(xué)術(shù)能力)、社交能力(同伴協(xié)作、師生互動)及心理狀態(tài)(學(xué)習(xí)動機變化、興趣、注意力、自信心、創(chuàng)造性思維、信念)等作為評估特征,多方面綜合衡量,推送相應(yīng)的擴展教學(xué)內(nèi)容及分組實踐項目。在課前階段,注重課前預(yù)習(xí)及當(dāng)堂知識擴展,主要內(nèi)容包括:第一,提供課程內(nèi)容概要、課前測試,幫助學(xué)生在預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上回顧知識點,教師可根據(jù)課前測試結(jié)果及在線互動及時掌握學(xué)習(xí)難點,針對學(xué)生存在的共性問題重點講解及集中答疑。第二,從上述特征出發(fā),構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容推薦系統(tǒng)(learning recommender system,LRS),為學(xué)生推薦擴展學(xué)習(xí)內(nèi)容,例如:可結(jié)合學(xué)生高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、積分變換等前置課程的考核成績及自我基礎(chǔ)評價,為基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生推薦課程相關(guān)的基礎(chǔ)內(nèi)容。在授課階段,將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與平臺在線實驗相結(jié)合,為學(xué)生提供在線提問、知識點釋義等課堂互動,學(xué)生可通過點擊電子教案對應(yīng)鏈接獲得擴展內(nèi)容。在課后階段,平臺按照難度將作業(yè)庫題目設(shè)置為高、中、低3 級,學(xué)生可結(jié)合自身學(xué)習(xí)效果選擇從低至高漸進(jìn)式完成課后作業(yè)。最后,學(xué)生可結(jié)合課堂體驗進(jìn)行課堂評價,為教學(xué)效果評價提供反饋。在教學(xué)評價方面,采用基于縱向分層的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(data envelopment analysis,DEA)法實現(xiàn)學(xué)習(xí)效果評價,評價指標(biāo)包括學(xué)生成績及能力評估、課程滿意度評價及教師課程評價等方面。其中,學(xué)生成績評價包括學(xué)生平時成績、作業(yè)完成狀況、隨堂測試、項目完成評價、課程考試,能力評估包括研究能力、協(xié)作能力評估,采用學(xué)生自我評價、教師評價及學(xué)生研究成果綜合考量。
基于混合型學(xué)習(xí)平臺設(shè)計理念,前后端分別采用Vue.js 組件及Flask 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架實現(xiàn),具有易于構(gòu)建、開發(fā)快捷、組件搭建靈活等優(yōu)勢[11-12]。在教育資源管理方面,基于Python 語言在云存儲環(huán)境下構(gòu)建混合型學(xué)習(xí)平臺,利用云平臺提供服務(wù),可突破時間與空間的限制訪問各項資源,并通過數(shù)據(jù)兼容性接口及開放性服務(wù)建立資源訪問模式,豐富教學(xué)資源。
存儲層采用MySQL 及Neo4j 實現(xiàn),構(gòu)建學(xué)生特征庫、專業(yè)知識庫、項目庫、推薦系統(tǒng)知識圖譜,提取學(xué)生特征構(gòu)建學(xué)習(xí)風(fēng)格分類模型,采用Python 語言按照學(xué)習(xí)分類特點為學(xué)生構(gòu)建個性化教學(xué)計劃,設(shè)計學(xué)習(xí)推薦系統(tǒng),結(jié)合教學(xué)進(jìn)度向?qū)W生推送針對性教學(xué)資源,并對學(xué)習(xí)效果進(jìn)行周期性評估,適時調(diào)整教學(xué)形式及教學(xué)內(nèi)容。
平臺基于以下策略實現(xiàn)個體化學(xué)習(xí)計劃制訂功能:第一,采用系統(tǒng)用戶信息設(shè)置、問卷調(diào)查、學(xué)生自我評價、教師評價等方式,提取學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、興趣方向、基礎(chǔ)知識、學(xué)習(xí)能力等特征信息,并將特征標(biāo)簽化。第二,基于Honey&Mumford 學(xué)習(xí)風(fēng)格模型及用戶畫像技術(shù)[13],建立學(xué)習(xí)風(fēng)格分類模型,從自學(xué)能力、學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)主動性及專業(yè)興趣等維度建立用戶畫像,按照不同的個性維度建立學(xué)習(xí)指導(dǎo)機制,例如:從學(xué)習(xí)風(fēng)格特征維度出發(fā),面向理論型學(xué)習(xí)風(fēng)格的學(xué)生時,系統(tǒng)應(yīng)以理論講解類資源推送為主,并配置邏輯性較強的作業(yè)、項目訓(xùn)練計劃;面向行動型風(fēng)格的學(xué)生時,平臺可以減少理論性較強的學(xué)習(xí)內(nèi)容推送,并通過增加項目教學(xué)的方式將理論教學(xué)內(nèi)容融入實踐應(yīng)用過程,使學(xué)生在項目實踐中掌握知識點[14]。第三,在學(xué)習(xí)過程中,采用課堂反饋、隨堂練習(xí)、師生互動、課后作業(yè)等方法建立持續(xù)反饋,在平臺中有目的地調(diào)整教學(xué)計劃,優(yōu)化教學(xué)效果。平臺可通過跟蹤動態(tài)特征庫并針對學(xué)生學(xué)習(xí)效果展開趨勢性分析,對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不斷實施評估,動態(tài)調(diào)整學(xué)習(xí)計劃。例如:平臺將監(jiān)測到的學(xué)生學(xué)習(xí)時間段、時長、頻次、知識點、考核結(jié)果、資源評價、項目進(jìn)度、作業(yè)得分、教學(xué)功能評價、教師反饋等作為評價學(xué)生學(xué)習(xí)成果、衡量學(xué)生學(xué)習(xí)特征的數(shù)據(jù)來源,并據(jù)此進(jìn)一步調(diào)整下一階段的學(xué)習(xí)計劃,幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣、鞏固專業(yè)知識、培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力。
按照教學(xué)計劃設(shè)置推薦策略,為學(xué)生推送不同的教學(xué)資源。平臺采用圖嵌入和規(guī)則抽取融合法實現(xiàn)資源推薦功能[15]:第一,采用自動抽取結(jié)合教師復(fù)核的方法,分析并總結(jié)知識點、教學(xué)資源、學(xué)生特征、教學(xué)策略等關(guān)鍵詞,并將上述內(nèi)容歸納為知識圖譜結(jié)構(gòu)的實體標(biāo)簽,用于描述資源特征。第二,采用聚類方法將不同標(biāo)簽合并到實體標(biāo)簽,并與具體知識點建立對應(yīng)關(guān)系。由教師結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗,將資源實體標(biāo)簽映射至學(xué)生特征,根據(jù)學(xué)生特征評分、學(xué)習(xí)風(fēng)格、對應(yīng)知識點標(biāo)簽找到對應(yīng)表現(xiàn)形式的知識點,先采用多維相似度評價算法,發(fā)現(xiàn)相似性知識點集合,再將結(jié)果按照關(guān)聯(lián)性排序,從中選擇并形成相似知識點推送給學(xué)生。按照不同知識點所需要的前置條件排列學(xué)習(xí)順序,進(jìn)而基于知識圖譜網(wǎng)絡(luò)為知識點關(guān)聯(lián)相關(guān)教學(xué)資源形成資源網(wǎng)絡(luò),可按照教學(xué)需求,查詢教學(xué)資源網(wǎng)絡(luò),提供針對性教學(xué)資源。
將平臺應(yīng)用于2022 級空軍軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)14 名學(xué)生的數(shù)字信號處理教學(xué)中,學(xué)生可在電子閱覽室、網(wǎng)絡(luò)實驗室等場所通過計算機、平板計算機及手機移動端進(jìn)行訪問。
4.1.1 在線上線下聯(lián)合教學(xué)中應(yīng)用
教學(xué)組完成教學(xué)設(shè)計后,采用線上教學(xué)與傳統(tǒng)課堂教學(xué)相結(jié)合方式,按照課程內(nèi)容劃分為基礎(chǔ)模塊、流程控制模塊、頻譜分析模塊、數(shù)字濾波模塊。按照時間順序?qū)⒄n堂教學(xué)模式劃分為課前、課堂及課后,如圖2(a)所示,課前由平臺提供對應(yīng)課堂教學(xué)的擴展教學(xué)資源及課前測試,學(xué)生可結(jié)合推薦資源預(yù)先了解授課內(nèi)容、歷史背景等,提高學(xué)習(xí)興趣,擴展學(xué)習(xí)內(nèi)容;在課堂上可基于Python 教學(xué)組件快速完成算法實現(xiàn)、理論驗證、樣例演示等,提高課堂互動性,提升教學(xué)效果;課后,平臺可為學(xué)生提供作業(yè)布置及評閱功能,并允許學(xué)生反饋課堂評價。
圖2 基于Python 的混合型學(xué)習(xí)平臺界面
4.1.2 在情景式教學(xué)模式中應(yīng)用
平臺基于建構(gòu)主義理論,構(gòu)建情景式教學(xué)模式,以解決實際問題為學(xué)習(xí)的起點,結(jié)合模塊內(nèi)容及學(xué)生特征設(shè)置專題項目任務(wù),模擬出真實應(yīng)用場景,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。學(xué)生以項目小組為單位,采用互動交流、協(xié)作配合完成項目任務(wù),在合作解決問題中鞏固知識,并深化教學(xué)內(nèi)容。項目實施過程中,指導(dǎo)教師發(fā)揮引導(dǎo)作用,并對最終的結(jié)果進(jìn)行評價,學(xué)生根據(jù)課堂評價,總結(jié)經(jīng)驗,鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容。圖2(b)為學(xué)生培訓(xùn)項目管理界面,進(jìn)入該頁面可查看當(dāng)前項目概要、工作條件及目標(biāo),當(dāng)接受并啟動該項目后,還可顯示協(xié)作團隊成員、項目進(jìn)度等信息。在教學(xué)過程中,教師可基于情景式教學(xué)模式,結(jié)合傳統(tǒng)課堂教學(xué)進(jìn)度,增加學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)、互動和項目參與內(nèi)容,形成漸進(jìn)混合型教學(xué)模式。
采用問卷調(diào)查、學(xué)生成績對比、項目應(yīng)用評價等方法比較應(yīng)用平臺前后的教學(xué)效果。通過對比發(fā)現(xiàn),約71.4%的學(xué)生在問卷中反映采用平臺使得學(xué)習(xí)興趣得到顯著提升,64.3%的學(xué)生認(rèn)為采用平臺對于課程學(xué)習(xí)有很大幫助,50%的學(xué)生反映平臺提供的相關(guān)教學(xué)資源對學(xué)習(xí)有很大的幫助??己穗y度參照2018~2021 級空軍軍醫(yī)大學(xué)數(shù)字信號處理課程結(jié)業(yè)考試,考核結(jié)果如圖3 所示,平臺應(yīng)用組(2022 級)與既往4 a 內(nèi)其他屆學(xué)生(2018~2021 級)比較,學(xué)生課程期末考核平均成績、優(yōu)秀率均高于各對照組,作業(yè)平均得分也高于各對照組。在項目應(yīng)用評價中,采用平臺學(xué)習(xí)前僅21.5%的學(xué)生有應(yīng)用項目經(jīng)歷,采用平臺學(xué)習(xí)后全部學(xué)生均經(jīng)歷過完整項目實施經(jīng)歷。
圖3 考核結(jié)果對比圖
值得一提的是,項目管理模塊是該平臺的重要特色,該平臺可為項目應(yīng)用提供全流程管理,例如:可為學(xué)生項目研究提供計劃制訂模板,并按照計劃實施進(jìn)度管理,幫助學(xué)生熟悉科研流程,有助于培養(yǎng)科學(xué)的研究習(xí)慣;將業(yè)務(wù)工作規(guī)范和管理工作規(guī)范內(nèi)置到平臺中,實現(xiàn)自動線上業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn),自然銜接各工作節(jié)點,引導(dǎo)工作規(guī)范的“無感”執(zhí)行和制度落地。基于系統(tǒng)流程化的管理基礎(chǔ),在項目在線推進(jìn)的過程中,平臺自動識別項目及任務(wù)進(jìn)度和狀態(tài),同時在對應(yīng)的統(tǒng)計頁面自動更新可視化的項目實時數(shù)據(jù),并通過郵件通知方式,對特殊階段或者事件進(jìn)行提醒,實現(xiàn)實時項目任務(wù)信息自動更新、快速發(fā)布共享;可為學(xué)生提供項目立項、實驗記錄、代碼版本管理、檔案歸檔、記錄檢索等功能,降低科研成本,提高科研效率;以任務(wù)方式指定成果管理負(fù)責(zé)人進(jìn)行任務(wù)分配和管理,可實現(xiàn)任務(wù)分解和任務(wù)改派[16]。通過平臺應(yīng)用組與各對照組教學(xué)效果對照,使用編程方法解決實際應(yīng)用問題的學(xué)生占比從應(yīng)用平臺學(xué)習(xí)前的50%提升至100%;問卷調(diào)查結(jié)果顯示,約64.3%的學(xué)生反映采用平臺對團隊協(xié)作能力有較大提高,約71.43%的學(xué)生認(rèn)為采用平臺增強了自身學(xué)習(xí)興趣,同時學(xué)習(xí)效率也有所提高。
同時,在教學(xué)效果評估時發(fā)現(xiàn),基于Python 的混合型學(xué)習(xí)平臺仍存在以下問題:35.7%的學(xué)生認(rèn)為平臺需要提高操作的便捷性。在教學(xué)過程中,課時有限,學(xué)生通常需要1 周時間方可熟練掌握平臺操作,延遲了教學(xué)計劃。28.6%的學(xué)生在調(diào)查中期望平臺能增加資源庫中應(yīng)用項目的數(shù)量。目前資源庫中包括63 項學(xué)習(xí)項目,其中36 項為研究項目,10項為理論重現(xiàn)項目,僅17 項為操作應(yīng)用項目。在進(jìn)一步的研究中,將結(jié)合教學(xué)特點深入調(diào)研學(xué)生操作習(xí)慣,提高軟件的易用性,降低應(yīng)用難度;同時將進(jìn)一步豐富教學(xué)資源類型及數(shù)量,提高平臺應(yīng)用的可操作性。
綜上所述,在混合型教學(xué)模式中,教師從教學(xué)主導(dǎo)者角色轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者,積極引導(dǎo)學(xué)生,激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情,通過設(shè)置課程相關(guān)應(yīng)用研究場景,并采用互動協(xié)作等方式,讓學(xué)生在研究過程中鞏固知識[10]?;诨旌闲蛯W(xué)習(xí)平臺,教師在教學(xué)活動中能夠結(jié)合學(xué)生特征制訂針對性教學(xué)計劃,并設(shè)置漸進(jìn)式研究任務(wù),培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索及研究協(xié)作精神,激發(fā)學(xué)習(xí)主動性,在研究與應(yīng)用中提高專業(yè)認(rèn)知;并可為學(xué)生提供豐富的擴展資料及關(guān)聯(lián)信息,提高知識的廣度及發(fā)散度[17]。
數(shù)字信號處理課程是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程,但該課程對學(xué)習(xí)者基礎(chǔ)有較高的要求,同時課程抽象概念多,難以掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容,具有較高的教學(xué)難度;加之傳統(tǒng)的教學(xué)模式缺乏對學(xué)生自主性的激發(fā),忽略了不同學(xué)生間基礎(chǔ)的差異,難以調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性。本文將混合型學(xué)習(xí)理念引入數(shù)字信號處理教學(xué)之中,同時采用Python輔助教學(xué)工具,并基于網(wǎng)絡(luò)云平臺構(gòu)建了專項學(xué)習(xí)平臺,既保留了傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)性的優(yōu)勢,又發(fā)揮了互動式教學(xué)方式的特點,融合線上、線下教學(xué),激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,并將抽象的課程可視化,提高了學(xué)生將所學(xué)理論轉(zhuǎn)化為實踐操作的能力,加深了對課程的理解,降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度,提高了教學(xué)效率,對其他相關(guān)性課程教學(xué)的開展具有一定的借鑒作用。