教育信息化2.0時代的數字信號處理課程教學改革實踐

孫曉艷 王稚慧 要趁紅 張立材

[摘? ? ? ? ? ?要]? 隨著教育信息化2.0時代的到來，如何將以人工智能等新型信息技術為核心的教育模式與實際的教學活動相結合是亟待解決的問題。闡述了已有新型教學模式和信息化手段在數字信號處理課程中的應用，并給出了已有應用結果的數據分析。

[關? ? 鍵? ?詞]? 教育信息化2.0;數字信號處理;慕課

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）04-0210-02

一、前言

2018年4月，教育部出臺了《教育信息化2.0行動計劃》，是繼2012年出臺的《教育信息化“十三五”規劃》之后，又一次全國層面出臺的綜合性教育信息化規劃文件[1]。教育信息化的1.0階段是基于Web2.0等傳統信息技術所支持的智慧教育[2]，確定了“應用驅動”和“機制創新”的基本方針[3]。2017年，隨著人工智能的大力發展和廣泛應用，教育信息化2.0以人工智能為核心實現教育的創新與發展。

數字信號處理是通信工程專業的專業基礎課程之一，具有理論性強但應用廣泛、概念多且抽象、公式推導多且物理意義難等特點。數字信號處理課程固有的特點導致在實際的教學過程中知識直觀性較低，課堂互動性和生動性較低，且學生學習的主動性較差，知識的實際應用能力較弱等一系列的問題。因此，如何在教育信息化2.0時代，以人工智能為核心，充分利用“互聯網+”等信息化技術手段，提高數字信號處理課程的教學質量和學生的學習主動性，培養學生的創新性思維和解決實際問題的能力，是一個亟待解決的問題。

二、基于教學內容的課堂教學模式改革

首先，已有的數字信號處理教材可以分為兩大類。一類是偏重于理論推導的教材，另一類是近幾年出版的基于Matlab或LabView等軟件的將理論與Matlab或LabView仿真實例相結合進行基本概念和基本原理闡述的教材。針對學生的實際學習困難，考慮實際教學課時數限制，將大量的Matlab程序實現及其講解在教材中以二維碼的方式呈現，供學生或教材使用者在課后進行學習。為此，我們編寫了《數字信號處理及其Matlab實現——慕課版》教材。

其次，數字信號處理課程是信號與系統課程的延續，其與相關課程間的關系如圖1所示。由圖1可知，從大一高等數學、復變函數與積分變換等課程開始，學生進入數學基礎課程的學習;之后學生在大二信號與系統課程中建立了系統的概念，為數字信號處理的學習打下了堅實的基礎;最后學生通過后續數字圖像處理等專業方向課程的學習，形成了四年不斷線的數字信號處理系列課程體系。信號與系統課程主要講解連續信號與系統，而數字信號處理課程主要講解離散信號與系統。因此，將數字信號處理課程的教學內容按照其與信號與系統課程間的耦合關系進行分類。一類是緊耦合內容，例如離散時間信號與系統、時域離散信號的頻域分析等。緊耦合的教學內容在實際的教學中，將教學課件發布到網絡平臺，讓學生通過網絡平臺自行進行學習。在課程中，采用翻轉課堂的形式，以學生為主進行講解，而教師進行答疑解惑，或知識的補充。而另一類就是數字信號處理課程與信號與系統課程松耦合的內容，例如，離散傅里葉變換、濾波器算法與設計等。這類教學內容在課堂教學中，采用微助教、雨課堂和學習通等課堂教學工具，通過精心設計相應的教學環節，增加教師與學生的互動，在一定程度上提高學生的課堂參與度和學習積極性。課后學生通過課程網絡平臺中發布的作業對課堂知識進行鞏固;通過課程網絡平臺中的慕課視頻對相應知識進行拓展。

通過這一系列的措施可以將知識資源數字化，充分利用互聯網資源，實現教育信息化2.0時代下的教育資源觀轉變和教育技術觀轉變。

三、與“互聯網+”相結合的考核方式改革

課程考核是教學過程中的一個重要環節。傳統的考核方式通常是課程結束后用一次考試來考核評估學生對相應課程的掌握程度。這種方式的弊端是導致部分學生平時松懈，只在考試前的一周，甚至是一個晚上學習需要考核的內容。為了解決類似這種問題，充分調用學生學習的積極性，采用過程化考核方法，即結合學生的課堂出勤、課堂表現、小組協作、試卷多方面進行考核，并且將包括課堂出勤、課堂表現、小組協作在內的平時成績在最終成績中所占的比重加大至50%，甚至是60%。

在教育信息化2.0時代，課堂表現可以借助微助教、雨課堂和學習通等課堂新型教學手段，根據課程實際教學內容增加討論、搶答、點答等環節。教師精心設計的這些教學環節不僅可以活躍課堂氣氛，也可以隨時掌握學生對相關知識點的掌握情況。

為了提升學生的動手能力和對實際工程問題的分析和解決能力，教師選取數字信號處理相關知識對在實際工程項目中的應用進行立項。以項目為導向，3～4個學生自由成組，分工協作完成項目中的任務。協作完成項目的學生在課堂中進行項目答辯和項目成果展示。最終的小組協作成績由教師打分、組間互評和組內互評3部分成績組成。

四、基于數據分析的教學效果評價

在教育信息化2.0背景下，教學效果的評價不僅僅局限于課程結束后的一張試卷，而是基于多個不同的評價維度，貫穿在整個課程的教學過程中的實時評價分析體系。例如，通過對慕課平臺中學生觀看相應視頻的時長進行統計，可以分析出學生對視頻感興趣的情況;通過對慕課平臺中相應視頻學生的回看次數，可以分析出該視頻包含知識點學生的理解掌握情況;通過雨課堂、微助教等中課堂互動環節的學生相應信息，可以對相應知識點的學生掌握情況進行分析評價;課程平臺中的作業完成情況，可以根據每道題目學生的答題情況進行分析。

以2017—2018學年第1學期我們的數字信號處理課程的網絡平臺數據為例，課程教師團隊共制作61個慕課視頻任務點供學生學習。網絡平臺面向全網開放，其中本校學生60人，外校學生80人。

另外，網絡教學平臺中開發制作的61個慕課視頻的總時長為347分鐘。本校學生網絡平臺慕課視頻觀看平均時長為338分鐘，任務點完成平均百分比為90%;而外校學生慕課視頻觀看平均時長為182分鐘，任務點完成平均百分比為48.64%。本校的學生在任課教師的引導下，結合課堂教學進度能夠很好地完成網絡教學平臺發布的任務點。外校學生由于缺乏任課教師的管理和組織，還有可能因為教材不配套等客觀原因導致平均觀看時長較短以及任務點完成平均百分比較低的問題。雖然外校學生的平均觀看時長和任務點平均百分比較低，但是有17名學生觀看了所有的慕課視頻并完成所有的任務點，66名學生觀看了70%的慕課視頻并完成相應的任務點，分別占校外參與網絡學習平臺人數的14.91%和57.89%。

圖2給出了數字信號處理網絡教學平臺中每個視頻的本校學生觀看完成平均百分比。由圖2可知，本校學生除了第一個慕課視頻以外，每個慕課視頻的平均完成百分比均在80%以上，證明了所有慕課視頻的有用性。

圖3給出了每個慕課視頻學生重復觀看的平均百分比。由圖3可知，數字信號處理網絡教學平臺中每個視頻都有一定的重復觀看比例。不同的重復觀看比反映了學生對相應慕課視頻中內容的掌握程度，即掌握程度越低，重復觀看比例越高。而對重復觀看比例較高的慕課視頻中的知識點，例如圖3中，網絡平臺中的第25、40和44個慕課的重復觀看百分比均大于40%，則說明相應的知識點學生理解較困難，需要在課堂上進行進一步的講解。

五、總結

在教育信息化2.0時代，充分利用以人工智能為核心，以“互聯網+”等信息化技術手段，通過基于課程內容的教學模式改革中，充分利用已有的慕課或微課資源，運用翻轉課堂提高學生的學習主動性。通過精心設計的課堂互動環節，不僅可以增強學生的學習興趣，而且可以對教學效果進行及時評價，便于靈活調整教學內容和方法。通過以項目為導向的分組協作，培養學生的創新性思維和解決實際問題的能力。

參考文獻：

[1]吳旻瑜，吳曉菲.教育信息化2.0的時代邏輯：《教育信息化2.0行動計劃》解讀之一[J].遠程教育，2018（4）：4-10.

[2]鄭旭東.智慧教育2.0：教育信息化2.0視域下的教育新生態：教育信息化2.0行動計劃》解讀之二[J].遠程教育，2018（4）：11-19.

[3]楊宗凱，吳砥，鄭旭東.教育信息化2.0：新時代信息技術變革教育的關鍵歷史躍遷[J].教育研究，2018（4）：16-22.

編輯 馬燕萍