多平臺(tái)多維度生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)課程遠(yuǎn)程教學(xué)實(shí)踐①

王晶 徐銀冬 王昱然 樊建慧＊

(1.大連醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 遼寧大連 116044；2.大連市友誼醫(yī)院中醫(yī)康復(fù)科 遼寧大連 116001)

生物醫(yī)學(xué)工程信號(hào)處理類實(shí)驗(yàn)課程作為生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的基礎(chǔ)專業(yè)課程，在此專業(yè)的學(xué)習(xí)中占據(jù)十分重要的地位。其實(shí)驗(yàn)即圍繞教材中的基本內(nèi)容，在Matlab等數(shù)學(xué)仿真類軟件的環(huán)境下，進(jìn)行相關(guān)處理，從而對(duì)學(xué)生的規(guī)范性、鉆研性與創(chuàng)新性思維進(jìn)行培育[1]。但由于某些特殊情況（如成人教育等），教師無法如以往開展課堂授課、與學(xué)生面對(duì)面進(jìn)行討論，于是，使用多媒體平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)授課的方式開始完全普及。由于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理類實(shí)驗(yàn)課程操作性較強(qiáng)，需要從網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中進(jìn)行信息反饋，但各種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)各具功能與特色，哪種平臺(tái)線上授課方式可以幫助學(xué)生們更好地理解、操作實(shí)驗(yàn)成為一大難題。因此，結(jié)合多種線上教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程授課，權(quán)衡利弊變得尤為重要[2]。

1 遠(yuǎn)程教學(xué)現(xiàn)狀

圖1 教學(xué)內(nèi)容概覽

線上學(xué)習(xí)常被運(yùn)用與線下授課相結(jié)合，這是因?yàn)槔镁W(wǎng)絡(luò)能極大程度地增加學(xué)生在單位時(shí)間內(nèi)所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，且可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)媒介的可回放性，幫助學(xué)生較為系統(tǒng)、徹底地理解掌握知識(shí)信息，降低了知識(shí)獲取的復(fù)雜度；同時(shí)通過課后的鞏固，充分傳達(dá)教學(xué)目的[3]。

某些特殊情況下，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)承擔(dān)了線下教學(xué)授課與線上復(fù)習(xí)學(xué)習(xí)的雙重任務(wù)。

2 實(shí)踐目的

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理類課程實(shí)驗(yàn)作為操作性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程，僅僅通過教師網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)遠(yuǎn)程授課是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要遠(yuǎn)程操作進(jìn)行授課[4]；因此，結(jié)合各種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，根據(jù)各平臺(tái)不同的功能、特色，權(quán)衡利弊，選擇最適合學(xué)生的多平臺(tái)結(jié)合遠(yuǎn)程教學(xué)方式，幫助學(xué)生們更好地理解實(shí)驗(yàn)，為生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理類課程的理論學(xué)習(xí)鞏固基礎(chǔ)，提升學(xué)生們的專業(yè)技能[5]。

3 實(shí)踐方法

在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理類課程的學(xué)習(xí)過程中，通過Matlab軟件的實(shí)踐，使理論與實(shí)踐相結(jié)合，可以促進(jìn)學(xué)生們更好地理解、鞏固和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)[6]，并在日后的學(xué)習(xí)與研究中積累基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)，夯實(shí)基礎(chǔ)。《綜合課程設(shè)計(jì)III》實(shí)踐課程共計(jì)九章，36學(xué)時(shí)，結(jié)合多平臺(tái)遠(yuǎn)程課堂教學(xué)，將其應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)二年級(jí)下學(xué)期的教學(xué)中。

3.1 實(shí)踐對(duì)象

本次實(shí)踐對(duì)象為大連醫(yī)科大學(xué)本科二年級(jí)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)。授課時(shí)間為2020年春季學(xué)期，用時(shí) 9 周。

3.2 平臺(tái)及其功能

本實(shí)踐使用云班課（北京智啟藍(lán)墨信息技術(shù)有限公司）進(jìn)行課前簽到，促使同學(xué)們形成按時(shí)學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣，同時(shí)，老師可以較好地了解同學(xué)們出缺席情況。另外，課后作業(yè)提交的方式也五花八門，可以讓學(xué)生們?cè)谡莆照n堂知識(shí)的同時(shí)，增加知識(shí)的趣味性。

本實(shí)踐將雨課堂（由清華大學(xué)在線教育辦公室聯(lián)合學(xué)堂在線平臺(tái)研發(fā)）作為核心授課平臺(tái)：錄播有聲課件、上傳預(yù)習(xí)視頻供學(xué)生預(yù)習(xí)；進(jìn)行彈幕交流形式的直播課，進(jìn)行隨堂小試，發(fā)布課后作業(yè)公告、上傳課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)資料。

圖3 講解同學(xué)的實(shí)驗(yàn)操作成果

圖4 雨課堂發(fā)布課堂小測

圖5 使用云班課發(fā)布作業(yè)

由于雨課堂直播不能與學(xué)生進(jìn)行語音交流，通過QQ直播（深圳市騰訊計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有限公司）的形式，課上問題講解與課后答疑則，直觀傳遞信息給學(xué)生。

另外，由于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程授課的不可見因素，定期進(jìn)行在線考試，以便了解學(xué)生們對(duì)知識(shí)的掌握程度。此形式在融智云考題庫（北京融智云創(chuàng)軟件有限公司）上進(jìn)行。

4種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行綜合線上遠(yuǎn)程教學(xué)，采用在線與離線學(xué)習(xí)緊密結(jié)合的方式，極大限度地增加了授課的便捷性與系統(tǒng)性。

3.3 遠(yuǎn)程教學(xué)實(shí)踐

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理類課程實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)環(huán)境為Matlab，這是一款致力于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化與分析、數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境的一款數(shù)學(xué)軟件，目前在發(fā)達(dá)國家的大學(xué)教育和科研領(lǐng)域中常常作為一個(gè)不可缺少的重要計(jì)算機(jī)工具。現(xiàn)如今，國內(nèi)也有越來越多的理工院校已或正在把Matlab作為工程相關(guān)學(xué)科計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析、輔助設(shè)計(jì)和教育教學(xué)專用[7]。此次實(shí)踐教學(xué)目的是使學(xué)生通過Matlab掌握基于信號(hào)分析、LIT系統(tǒng)分析及數(shù)字信號(hào)處理的基本分析方法。

教學(xué)安排分為遠(yuǎn)程授課實(shí)踐、自由操作、問題答疑、知識(shí)檢測、課后復(fù)習(xí)五部分。其中遠(yuǎn)程授課與問題答疑部分主要在雨課堂、QQ直播進(jìn)行，課后習(xí)題部分在云班課進(jìn)行，知識(shí)檢測則使用雨課堂和融智云考題庫。共計(jì) 36 學(xué)時(shí)，9 周次進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教學(xué)，具體教學(xué)內(nèi)容安排如下。

(1)課前簽到：云班課開設(shè)簽到活動(dòng)，了解學(xué)生們的出席情況。

(2)遠(yuǎn)程理論講解：雨課堂發(fā)布有聲課件，供學(xué)生學(xué)習(xí)，且可以回放，便于學(xué)生們充分進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，從而減少因教材缺乏等原因引起的預(yù)習(xí)困難，并緩解實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的壓力。

(3)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)講解：通過QQ直播的方式，引導(dǎo)學(xué)生們使用Matlab軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(4)自由操作：學(xué)生使用Matlab進(jìn)行自由操作，對(duì)剛學(xué)到的內(nèi)容加以實(shí)踐。在學(xué)生遇到操作困難時(shí)，可邀請(qǐng)老師使用QQ平臺(tái)遠(yuǎn)程控制桌面，及時(shí)解決因距離造成的溝通不暢等問題。

(5)隨堂知識(shí)檢測：在雨課堂平臺(tái)發(fā)布隨堂檢測試題，牢固知識(shí)點(diǎn)。設(shè)置答題時(shí)限，督促學(xué)生認(rèn)真完成遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，避免互相抄襲。

(6)問題答疑：經(jīng)學(xué)生反饋，搜集疑難，統(tǒng)一通過QQ直播形式進(jìn)行解答。

(7)課后復(fù)習(xí)：通過雨課堂平臺(tái)發(fā)布課后作業(yè)與實(shí)驗(yàn)報(bào)告等一系列任務(wù)，并通過云班課進(jìn)行成果驗(yàn)收，批改。

圖6 生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)成績統(tǒng)計(jì)

表1 學(xué)生學(xué)習(xí)意愿統(tǒng)計(jì)

(8)在線考試：為更好了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，定期利用融智云考題庫平臺(tái)進(jìn)行期中、期末在線考試。

3.4 教學(xué)實(shí)例

以《連續(xù)時(shí)間信號(hào)在 matlab 中的運(yùn)算》實(shí)驗(yàn)為實(shí)例。

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑椋簩W(xué)會(huì)運(yùn)用Matlab進(jìn)行連續(xù)時(shí)間信號(hào)的時(shí)移、反褶、尺度變換；連續(xù)時(shí)間信號(hào)相加、相乘運(yùn)算；計(jì)算連續(xù)時(shí)間信號(hào)微分、積分；計(jì)算兩個(gè)連續(xù)時(shí)間信號(hào)的卷積運(yùn)算。其中卷積運(yùn)算是連續(xù)時(shí)間信號(hào)中一種重要的運(yùn)算，與今后著重學(xué)習(xí)的傅里葉變換有著密切的關(guān)系；單位沖激信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)復(fù)雜信號(hào)的功能，通過推導(dǎo)和演變，引出卷積積分的定義式。在實(shí)際操作中，可以根據(jù)Matlab中符號(hào)運(yùn)算函數(shù)與運(yùn)算工具箱的強(qiáng)大功能，計(jì)算積分、求導(dǎo)與卷積等功能。本次實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容豐富，教學(xué)方法流程圖如圖1所示。

3.4.1 遠(yuǎn)程實(shí)踐

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，使用雨課堂進(jìn)行連續(xù)時(shí)間信號(hào)運(yùn)算理論的講解，配合有聲可回放課件，讓講解的方式形象生動(dòng)，內(nèi)容簡明扼要。有聲課件講解如圖 2所示。隨后，使用QQ直播進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作講解。

3.4.2 學(xué)生操作

熟習(xí)基本操作后，接下來，由學(xué)生自主進(jìn)行Matlab操作實(shí)驗(yàn)。其中分為兩步，分別是隨機(jī)分組討論與隨機(jī)點(diǎn)名講解。隨機(jī)分組討論：將學(xué)號(hào)順序打亂，并隨機(jī)分成3組，進(jìn)行遠(yuǎn)程討論Matlab實(shí)驗(yàn)；隨機(jī)點(diǎn)名講解：在自主操作前進(jìn)行隨機(jī)點(diǎn)名，被點(diǎn)到的學(xué)生進(jìn)行準(zhǔn)備，在分組討論操作后進(jìn)行講解匯報(bào)。學(xué)生匯報(bào)操作具體成果如圖3所示。

3.4.3 知識(shí)檢測

知識(shí)檢測主要以隨堂小測驗(yàn)為主，使用雨課堂發(fā)布小測驗(yàn)，對(duì)學(xué)生本堂課學(xué)到的知識(shí)做系統(tǒng)檢測，并分析，搜集疑難，如圖4所示。

3.4.4 問題答疑

搜集學(xué)生理論與操作上的種種問題與疑惑，進(jìn)行統(tǒng)一解答。使用QQ直播，界面簡潔清晰，方便觀看學(xué)習(xí)。

3.4.5 課后復(fù)習(xí)

布置藍(lán)墨云班課作業(yè)任務(wù)給學(xué)生，以實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績?cè)u(píng)定及學(xué)生實(shí)驗(yàn)思考來觀察教學(xué)效果，如圖5所示。

4 教學(xué)成果

在多平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程授課實(shí)踐中，通過幾周授課講解發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的線下教學(xué)方式或單一平臺(tái)遠(yuǎn)程授課的乏味枯燥，多平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)授課則可以更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，發(fā)掘?qū)W生潛力，讓老師更好地了解每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)[8]。通過云班課后臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)踐班中，平均課后作業(yè)成績7.6/10分，其中不乏有成績?cè)?分及以上的同學(xué)，說明此種遠(yuǎn)程授課方式的授課學(xué)生掌握情況良好，即使是Matlab零基礎(chǔ)的同學(xué)，也可以輕松通過遠(yuǎn)程授課的方式熟練掌握該軟件及在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理類課程中的應(yīng)用。具體教學(xué)成績?nèi)鐖D6。

5 教學(xué)效果

5.1 學(xué)生意向調(diào)查

本次實(shí)踐邀請(qǐng)本科二年級(jí)生物醫(yī)學(xué)工程班的同學(xué)們進(jìn)行授課方式與興趣的調(diào)查，共有27人參與此次調(diào)查。根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]，設(shè)計(jì)如下問題：（1）當(dāng)前的多平臺(tái)遠(yuǎn)程授課的學(xué)習(xí)效果與傳統(tǒng)線下授課效果相比，那種方式較好？（2）哪種授課的學(xué)時(shí)、內(nèi)容、課后作業(yè)可以適當(dāng)增加？（3）哪種授課形式更有助于提高了學(xué)習(xí)興趣？（4）你更喜歡哪一種授課方式？

5.2 調(diào)查結(jié)果

具體調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

6 實(shí)踐結(jié)論

本實(shí)踐根據(jù)課程重點(diǎn)和學(xué)生特點(diǎn)及知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，將每個(gè)課程具體教學(xué)方案細(xì)化，通過雨課堂、云班課、QQ直播、融智云考題庫等多平臺(tái)輔助完成教學(xué)任務(wù)。由于遠(yuǎn)程課程實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間和空間的限制，可彌補(bǔ)由于某些原因在家學(xué)習(xí)而引發(fā)的溝通不暢等種種缺點(diǎn)。實(shí)踐通過合理設(shè)置教學(xué)時(shí)數(shù)，完善教學(xué)計(jì)劃，以保證學(xué)生的聽課質(zhì)量與知識(shí)點(diǎn)掌握。遠(yuǎn)程實(shí)踐授課配合電子教材、視頻等資源，更能激發(fā)起學(xué)生興趣，開拓學(xué)生的創(chuàng)造性思維。另外，遠(yuǎn)程授課提供了學(xué)生充足的自我學(xué)習(xí)、自由討論、自主操作實(shí)踐的時(shí)間，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的系統(tǒng)理解、熟練掌握與靈活運(yùn)用。最后由隨堂小測與課后作業(yè)檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)情況。實(shí)踐后的調(diào)查結(jié)果顯示，相較于普通課堂，線上課堂更能使學(xué)生們積極主動(dòng)參與課堂內(nèi)容并應(yīng)用于Matlab軟件操作。這表明多平臺(tái)結(jié)合遠(yuǎn)程授課方式，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力、動(dòng)手能力得到加強(qiáng)，對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)及matlab的基本操作掌握更加牢固。同時(shí)，這種遠(yuǎn)程授課方式也促進(jìn)多學(xué)科課程和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)代化，遠(yuǎn)程線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)與其線上線下結(jié)合教學(xué)的拓展必將成為今后教育發(fā)展的主流。