混合教學模式下“現代信號處理”案例教學探索

張曉光 段元星 王艷芬

[摘 要] 教育部十年規劃與“金課”的提出彰顯了國家對高校教育教學的高度重視，“線上+線下”混合教學模式已成為變革課堂教學的必然，但其在實踐過程中存在一些問題。以拓寬電子信息專業學生視野、培養他們解決復雜問題的能力和思維為目標，闡述了混合教學模式下“現代信號處理”課程案例教學改革方案，介紹了該課程的案例教學設計。以心電信號工頻干擾消除為例，詳細說明了該課程在課前、課中和課后三個環節互相影響、互為補充、形成良性循環的案例教學實踐。為了檢驗教學效果，與傳統教學方法的考核結果對比，結果表明，混合教學模式下的案例教學有助于提升學生的理論分析能力和實踐動手能力。

[關鍵詞] 混合教學模式;案例教學;心電信號工頻干擾消除

[課題項目] 2020年度教育部高等學校電子信息類教學指導委員會“電子信息類課程漸進混合教學模式應用研究”（2020-YB-54）;2019年度中國礦業大學研究生教研課題“‘現代信號處理課程案例庫建設與案例教學”（2019YJSJG025）;2019年度中國礦業大學教學研究項目重點課題“互聯網+視域下漸進混合式教學模式改革與應用”（2019ZD03）

[作者簡介] 張曉光（1978—），女，遼寧昌圖人，博士，中國礦業大學信息與控制工程學院副教授，碩士生導師，主要從事信號處理與高等教育研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）15-0022-04? ?[收稿日期] 2020-10-29

教育部十年規劃與“金課”的提出彰顯了國家對高校教育教學的高度重視[1，2]，也對教學優化策略給出了頂層指引，混合教學模式已成為變革課堂教學的必然，成為提升教學質量、培養一流人才的重要抓手。目前國內高校紛紛大力建設在線課程，積極推行“線上+線下”混合教學模式，但是在實際授課中，學生對混合教學模式中開展的小班分組、問題研討等教學方式比較積極，對公式繁雜、理論抽象內容的理解始終不夠深入，學習勁頭不足，究其原因是學生所學內容脫離現實生活，不容易理解。鑒于此，開展混合教學模式下的案例教學改革與實踐尤為重要。

一、混合教學模式下的案例教學方法改革

混合教學是網上在線學習和常規教室教學的有機結合[3]，涉及課堂內外的學習資源建設、教學設計、師生互動、拓展任務和考核評價等多個環節[4]。案例教學法是以具體典型事件或生活情境為基礎，圍繞教學內容和教學目標而開展的一種互動教學[5，6]。利用混合教學模式下的案例教學方法能夠較容易地完成被動學習模式向主動學習模式的轉換，激發學生的學習興趣，提升學習效果。

二、混合教學模式下課程案例教學設計

（一）案例選取與設計

教學案例需要服務于教學目標。首先，選取與設計的案例必須與所學章節知識點高度相關;其次，應該具有關注度，能瞬間吸引學生的注意，激發出他們的學習興趣;再次，最好具有綜合性，能夠把孤立的知識點成功串起來，將所學知識遷移運用到實踐問題中，提升學生的高階思維和綜合能力。例如針對中國礦業大學的“現代信號處理”課程，選取與設計的教學案例與知識點對應如表1所示。

（二）案例教學的實施方法

針對課程內容前后銜接關系和對應的知識點特征，分別采用案例導入式、案例問題啟發式、案例比較式及綜合案例分析方法實施案例教學。

案例導入式教學法是指在教學課堂上，通過有趣的案例導入授課內容，用以激發學生的求知欲望;案例比較式教學法是指利用不同算法或者實現方案，實現類似功能的案例;案例問題啟發式教學法是指引入與工程背景密切相關的案例，然后引導學生發現潛隱于案例中的工程問題，分析產生問題的原因和解決問題的辦法，緊扣課程所授內容知識點;綜合案例分析教學法是指通過一個涵蓋了多個核心知識點的綜合案例，通過案例子任務將課程多個教學內容貫穿起來。

三、混合教學模式下課程案例教學實踐

（一）案例教學實踐

在教學過程中，案例教學按照“課前案例準備—課中案例教學—課后案例總結”的混合模式進行，利用“基于LMS算法的自適應濾波器設計”可以進行心電信號工頻干擾消除。下面以此為例，進行“現代信號處理”課程案例教學實踐說明。

1.課前案例準備。在講解基于LMS算法的自適應濾波器設計內容時，在課前一周，教師就會利用慕課等智慧工具分別推送事先準備好的導學案，其內容包括章節名稱、視頻所在網址和名稱、學習目的、應具備的經驗知識、學習內容和要解決的問題等，要求學生進行在線自主學習，在“先問題，后學習”的氛圍中為線下課中案例教學鋪墊知識。例如，對應這兩個相關而又不同的教學內容，要求學生在課前自主掌握的問題如下：一是自適應噪聲抵消系統的構成;二是LMS算法原理;三是Matlab或C語言程序實現。同時，鼓勵學習小組之間互相討論，并實行組長監督制，提高學生自主學習和團隊協作能力。

2.課中案例教學。課中分為教學課堂和對應的實驗課堂，下面分別詳細說明教學課堂和實驗課堂中的案例教學實踐過程。

第一，教學課堂。教師首先通過慕課推送與學習任務相關的基礎問題，以檢驗學生課前對知識點的掌握情況，通過慕課測試可以瞬時得到測試結果，此時教師可以根據學生的出錯率情況對知識點進行梳理，幫助學生理解和掌握重點知識，聚焦學習目標。關于“基于LMS算法的自適應濾波器設計”內容的知識點測試，主要以填空題、判斷題或選擇題的形式來考查上文中提到的課前要求學生自主掌握的問題。

通過案例導入課題。測試完知識點，并帶著學生有重點的梳理完重點知識后，利用案例導入式教學法，在教學課堂上直接導入如圖1所示的含有50Hz工頻干擾的心電圖信號，引導學生觀察心電圖信號的時域和頻域波形，找到50Hz工頻干擾對心電圖信號帶來的影響。

根據圖1，有學生首先指出設計一個低通或帶阻濾波器，濾除50Hz干擾信號即可，此時適時引導學生通過本節課程“基于LMS算法的自適應濾波器設計”的理論學習和實驗操作，用其對心電信號干擾消除可以達到比低通或帶阻更好的效果。接下來，將如何基于LMS算法的自適應濾波器設計一個自適應陷波器的問題進行分解，拆分為以下幾個相關問題：一是自適應濾波器原理是什么？二是自適應噪聲抵消系統原理是什么？三是當噪聲為單一爭先分量，如50Hz工頻干擾，自適應抵消系統即為自適應陷波器嗎？四是請按自適應噪聲抵消系統結構框圖，設計含有加權系數的單頻自適應陷波器框圖。針對以上問題，首先支持每個學習小組內部討論并解決問題;然后留出時間引導學生進行大討論，直到所有理論問題得以解決。整個討論過程，以學生合作學習為主，教師負責引領、組織、控制和評價，起到輔助的作用。

第二，實驗課堂。當案例子任務對應的理論教學一結束，也就是在對應的實驗課前大概一周時間，通知學生要做的實驗任務，尤其是案例實施任務，要求班級學生以小組為單位，提前進行實驗預習和相關程序設計。根據理論課上圍繞案例開展的討論和方案規劃，以及小組實驗課前的預習，在實驗課上，要求學生在掌握LMS自適應濾波器理論知識[7]的基礎上，設計合適的自適應陷波器，如圖2所示。圖3所示為基于自適應陷波器的心電圖信號工頻干擾消除波形，從時域圖中可以看到波形前部存在震蕩，這是因為自適應算法需要一個學習的過程。從頻域圖中可以看到自適應工頻干擾消除對原始心電圖信號影響較小，濾波效果較好。實驗結束之前，教師檢查實驗數據和波形，并隨機提問與實驗相關的理論問題，依此對實驗課堂表現打分，同時提醒學生記錄實驗數據和波形。

第三，課后案例總結。案例拓展任務，主要是給學有余力且有興趣的學習小組的課后任務，教師負責指導和答疑。關于心電信號工頻干擾消除的課后案例拓展，會要求學生小組繼續就心電信號經常存在的肌電干擾和基線漂移噪聲，利用自適應算法和小波變換進行去噪。當包括拓展任務的整個案例完成后，要求每個研究生小組提交一份案例實踐報告，然后選出一組最優案例，并推薦該組學生代表就案例做一次報告，與其他學生分享和交流。

（二）考核結果對比

為了檢驗“現代信號處理”課程混合教學模式下案例教學方法改革的效果，與傳統教學方法的考核結果做了對比。2019學年某班研究生利用學堂在線進行了混合教學模式下案例教學方法的改革，其中最終考核包括理論考試、案例實驗、平時成績三個部分。為了簡化統計且盡可能地減小誤差，課程對比了2018—2019年學生的理論、實驗平均成績（如表2所示），同時對2018—2019年學生考核總成績分值分段占比進行了對比，如圖4所示。

由表2和圖4數據可以看出，采用混合教學模式下的案例教學改革方法，在分值上中等生和差等生的提高更明顯，且根據幾年平均分數和學生綜合表現看出，改革有助于提升學生的理論分析能力和實踐動手能力。

四、結語

混合教學模式下的“現代信號處理”課程案例教學實踐，以拓寬電子信息專業學生視野，培養他們解決復雜問題的能力和思維為目標，選取或設計具有工程背景的案例，注重課前、課中、課后三個教學環節的有效銜接和良性循環，激勵學生主動學習，提升學習效果。

參考文獻

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[2]吳巖.建設中國“金課”[J].中國大學教學，2018（12）：6-11.

[3]蘇小紅，趙玲玲，葉麟，等.基于MOOC+SPOC的混合式教學的探索與實踐[J].中國大學教學，2015（7）：62-67.

[4]李逢慶，韓曉玲.混合式教學質量評價體系的構建與實踐[J].中國電化教育，2017（11）：113-118.

[5]張曉光，湯文豪，王艷芬，等.數字信號處理案例教學法研究與實踐[J].實驗技術與管理，2018，35（5）：214-217+235.

[6]張培玲，張中衛，李輝.《現代信號處理》課程案例教學方法研究[J].讀與寫（教師版），2018（11）：1.

[7]張涇周，張光磊，戴冠中.自適應算法與小波變換在心電信號濾波中的應用[J].生物醫學工程學雜志，2006，23（5）：977-980.

Exploration of "Modern Signal Processing" Case Teaching in Mixed Teaching Mode

ZHANG Xiao-guang， DUAN Yuan-xing， WANG Yan-fen

（School of Information and Control Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116， China）

Abstract： The Ministry of Educations ten-year plan and the introduction of the “Gold Class” have shown that our country attaches great importance to college education and teaching. The online and offline mixed teaching model has become a necessity to transform teaching， but it has encountered bottlenecks in practice. This article aims to broaden the students‘ horizons of electronic information majors and cultivate the ability to solve complex problems and thinking. It explains the reform program and teaching design of the case teaching of modern signal processing course in the mixed teaching mode. Power frequency interference cancellation of ECG signals is taken as an example， which explains the case teaching practice of? before class， during and after class in detail. In order to test the teaching effect， it is compared with the assessment results of traditional teaching methods. The results show that case teaching under the mixed teaching mode helps to improve students' theoretical analysis ability and practical ability.

Key words： mixed teaching model; case teaching; the elimination of power frequency interference of ECG signal