信號(hào)與系統(tǒng)課程混合式教學(xué)方法研究

李欣 賈雅瓊 俞斌 王曉麗 任詠梅

摘要：以“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中的“濾波器”為具體的教學(xué)實(shí)踐對(duì)象，基于智慧樹平臺(tái)和雨課堂工具，進(jìn)行線上、線下相結(jié)合的混合式教學(xué)方法研究。利用智慧樹平臺(tái)完成線上學(xué)習(xí)和對(duì)應(yīng)章節(jié)測(cè)驗(yàn)，通過智慧樹平臺(tái)上的討論區(qū)實(shí)現(xiàn)師生間的及時(shí)互動(dòng)。利用智慧樹平臺(tái)可以更加方便地統(tǒng)計(jì)線上學(xué)習(xí)情況的相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行精準(zhǔn)的學(xué)情分析，基于此可以進(jìn)行針對(duì)性的線下教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)以壓縮教師的講解時(shí)間，留出更多的時(shí)間用于“以學(xué)生為中心”的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，顯著提高了教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：信號(hào)與系統(tǒng);濾波器;混合式教學(xué);翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）31-0186-02

隨著信息處理和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，隨之而來的是IT行業(yè)的大繁榮，企業(yè)對(duì)電子信息類專業(yè)畢業(yè)生的專業(yè)素質(zhì)也提出了更高的要求，同時(shí)，隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式已經(jīng)無法滿足學(xué)生的求知需求，這些都是高校的教學(xué)工作所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著新冠肺炎疫情的爆發(fā)，各大高校都在進(jìn)行線上教學(xué)[1]。混合式教學(xué)就是將線上教學(xué)和線下教學(xué)結(jié)合在一起，通過將兩種教學(xué)方式的有機(jī)結(jié)合來取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)過程從“學(xué)生被動(dòng)接受”到師生互動(dòng)式的以“學(xué)生為中心”的教學(xué)范式的轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到提升教學(xué)效果的目標(biāo)。基于上述原因，許多的電子信息類專業(yè)的高校教師都致力于混合式教學(xué)方式的研究[2-4]。

信號(hào)與系統(tǒng)作為電子信息類專業(yè)的專業(yè)核心課程[5]，教學(xué)內(nèi)容主要涵蓋了連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域和變換域分析，這些內(nèi)容是后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理、高頻通信電子線路等的基礎(chǔ)。該課程中抽象概念多且難理解，涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，因此信號(hào)與系統(tǒng)是一門較難的課程。如何合理的利用教學(xué)資源和教學(xué)手段來提升信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)效果是一個(gè)熱點(diǎn)研究問題。

本文以信號(hào)與系統(tǒng)課程中的重要知識(shí)點(diǎn)“濾波器”為混合式教學(xué)實(shí)踐對(duì)象，借助雨課堂工具，以本教學(xué)團(tuán)隊(duì)老師錄制的智慧樹平臺(tái)上的“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)視頻資源，開展線上與線下方式相結(jié)合的混合式教學(xué)，其中線下教學(xué)采用以“學(xué)生為主體，教為主導(dǎo)”的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式以提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)積極性[6-7]。通過對(duì)“濾波器”知識(shí)的梳理凝練和合理的教學(xué)設(shè)計(jì)，利用多種信息化教學(xué)手段來達(dá)到更好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)實(shí)施過程

教學(xué)過程分為線上和線下兩部分，其實(shí)施過程如圖1所示。

線上教學(xué)部分如圖1（a）所示。對(duì)于學(xué)生端，首先讓學(xué)生完成智慧樹平臺(tái)上的課程視頻的學(xué)習(xí)，根據(jù)教學(xué)視頻中的內(nèi)容完成對(duì)應(yīng)章節(jié)的測(cè)驗(yàn)題，并提交本次課的學(xué)習(xí)筆記，最后完成提問和回復(fù)環(huán)節(jié)，即針對(duì)本次課內(nèi)容提出一些問題，可以是自己不明白的問題也可以是自己認(rèn)為非常重要的知識(shí)，同時(shí)針對(duì)班上同學(xué)的提問要進(jìn)行選擇性回復(fù)。在教師端，教師統(tǒng)計(jì)學(xué)生的視頻學(xué)習(xí)情況、測(cè)試題完成情況、讀書筆記和提回回答環(huán)節(jié)的完成情況，并根據(jù)學(xué)生線上學(xué)習(xí)的情況進(jìn)行學(xué)情分析，重點(diǎn)分析測(cè)試題完成情況和提問回答環(huán)節(jié)，凝練出學(xué)生對(duì)本次課程知識(shí)點(diǎn)的主要問題，以便有針對(duì)性的設(shè)計(jì)線下教學(xué)的內(nèi)容和課堂測(cè)驗(yàn)題目，同時(shí)要提前向?qū)W生發(fā)布線下課程的分組討論任務(wù)。

線下教學(xué)部分采用翻轉(zhuǎn)課堂形式，如圖1（b）所示。讓學(xué)生作為課堂的主角，盡量壓縮教師知識(shí)點(diǎn)講解的時(shí)間，將大部分的教學(xué)時(shí)間用于對(duì)學(xué)生的當(dāng)堂測(cè)試和分組展示中。線下課堂中教師的講解內(nèi)容主要包括對(duì)知識(shí)點(diǎn)的整體梳理和總結(jié)和對(duì)線上學(xué)習(xí)中學(xué)生們所遇到的重難點(diǎn)問題。對(duì)知識(shí)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行梳理和總結(jié)可以讓學(xué)生更好地構(gòu)建知識(shí)體系，對(duì)線上學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)問題進(jìn)行集中性針對(duì)性講解可以大大提高教學(xué)效率。教師對(duì)知識(shí)點(diǎn)的講解結(jié)束后立刻利用雨課堂工具向同學(xué)推送隨堂測(cè)驗(yàn)題目，及時(shí)了解學(xué)生的掌握情況。接下來是學(xué)生的分組討論，讓學(xué)生將課前布置的分組討論主觀題目的完成情況進(jìn)行上臺(tái)講解，臺(tái)下的同學(xué)可以對(duì)臺(tái)上的同學(xué)進(jìn)行提問和點(diǎn)評(píng)，這種以學(xué)生為中心的教學(xué)模式可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性。通過學(xué)生自己在臺(tái)上講解不僅可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握深度，還可以鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。最后，由教師對(duì)本次課程進(jìn)行整體歸納和點(diǎn)評(píng)，并利用雨課堂工具布置作業(yè)。這種混合式教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)師生間的高效互動(dòng)，并提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

2 知識(shí)點(diǎn)梳理分析

本文以“濾波器”知識(shí)點(diǎn)為例來說明混合式教學(xué)過程。濾波器的相關(guān)內(nèi)容是后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理課程的基礎(chǔ)，對(duì)于理解通信系統(tǒng)中的重要組成部分，因此濾波器是信號(hào)與系統(tǒng)中的一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)。

濾波器以無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)為基礎(chǔ)，實(shí)質(zhì)是一種具有帶寬限制的無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)，因此可從無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)的頻域條件引出理想濾波器的概念，根據(jù)不同的帶寬限制將濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻四種基本類型。它們之間有著密切的關(guān)系，最基本的是理想低通濾波器，用得最多的是帶通濾波器，因此，本知識(shí)點(diǎn)著重講解低通濾波器和帶通濾波器。對(duì)于低通濾波器，重點(diǎn)講解低通濾波器的時(shí)頻域特性，首先由無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)的低頻帶寬限制得到理想低通濾波器的頻域特性，對(duì)頻域特性進(jìn)行傅里葉反變換得到其時(shí)域特性，即其單位沖激響應(yīng)，再利用單位沖激響應(yīng)與單位階躍響應(yīng)之間的關(guān)系，得到理想低通濾波器的單位階躍響應(yīng)。為了進(jìn)一步理解理想低通濾波器的特性，分析其對(duì)矩形脈沖輸入的響應(yīng)，接著指出其是物理不可實(shí)現(xiàn)的，由此引出實(shí)際的低通濾波器及其頻域特性及通帶、阻帶和過渡帶等相關(guān)概念。這一部分的知識(shí)對(duì)于后續(xù)從抽樣信號(hào)中利用低通濾波器來恢復(fù)原始連續(xù)時(shí)間信號(hào)是至關(guān)重要的。

對(duì)于帶通濾波器，首先從無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)得到理想帶通濾波器的頻域特性，利用傅里葉變換的性質(zhì)與矩形脈沖的傅里葉變換對(duì)，對(duì)其進(jìn)行傅里葉反變換得到其時(shí)域特性，并指出其物理不可實(shí)現(xiàn)性，最后引出實(shí)際帶通濾波器及其通帶、阻帶和過渡帶等相關(guān)概念。這一部分的知識(shí)對(duì)于后續(xù)調(diào)制與解調(diào)知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)，因此要處理好與后續(xù)知識(shí)的銜接問題。

3 混合式教學(xué)方法手段研究

3.1 線上教學(xué)方法手段

考慮到本校電子信息類專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)區(qū)域性應(yīng)用型人才，并根據(jù)本校學(xué)生生源的實(shí)際情況，我們并沒有采取網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)有的信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)視頻，而是針對(duì)本校的具體情況進(jìn)行了信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)視頻的錄制。 該視頻放于智慧樹平臺(tái)，并配有章節(jié)練習(xí)題，學(xué)生可以在討論區(qū)提問和回復(fù)，同時(shí)教師也可以利用智慧樹網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行答疑。依托于智慧樹平臺(tái)，任課教師可以對(duì)學(xué)生的視頻學(xué)習(xí)情況、章節(jié)測(cè)試題完成情況、討論區(qū)的表現(xiàn)情況等進(jìn)行精準(zhǔn)的管控和數(shù)據(jù)分析。通過這些數(shù)據(jù)分析可以準(zhǔn)確定位學(xué)生的問題，一邊更加有針對(duì)性準(zhǔn)備線下翻轉(zhuǎn)課堂的授課內(nèi)容從而提高教學(xué)效率。通過對(duì)“濾波器”知識(shí)點(diǎn)的線上學(xué)習(xí)情況的學(xué)情分析，發(fā)現(xiàn)同學(xué)們對(duì)濾波器對(duì)信號(hào)的處理作用和帶通濾波器的時(shí)域特性的推導(dǎo)過程不是很理解。

基于上述情況，首先進(jìn)行線下翻轉(zhuǎn)課堂中講授內(nèi)容的組織和安排，首先是對(duì)知識(shí)點(diǎn)的梳理和歸納并進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)整體構(gòu)架，在此基礎(chǔ)上著重講解濾波器中的系統(tǒng)分析問題和帶通濾波器的內(nèi)容。隨堂測(cè)驗(yàn)題重點(diǎn)針對(duì)濾波器信號(hào)處理和帶通濾波器的特性等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，并兼顧知識(shí)點(diǎn)核心內(nèi)容。分組展示題目設(shè)置為濾波器信號(hào)處理相關(guān)的內(nèi)容，讓同學(xué)用MATLAB仿真軟件或者實(shí)物制作實(shí)現(xiàn)一種低通或帶通濾波器，并觀察信號(hào)的變化情況。

3.2 線下翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法手段

線下課堂采用以“學(xué)生為中心”的翻轉(zhuǎn)課堂，因此盡量將時(shí)間分配到學(xué)生為主體的活動(dòng)中，壓縮教師的知識(shí)點(diǎn)相關(guān)講解的時(shí)間。具體安排用10分鐘的時(shí)間梳理歸納“濾波器”知識(shí)點(diǎn)，并講解線上學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)。緊接著利用10分鐘進(jìn)行隨堂測(cè)試，利用雨課堂工具當(dāng)堂推送測(cè)驗(yàn)題目，檢驗(yàn)學(xué)生的實(shí)際掌握情況，同時(shí)開啟彈幕討論功能，這是學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與教師之間無聲的實(shí)時(shí)互動(dòng)，并可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和活躍課堂氛圍。接下來的60分鐘用于分組展示。每個(gè)小組派出一位代表到臺(tái)上講解本組濾波器實(shí)現(xiàn)的仿真圖及代碼或電路實(shí)物的基本原理、調(diào)試及相應(yīng)的結(jié)果分析，其他小組成員可以對(duì)臺(tái)上同學(xué)的講解進(jìn)行補(bǔ)充說明。分組展示期間，開啟彈幕討論，其他小組的同學(xué)可以對(duì)臺(tái)上的同學(xué)進(jìn)行提問和點(diǎn)評(píng)。分組展示完畢后，老師進(jìn)行整體點(diǎn)評(píng)和總結(jié)，并利用雨課堂推送本次課程的課后作業(yè)。

4 結(jié)束語

信號(hào)與系統(tǒng)課程是電子信息類專業(yè)的核心專業(yè)課，在整個(gè)課程體系中有著舉足輕重的地位。本文對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程的混合式教學(xué)展開深入討論，并以“濾波器“知識(shí)點(diǎn)為例研究了線上、線下課堂的教學(xué)方法，借助智慧樹平臺(tái)、雨課堂等信息化教學(xué)手段，能更加精準(zhǔn)的進(jìn)行學(xué)情分析;開展以”學(xué)生為中心“的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，增強(qiáng)了師生間的互動(dòng)，優(yōu)化了課程內(nèi)容，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

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【通聯(lián)編輯：代影】

收稿日期：2021-03-20

基金項(xiàng)目：湖南工學(xué)院校級(jí)教研教改項(xiàng)目：新建地方本科院校電子信息類專業(yè)課程體系改革與實(shí)踐（項(xiàng)目編號(hào)：A1473）;湖南省線上線下混合式一流課程（編號(hào)：湘教通〔2020〕9號(hào)）;湖南省線上一流課程（編號(hào)：湘教通〔2021〕28號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：李欣（1981—），女，博士研究生，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：嗅覺感知與機(jī)器學(xué)習(xí)。