“信號與系統”混合式教學探索與實踐

楊 艷 陳 燕 李瑜慶

(蚌埠學院 電子與電氣工程學院, 蚌埠 233030)

自2015年10月教育部發文《引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》(教發〔2015〕7 號)以來[1],蚌埠學院作為安徽省十三所應用型高校聯盟成員,本著“地方性、應用型、 開放式、工科強”的辦學定位,多年來堅定不移地走服務地方經濟社會發展之路,緊密對接地方優勢特色產業發展需求,不斷優化學科專業結構,持續提升人才培養質量,在教育教學改革中進行了大膽的探索和實踐。在此種時代需求的背景下,“信號與系統”作為蚌埠學院電子信息、電氣工程、光電信息科學、物聯網工程等本科專業的主干課程,自2019年以來,蚌埠學院“通信與信號處理”教學團隊對該課程進行了線上線下混合式教學模式的探索和實踐,積累了一定的建設成果和教學經驗[2]。該課程基于OBE教學理念,優化了教學體系和教學內容,制定了科學合理的成績考核方式,提升了學生的實踐能力,激發了學生的創新精神。為提高本校的教學質量、構建應用型人才培養體系起到積極的推動作用。

1 基于MOOC的線上線下混合教學

1.1 線上線下混合式教學模式發展歷程

通過整合課程資源,“通信與信號處理”教學團隊基于學銀在線MOOC平臺,完成了課程的線上教學資源建設。對課程中的章節內容進行了MOOC視頻錄制,開課期次與學校的教學周期同步進行。截止目前,已完成了第六個教學周期,線上的教學資源除教學視頻外,包括自制的課件、教學日歷、教學大綱、章節測驗、作業庫和考試庫等資源,隨著每學期的不斷更新也越來越豐富。在教學大綱要求的學時范圍內,線上學時比例的分配與每學期的教學實際情況匹配,占比30～40%。學生除了利用MOOC平臺進行日常的章節學習外,還需要完成同步進行的線上作業和考試等環節。課程開設最初,由于學生習慣于線下教學模式,對線上環節的完成度并不高。很多學生仍然認為課堂內的學習才是主要的學習模式。2020年春季學期,因為疫情影響,全部采用了線上教學模式。經歷了疫情之后的每學期,線上教學模式已經被學生們普遍接受。2020年秋季學期,“信號與系統”課程嚴格按照線上線下混合教學模式進行。目前,該課程的MOOC平臺已向公眾開放,已經成為校內和省內外一門重要的在線教育課程。其中,線上平臺還吸引了云南大學、華僑大學、南陽理工學院、包頭師范學院和中國民用航空飛行學院等省內外學生的學習[2]。

1.2 優化教學體系和教學內容

將學生的知識、能力和素養作為教學的出發點,優化混合式課程的教學體系。首先,結合MOOC課程的特點將“信號與系統”的教學體系進行優化。針對面向電子信息大類學科規劃了學科基礎課程群,強化了本校“應用型、工科強”的辦學定位。優化后的課程體系由“電路與電子技術、自動化、信息處理”三大課程群構成,如圖1所示。針對不同專業的學生將授課內容進行優化。

圖1 電子信息類學科基礎課程體系

比如,對電子信息專業的學生,電路與系統的復頻域分析和系統傳輸函數等內容在“電路”和“信號與系統”課程中存在交叉,因此,可以將這些內容放在“電路”課程中講授,壓縮拉普拉斯變換等相關內容。而針對信息處理方向專業的學生,在“數字信號處理”課程中離散信號和系統的傅里葉分析是重點,可將“信號與系統”中的離散信號傅里葉變換內容調整到“數字信號處理”課程中去,在后者中重點講述連續信號的傅里葉級數、傅里葉變換和離散信號的Z變換和系統的Z域分析。如果授課專業是電氣或自動化專業,可將系統穩定性判定、信號流圖、梅森公式等與“自動控制原理”重復的教學內容刪去。狀態變量分析內容中,涉及到系統的控制矩陣等內容可放在“自動控制原理”中進行講授。優化后的教學體系和教學內容,使課程群的授課教師分工明確,避免了教師重復教學,提高了工作效率,消除了學生聽課的乏味感,從而進一步提升了“信號與系統”課程的教學質量[3]。

1.3 基于OBE的教學理念

為體現“工科強”的辦學定位,在混合式教學中,引入以成果為導向的OBE教育理念,首先根據培養方案,在優化的教學內容中加強學生的工程思維能力培養[4]。從工程思維角度出發,將課程內容結合實際工程案例進行教學[5]。從課程的基本概念、定義,到三大變換的數學工具運用,都在工程思維中進行。比如,在講解非周期信號的頻率密度時,可采用語音信號頻譜分析的案例進行分析。由于傅里葉變換運算稍顯復雜且難于計算,因此,在信號的頻域分析中,可恰當地引入Matlab、Multimsim仿真軟件進行工程信號的運算和仿真分析[6]。頻譜分析的結果直觀明了,學生的學習興趣明顯得到了提升,更激發了學生的探究欲望[7]。同時要求學生課后線上提交各種工程信號的頻譜分析報告,完成教學反饋和回溯。再比如,講解反卷積時,通過講解雷達探測系統實例代替空洞晦澀的理論,讓學生進一步理解反卷積的概念以及在地震信號處理、地質勘探等工程領域的重要應用,如表1所示課程內容與相關工程案例對照表。

表1 課程內容與工程案例對照表

理論教學中Matlab、Multimsim作為輔助教學軟件,在實驗教學中,也有與課程配套的Matlab系統仿真實驗系統[8]。另外,學院的創新實驗室在為培養學生的工程實踐能力提供了良好的硬件環境。如信號A/D轉換的實驗、信號波形合成實驗波形等實驗項目都有助于學生理解不同信號的區別以及周期信號的傅里葉級數展開等與本課程相關的知識點,為培養應用型人才打下了堅實的理論和實驗基礎。

1.4 科學合理的課程考核

作為高等教育教學中的關鍵環節,課程考核評價體系要科學合理,混合式教學的考核融合了學生在線上線下各環節學習任務的參與度與完成度[9]。課程成績中,過程性考核占40%,終結性考核占60%。其中,過程性考核包括線上和線下,線上成績占50%,由章節測試、作業、考試、討論等任務組成,成績占比會根據每學期的實際情況進行適當調整,如表2所示。線下成績由出勤、課后作業、分組討論、實驗等組成,如表3所示為課程形成性考核成績構成表。其中,實驗成績由學生實驗課堂表現和實驗報告組成。學生可實時通過MOOC平臺獲得各項活動的評價,評價結果可追溯。科學有效的課程考核評價體系,能夠激勵學生自主學習,提高學生的創新性,促進應用型人才的培養。

表2 線上線成績構成表

表3 課程形成性考核(評價)的課程成績構成表

1.5 混合式教學設計

混合式教學設計架構如圖2所示,分為五個階段。現以“信號的頻譜分析與應用”教學內容為例進行說明。

圖2 “信號與系統”混合式教學架構

(1)課前線上預習:在課堂教學之前,將課堂內容提前發布,布置相關啟發式的提問,比如“信號在頻域內進行分析,可以從哪些角度去分析?”通過諸如此類問題的預習,培養學生自主思考和提高分析問題的能力。

(2)線下課堂對線上任務的回顧與評判:該環節主要由教師來完成,線上學習效果如何,需要進行回顧和評判。

(3)知識的即時考核:線下課堂利用線上教學平臺,在課堂上即時做出各種考核,包括進行線上的分組討論和現場提問,提出“周期信號的雙邊譜和單邊有什么區別和聯系?”等問題,培養學生的歸納總結能力和團隊合作精神。

(4)知識的應用與拓展:線下課堂可對知識點進行升級,提出諸如“什么是連續時間信號的頻譜和頻譜密度?”“二者有什么區別和聯系?”“周期信號有頻譜密度嗎?”“一個實信號,它的頻譜是對稱的,那么如何理解負頻率呢?”等問題,學生或通過線下課堂的小組討論或通過查閱文獻,進行課堂即時回答或線上提交,進一步培養學生創新思維、深入思考的能力。

(5)課后任務和反饋:除線上布置作業外,線下也要布置作業,相互補充,實時地抓住學生薄弱環節,強化知識與能力訓練。每個學生都可以在課后通過學習通提交關于不同工程信號的頻譜分析作業。

1.6 立德樹人的課程思政教育

通過適時在課程引入中國制造2025重點發展領域之新一代信息技術戰略發展規劃關于信息技術在國家核心競爭力的地位描述,潛移默化將社會主義核心價值觀、工匠精神、“四史學習”等思政元素融入線上和線下的課堂教學,為學生樹立強烈的責任感和使命感,激發學生們的愛國熱情,引導學生投身于中國新時代信息建設中[10-11]。

2 結語

依托學銀在線MOOC平臺,“信號與系統”課程的線上線下混合式教學模式,從蚌埠學院的實際出發,通過優化教學體系和內容,科學的考核方式,進行了探索和實踐。實踐結果表明,學生的學習興趣與自主學習能力得到了大幅度的提升,理論知識和實踐能力得到了長足的進步。學生的課程評教每年均位居學校前列,學生的課程任務完成度好,參與度高,課程的目標達成度也得到了提升。所培養的學生多次在省級各項學科競賽中取得了優異的成績,畢業生中也涌現出了多名信息領域的企業骨干。為建成一流本科課程以及對其他電子類專業課程的建設提供了重要的依據和重要參考。