生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理網(wǎng)絡(luò)在線課程設(shè)計(jì)與教學(xué)研究

吳水才，周著黃，高宏建，林 嵐，楊春蘭

（北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京100124）

0 引言

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理課程是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的必修課程，該課程既有理論教學(xué)又有實(shí)踐教學(xué)，如何提高課程教學(xué)效果一直是教學(xué)研究的熱點(diǎn)。學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，能掌握生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的產(chǎn)生與特點(diǎn)、醫(yī)學(xué)信號(hào)采集系統(tǒng)的構(gòu)成和醫(yī)學(xué)信號(hào)的各種處理方法。隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)在線課程教學(xué)日漸普及，其發(fā)展打破傳統(tǒng)教育在時(shí)間和空間上的限制，使學(xué)生有更多的時(shí)間和機(jī)會(huì)獲取所需知識(shí)[1-3]。

目前，在線課程有2 種主流模式[4-7]：教師引領(lǐng)型在線課程（視頻公開課）和個(gè)人自主學(xué)習(xí)型在線課程（慕課）。教師引領(lǐng)型在線課程將傳統(tǒng)面授課堂的各教學(xué)環(huán)節(jié)數(shù)字化，放到在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，其典型應(yīng)用是中國大學(xué)精品資源共享課。個(gè)人自主學(xué)習(xí)型在線課程是選取課程內(nèi)容重新進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，使課程內(nèi)容模塊化，并輔以自動(dòng)評(píng)測(cè)的在線測(cè)驗(yàn)與考試和在線虛擬實(shí)驗(yàn)，支持學(xué)生利用零碎的學(xué)習(xí)時(shí)間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。這類在線課程打破了傳統(tǒng)面授課堂上由一名教師主導(dǎo)的教學(xué)模式，支持教師與學(xué)生共建在線學(xué)習(xí)社區(qū)，并提供自動(dòng)反饋式的學(xué)習(xí)記錄，以保證課程的完成率。

中國大學(xué)MOOC 基于愛課程網(wǎng)，于2014 年開通（網(wǎng)址：http://www.icourses.cn），目前已與國內(nèi)40 余所高校開展合作，成為當(dāng)前中文慕課第一大平臺(tái)，全國高校均可通過該平臺(tái)進(jìn)行在線課程建設(shè)和應(yīng)用。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，在線學(xué)習(xí)正改變著人們的學(xué)習(xí)方式，越來越多的學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)開放的教育資源來提升自己，滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)的需求。為此，本課題組設(shè)計(jì)了生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理在線課程，基于中國大學(xué)MOOC 網(wǎng)在我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生中實(shí)施該課程的自主學(xué)習(xí)和課堂教學(xué)學(xué)習(xí)，有效提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和課程教學(xué)效果。

表1 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理在線課程視頻內(nèi)容

1 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理在線課程設(shè)計(jì)

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理課程是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其主要目的是使學(xué)生掌握生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的基本特點(diǎn)和基本分析方法，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下牢固的基礎(chǔ)。該課程的特點(diǎn)：（1）理論性強(qiáng)：課程中涉及各種濾波器的設(shè)計(jì)原理、功率譜分析、小波分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用；（2）實(shí)踐性強(qiáng)：采用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字濾波器、心電信號(hào)處理及計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理在線課程的設(shè)計(jì)是基于中國大學(xué)MOOC 網(wǎng)和北京工業(yè)大學(xué)出版社出版的教材《醫(yī)學(xué)信號(hào)處理及應(yīng)用》，按課程章節(jié)來組織教學(xué)內(nèi)容，各章節(jié)內(nèi)容之間既相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系，以保證課程知識(shí)體系的系統(tǒng)性和完整性。為便于學(xué)生利用零碎的學(xué)習(xí)時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)，在線課程的每段課程內(nèi)容視頻長(zhǎng)度控制在15 min 左右，并配有相應(yīng)字幕。每章節(jié)都有課程測(cè)驗(yàn)題，供學(xué)生在教學(xué)視頻學(xué)習(xí)后進(jìn)行測(cè)試。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理在線課程的教學(xué)視頻是委托智慧樹網(wǎng)站在線課程制作團(tuán)隊(duì)進(jìn)行錄制，再進(jìn)一步剪輯加工成片，總共錄制教學(xué)視頻55 個(gè)，具體內(nèi)容見表1。

2 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理在線課程教學(xué)

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理在線課程平臺(tái)建成后，2019年上學(xué)期在中國大學(xué)MOOC 網(wǎng)上線開課，在我校2016 級(jí)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)班試用，實(shí)現(xiàn)了以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的在線開放式和課堂教學(xué)式的混合教學(xué)。該課程在線網(wǎng)頁如圖1 所示。

混合式教學(xué)授課過程分為線上學(xué)習(xí)和課堂學(xué)習(xí)兩大部分。具體教學(xué)過程如下：教師在每一章節(jié)的導(dǎo)學(xué)部分布置課前任務(wù)，學(xué)生通過上網(wǎng)學(xué)習(xí)課程視頻完成知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn)學(xué)習(xí)（如圖2 所示）。教師在課堂上先請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行課程內(nèi)容的講解（翻轉(zhuǎn)課堂），再有針對(duì)性地進(jìn)行授課，幫助學(xué)生解決重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。課后學(xué)生再完成線上平臺(tái)的在線測(cè)試（如圖3 所示）。學(xué)生可在討論區(qū)提出問題、發(fā)表學(xué)習(xí)體會(huì)，教師根據(jù)這些問題進(jìn)行解答（如圖4 所示）。在線課程實(shí)施中在線交互必不可少，這也是網(wǎng)絡(luò)在線課程與傳統(tǒng)在線課程的差別之一，傳統(tǒng)在線課程拘泥于單純知識(shí)傳遞，而網(wǎng)絡(luò)在線課程則重視在線交互。

為使學(xué)生本人及教師及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，課程平臺(tái)提供了學(xué)生成績(jī)管理模塊，學(xué)生在平臺(tái)中完成課程單元測(cè)試和期末考試，該模塊自動(dòng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行測(cè)評(píng)并提供成績(jī)證書（如圖5 所示）。

圖1 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理在線課程網(wǎng)頁

圖2 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理在線課程視頻學(xué)習(xí)界面

圖3 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理在線課程在線測(cè)試界面

3 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理在線課程教學(xué)效果

生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理網(wǎng)絡(luò)在線課程的建設(shè)在國內(nèi)是首例，并于2019 年上學(xué)期首次在中國大學(xué)MOOC網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了上線開課。我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理課程采取了課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)的互補(bǔ)模式，課堂教學(xué)之前要求學(xué)生在線進(jìn)行預(yù)習(xí)，從而提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力；課堂教學(xué)之后要求學(xué)生在線進(jìn)行復(fù)習(xí)，完成課程單元作業(yè)，從而提高課程的教學(xué)效果。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明：開展網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)與課堂教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式可有效培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。圖6～8為我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生對(duì)該課程教學(xué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)?？芍?017 年學(xué)生評(píng)價(jià)分是84.524，滿意度為84.565 22%；2018 年學(xué)生評(píng)價(jià)分是81.667，滿意度為81.153 85%；2019 年學(xué)生評(píng)價(jià)分是93.667，滿意度為92.647 06%。通過上述比較可看出，2019 年學(xué)生評(píng)教成績(jī)有了明顯的提高。

圖4 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理在線課程在線討論界面

圖5 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理在線課程學(xué)生成績(jī)管理模塊界面

但是，生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理網(wǎng)絡(luò)在線課程的教學(xué)還存在以下2 個(gè)主要問題：（1）學(xué)生的高流失率。該在線課程有497 名學(xué)生選修（如圖1 中所示），但最終只有18 名學(xué)生通過測(cè)試拿到證書（如圖5 中所示）。目前，網(wǎng)絡(luò)在線課程在我國高校只是學(xué)生通過優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行專業(yè)課程學(xué)習(xí)的輔助工具，由于不能得到大學(xué)承認(rèn)的學(xué)分，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)耐心和興趣，保證課程的完成率和通過率是目前網(wǎng)絡(luò)在線課程教學(xué)無法回避的重要問題。（2）網(wǎng)絡(luò)在線課程評(píng)價(jià)和認(rèn)證體系有待完善，要想獲得高校和社會(huì)的認(rèn)可就必須建立一套行之有效的評(píng)價(jià)和認(rèn)證體系，我國現(xiàn)有高等教育尚未涉及網(wǎng)絡(luò)在線課程方面的認(rèn)證，按何種標(biāo)準(zhǔn)、由何種機(jī)構(gòu)對(duì)課程進(jìn)行評(píng)價(jià)和認(rèn)證是網(wǎng)絡(luò)在線課程所面臨的直接問題。

圖6 2017 年學(xué)生對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理課程教學(xué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)

圖7 2018 年學(xué)生對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理課程教學(xué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)

圖8 2019 年學(xué)生對(duì)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理課程教學(xué)質(zhì)量的評(píng)價(jià)

4 結(jié)語

本文主要介紹了生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理網(wǎng)絡(luò)在線課程的建設(shè)及教學(xué)應(yīng)用，在課程教學(xué)中采取線上學(xué)習(xí)和傳統(tǒng)課堂教學(xué)的混合教學(xué)模式，做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、取長(zhǎng)補(bǔ)短。學(xué)生在線學(xué)習(xí)時(shí)遇到的共性和個(gè)性問題可以通過傳統(tǒng)教學(xué)階段的學(xué)習(xí)解決，從而提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和課堂教學(xué)效果。

網(wǎng)絡(luò)在線課程的特點(diǎn)是在線、免費(fèi)式教學(xué)，由于多數(shù)學(xué)生自律性較差，在學(xué)習(xí)中一旦遇到問題會(huì)中斷學(xué)習(xí)，造成網(wǎng)絡(luò)在線課程的流失率增加。目前我國大部分學(xué)生進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)在線課程學(xué)習(xí)只是出于興趣和愛好，這種學(xué)習(xí)激情難以持續(xù)，當(dāng)務(wù)之急就是建立一套完整的網(wǎng)絡(luò)在線課程教學(xué)管理制度，使該模式教學(xué)最終得到高校和社會(huì)的認(rèn)可，這也是網(wǎng)絡(luò)在線課程得到可持續(xù)發(fā)展的前提和保障[8-11]。

總之，網(wǎng)絡(luò)在線課程對(duì)我國高等教育改革既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)，其通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與教育相融合的教學(xué)模式正逐漸融入我國的高等教育體系之中。但網(wǎng)絡(luò)在線課程在教學(xué)活動(dòng)中仍存在諸多問題和不足[12]，還須努力探索破解網(wǎng)絡(luò)在線課程在我國高等教育發(fā)展中的困境，使其在我國高等教育領(lǐng)域中得到健康發(fā)展。