基于Jupter平臺的交互式信號與系統(tǒng)課程建設(shè)

岳增龍 王雪

（北京電子科技職業(yè)學院）

隨著數(shù)據(jù)分析和開放科學的發(fā)展，Jupyter平臺的出現(xiàn)充分體現(xiàn)了一種交互式編程的范式，主要通過基于網(wǎng)頁的用于交互計算的應(yīng)用程序，貫穿開發(fā)全過程：開發(fā)、文檔編寫、運行代碼和展示結(jié)果。其實質(zhì)可以理解為一個在線可交互式筆記本，允許用戶創(chuàng)建和共享包含代碼、方程式、可視化、融合音頻、文本等富媒體信息。結(jié)合線上、線下教學模式的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，充分發(fā)揮該平臺易于交互展示的優(yōu)點，利用該平臺通過合理的教學設(shè)計，充分結(jié)合學情，可以提供完整“教、練、答、評、賽”五步閉環(huán)的交互式教學過程，確保線上線下教學同質(zhì)等效。

一、Jupyter notebook簡介

Jupyternotebook可以包含來自各種語言的實時代碼，以及可視化、解釋性文本HTML 或Markdown、格式化的文本、圖像、以及用 LaTeX編寫的公式，主要特點包括：

（1）編程時具有語法高亮、縮進、tab補全的功能。

（2）可直接通過瀏覽器運行代碼，同時在代碼塊下方展示運行結(jié)果。

（3）以富媒體格式展示計算結(jié)果。富媒體格式包括：HTML，LaTeX，PNG，SVG 等。

（4）對代碼編寫說明文檔或語句時，支持Markdown語法。

（5）支持使用LaTeX編寫數(shù)學性說明。

其架構(gòu)示意圖1所示，JupyterNotebook用戶用瀏覽器以網(wǎng)頁的形式打開相應(yīng)資源，并在本地修改和編輯文件、運行代碼，代碼的運行結(jié)果也能夠直接輸出顯示。

圖1 JupterNotebook架構(gòu)示意圖

二、Jupyter教學優(yōu)勢分析

用Jupyter Notebook進行教學的主要優(yōu)勢如下：

（1）各功能集于一體，適合仿真、實驗數(shù)據(jù)分析，富媒體形式直展示。

（2）可以實現(xiàn)交互式展現(xiàn)。頁面結(jié)構(gòu)是以Cell（單元）形式組織的，其中每個獨立單元，都可實現(xiàn)各種元素單獨或者混排格式。在集成第三方插件的支持下，能夠呈現(xiàn)一些互動可視化內(nèi)容，如信號處理變化的動態(tài)過程等。

三、交互式教學方法

教學交互層次塔理論如圖2所示將遠程學習交互模型按照“操作交互—信息交互—概念交互”從下到上表示教學交互由低級到高級、由具體到抽象的一個過程，交互式教學方法框架。

圖2 教學交互層次塔

（一）操作交互

操作交互是學習者與媒體界面的交互，體現(xiàn)的是學習者使用學習媒體的熟練程度。在課程中，充分利用JupyterNotebook來實現(xiàn)網(wǎng)頁操作為主的交互式學習。

（二）信息交互

信息交互是學生與教學要素的交互，體現(xiàn)的是教學設(shè)計和教學實施水平，其包括學生與學習資源之間的交互、師生之間交互，以及學生與學生之間關(guān)于信息的交互。

（三）概念交互

概念交互是學習者的概念與新概念的交互。概念交互是所有其它教學交互的根本目的，信息交互是實現(xiàn)概念交互的策略與過程。

總體來說，通過結(jié)合Jupyter Notebook完成整個交互式教學過程如圖3所示。

圖3 Jupyter平臺交互教學過程

首先由授課老師創(chuàng)建教學過程中所有交互過程、編寫說明文檔、數(shù)學公式圖片以及其他形式的輸入和輸出，也可以是html或PDF的格式的教學材料、課程項目案例文檔、部分代碼等課程資源，當用到項目代碼時，學生在線完成代碼編輯和編譯后，即可形成相應(yīng)知識點的學習筆記，供后面復(fù)習與檢索知識點的時候使用。

第二步從本地計算機推送并存儲到服務(wù)端或者云端。充分利用Jupter云端分布式版本控制系統(tǒng)，讓學生可以實時在云端獲取所需的學習資料，而其完成的作業(yè)代碼也可以提交到系統(tǒng)中，在需要的時候教師和其他學生均可查看。具體操作為創(chuàng)建一個主分支與若干個學生分支。主分支的內(nèi)容包括教師使用的材料如課件與筆記、課堂練習所需的文檔、代碼、發(fā)布給學生的練習題。教師可根據(jù)需要控制主分支的版本，比如在所有學生均提交作業(yè)后才發(fā)布對應(yīng)的答案。其次，學生可以從服務(wù)端或云端隨時克隆和拉取最新版本的學習資料，在課外自主學習。學生完成的代碼可以推送到其在服務(wù)端或云端對應(yīng)的分支，而通過分布式版本控制系統(tǒng)，這些學生分支不會與主分支產(chǎn)生沖突。

最后，教師在課堂講授過程中共享自己的屏幕，在講解理論知識的同時，實時編寫并運行代碼，加深與鞏固學生的理解，提高學習效率。同時學生應(yīng)同步進行代碼編寫，理解和實踐遇到問題的時候，教師可隨時切換到學生屏幕檢查其完成情況，達到知行合一的效果。

四、信號與系統(tǒng)課程教學實踐及建議

對比網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)實課堂的差異，結(jié)合實際具體情況，四種最常用場景如圖4，基于JupterNotebook平臺實現(xiàn)學生與服務(wù)端或者云端數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)交互、信息交互、自愿交互、價值交互和身份交互。

圖4 網(wǎng)絡(luò)課堂vs現(xiàn)實課堂

第一是在線教室，老師和學生可以在家里或者任何Web網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下上課。第二是電子教室，可以在電子教室里面使用數(shù)字黑板，所有的文檔、信息和在線教室是通用的。第三是課后的各種項目和活動，包括作業(yè)、評測、打卡。第四是自主學習，包括閱讀、寫作、筆記。

利用jupter平臺搭建及其他工具使用，輔助完成課堂場景、討論場景、練習場景、考核場景、自學場景、自我管理6種主要交互式教學場景教學任務(wù)。

對于線上教學過程，采用超星學習通為主要線上日常教學管理系統(tǒng)，結(jié)合Jupyter Notebook的交互功能實現(xiàn)對該課程的教學交互設(shè)計，通過直播軟件實現(xiàn)教師與學生之間的屏幕共享和課堂互動。對于信號與系統(tǒng)課程的建設(shè)，總體能夠覆蓋課前引入，理論探討，實操演練，總結(jié)評價的4個主要方面，具體與學生互動過程包括在線領(lǐng)取任務(wù)書，課程資源線上發(fā)布，理論學習過程，線上考核，互動討論，實驗操作及評價，基本職業(yè)素養(yǎng)、能力過程評價，以及課后拓展任務(wù)完成。

以下以課程中信號與系統(tǒng)中LTI系統(tǒng)的沖激響應(yīng)和階躍響應(yīng)這一知識點的教學過程為例，闡述該教學方法的實施情況。以LTI系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為例，

學生自主完成主要代碼輸入和編輯，運行后通過繪圖工具可以實時驗證結(jié)果。

首先，將關(guān)于LTI系統(tǒng)的階躍響應(yīng)所涉及到的理論知識對應(yīng)的學習材料，以及將使用超星學習通將基本課程內(nèi)容上傳到平臺端，學生可以在課前預(yù)習并熟悉這部分內(nèi)容。然后在課程中，教師實時使用Jupyter Notebook在不同的Cell中輸入格式化的文本、圖像、公式和視頻、Python代碼（如圖5），學生在各自計算機上同步操作，完成Cell配置和修改后即可運行相應(yīng)代碼，顯示結(jié)果如圖6所示。這能讓學生快速獲得一種將所學知識運用到實際中的成就感，激發(fā)學習興趣，并通過軟件調(diào)試等過程，培養(yǎng)學生培養(yǎng)批判性思維和獨立解決問題的能力。

圖5 LTI系統(tǒng)階躍響應(yīng)參考代碼

圖6 階躍響應(yīng)

針對教學過程中的重點和難點，結(jié)合學生情況充分了解學生情況，在課中充分發(fā)揮平臺“交互式”的特點，以學生為中心，引導學生邊學習理論知識，邊動手實踐，學會觀察實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)和解決問題能力提升為主要目標，實施過程中針對對學生練習過程存在的問題，通過不斷修改和優(yōu)化Cell中的內(nèi)容引導學生完成操作實驗，并在此基礎(chǔ)上進行一定的知識拓展。課程最后學生可以通過提交代碼、運行結(jié)果進行在線考核，有效的提高課堂上全程和步步評測的效率。

五、總結(jié)

利用Jupter平臺通過新型交互式教學模式可以有效幫助信號與系統(tǒng)課程教學活動，實現(xiàn)了在線學習的更高效率和更好效果，極大的滿足學生個性化學習、泛在學習的學習要求；同時提升了學生自主學習能力，計算機應(yīng)用及軟件編程能力；培養(yǎng)學生在實際工程背景項目中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題以及解決問題的能力，有效促進學生的全面發(fā)展，也是對跨學科利用該平臺實現(xiàn)交互式教學的十分有意義的嘗試。