“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課程混合式教學(xué)模式探索與實(shí)踐

朱福珍，巫 紅，汪國強(qiáng)

（黑龍江大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080）

實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)是保證和提高新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一。然而，傳統(tǒng)的“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課以硬件實(shí)驗(yàn)箱為操作平臺，這種線下實(shí)體教學(xué)具有直觀、實(shí)戰(zhàn)性強(qiáng)、鍛煉實(shí)踐能力等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定問題，如硬件實(shí)驗(yàn)器材（如示波器探頭、實(shí)驗(yàn)箱開關(guān)電源、實(shí)驗(yàn)?zāi)K管腳、連接導(dǎo)線、頻譜分析儀等）老化損壞、維修成本高、維修不及時、可擴(kuò)展性不強(qiáng)等問題[1]。然而，線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)也有一定弊端，如學(xué)生無法深刻體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器、操作實(shí)踐無法落地等。因此，文章對“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課程開展線上+線下相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索和實(shí)踐，分別針對線上、線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體問題，提供有效的教學(xué)改革措施，切實(shí)提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)效果，提升“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課程的教學(xué)效果。

一、“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”混合式教學(xué)改革的必要性

黑龍江大學(xué)“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課程一直與“信號與系統(tǒng)”理論課相輔相成，2009年以前，該課程是理論課的一個重要部分，2009年以后，獨(dú)立設(shè)為必修課，足以看出“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課程的重要性。作者根據(jù)多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出完全采用線下教學(xué)或線上教學(xué)存在的一些問題，具體如下。

（一）完全采用線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

1.課前預(yù)習(xí)效果不好

多數(shù)學(xué)生在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)花費(fèi)的時間較少，無法達(dá)到了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮怼⒄莆栈緦?shí)驗(yàn)步驟、完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)問題的要求。

2.擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)困難

一些實(shí)驗(yàn)啟發(fā)性和實(shí)踐性很強(qiáng)，如諧波幅度和相位對波形合成的影響、抽樣定理實(shí)驗(yàn)、濾波器的設(shè)計等。對于學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生開設(shè)一些擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)啟發(fā)其創(chuàng)新性能力是非常必要的，但限于實(shí)驗(yàn)室條件、實(shí)驗(yàn)學(xué)時、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)不足等因素，線下開設(shè)擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)很困難，這就限制了學(xué)生探索性和創(chuàng)新性能力的發(fā)展。

3.實(shí)驗(yàn)時間、地域不夠靈活

“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”線下實(shí)驗(yàn)課要求學(xué)生在固定的時間段到實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，時間和地點(diǎn)不夠靈活[2]，不能像線上實(shí)驗(yàn)?zāi)菢幼灾髡莆諏?shí)驗(yàn)時間和地點(diǎn)。

4.教師統(tǒng)計成績困難

教師在完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)后需要記錄出勤情況、實(shí)驗(yàn)操作表現(xiàn)、批改實(shí)驗(yàn)報告、整理期末成績等，需要付出很多時間和精力。

（二）完全采用線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

2020年新冠疫情期間，為積極響應(yīng)教育部“停課不停教，停課不停學(xué)”重要指示[3]，“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行線上教學(xué)實(shí)踐。教學(xué)實(shí)踐表明，完全線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)盡管打破了時間和空間的限制，但也存在一定弊端。例如，師生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程監(jiān)管和指導(dǎo)很難做到實(shí)時、客觀，實(shí)驗(yàn)效果很大程度上取決于學(xué)生的自主性和自覺性，教師很難及時糾正學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題。同時，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)儀器沒有體驗(yàn)感，僅能通過在線仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行簡單的連線操作和觀察，操作相對簡單，沒有具體調(diào)試、糾錯、測量等實(shí)踐過程，實(shí)踐能力和體驗(yàn)感不理想。

黑龍江大學(xué)電子工程學(xué)院融合多樣化信息教學(xué)手段，與南京潤眾科技有限公司合作，利用該公司提供的、與線下實(shí)驗(yàn)箱完全配套的“信號與系統(tǒng)在線實(shí)驗(yàn)平臺”，借助“超星學(xué)習(xí)通”學(xué)習(xí)平臺，構(gòu)建“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”混合式教學(xué)模式。在線上實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生只要具備網(wǎng)絡(luò)和終端設(shè)備，就可以隨時開展線上模擬實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)了線下實(shí)驗(yàn)只能在固定時間、固定地點(diǎn)的不足[4]；在線下實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生不再完全依賴教師的課堂講解，而是在線上實(shí)驗(yàn)階段就了解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)等，提高了線下實(shí)驗(yàn)效率和實(shí)驗(yàn)效果，同時，學(xué)有余力的學(xué)生還可以通過線上實(shí)驗(yàn)平臺完成自選擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)，線下實(shí)驗(yàn)時進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

二、“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”線上教學(xué)建設(shè)

線下教學(xué)設(shè)備和線上教學(xué)資源是進(jìn)行“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”混合式教學(xué)的基礎(chǔ)。線上教學(xué)時，以教學(xué)大綱為基礎(chǔ)，從以下3方面進(jìn)行建設(shè)。

（一）即時交流工具的建設(shè)

為了做到師生信息實(shí)時暢通，方便問題解答、教師發(fā)布信息、學(xué)生下載線上實(shí)驗(yàn)講義等，任課教師選定并建立了方便、通用、具備文件存儲功能的即時交流工具——QQ群。教師在群公告發(fā)布重要信息、群文件上傳線上實(shí)驗(yàn)講義、群聊里回答學(xué)生提問。

（二）“超星學(xué)習(xí)通”課程資源建設(shè)

“超星學(xué)習(xí)通”自主學(xué)習(xí)平臺功能完善，可以滿足課程資源建設(shè)要求。教師將提前編寫的“線上實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書”上傳到學(xué)習(xí)通“資料”模塊，同時錄制與線下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一一對應(yīng)的“線上實(shí)驗(yàn)操作視頻”，每個視頻資料都設(shè)置了任務(wù)點(diǎn)，觀看90%以上內(nèi)容之后才能進(jìn)行線上模擬實(shí)驗(yàn)，同時進(jìn)行了防拖拽設(shè)置，目的是希望學(xué)生能完整觀看實(shí)驗(yàn)演示視頻，對實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作流程有一定把握。

線上實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生提前完成，并將線上實(shí)驗(yàn)結(jié)果上傳至“作業(yè)”模塊，線下實(shí)驗(yàn)時，教師會檢查學(xué)生線上實(shí)驗(yàn)截屏記錄，防抄襲防復(fù)制，使學(xué)生自主完成在線實(shí)驗(yàn)。

同時，在“討論”模塊，教師對每個實(shí)驗(yàn)都有針對性地發(fā)布相應(yīng)的問題，啟發(fā)學(xué)生自主思考，使學(xué)生帶著問題完成實(shí)驗(yàn)。6個必修的線上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成之后，在“活動”模塊發(fā)起調(diào)查問卷，了解“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”混合式教學(xué)授課效果，以便課程后續(xù)的持續(xù)改進(jìn)。如圖1所示。

圖1 學(xué)習(xí)通自主學(xué)習(xí)平臺資源建設(shè)

（三）在線實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)

利用南京潤眾科技有限公司提供的、與線下實(shí)驗(yàn)箱完全配套的“信號與系統(tǒng)在線實(shí)驗(yàn)平臺”，供學(xué)生免費(fèi)進(jìn)行線上模擬實(shí)驗(yàn)。線下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與線上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完全對應(yīng)，其中線下實(shí)驗(yàn)共12學(xué)時6個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，線上實(shí)驗(yàn)共21個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生如果學(xué)有余力，在完成必修的6個在線實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后可以自主地做些擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)。

三、混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施

在完成線上實(shí)驗(yàn)建設(shè)后，線下實(shí)驗(yàn)階段可以利用實(shí)驗(yàn)箱、探頭、頻譜分析儀、信號發(fā)生器、計算機(jī)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，根據(jù)教師提供的線下實(shí)驗(yàn)講義開展具體實(shí)驗(yàn)連線、調(diào)試、糾錯、畫圖、撰寫實(shí)驗(yàn)報告等。同時，開展混合式教學(xué)時還制定了以下具體措施。

（一）線上學(xué)習(xí)要求

為了讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理和操作規(guī)范，錄制的教學(xué)視頻設(shè)置了任務(wù)點(diǎn)和防拖拽功能，要求學(xué)生必須完整觀看，同時需要回答預(yù)設(shè)問題[5]。為了方便學(xué)生預(yù)習(xí)理解實(shí)驗(yàn)原理和相關(guān)基礎(chǔ)知識，在新編的實(shí)驗(yàn)講義中補(bǔ)充了預(yù)習(xí)思考題，使學(xué)生帶著問題，有目的、有思考地觀看視頻并給出結(jié)論。

（二）線上監(jiān)管與考核

為了配合線下實(shí)驗(yàn)，線上實(shí)驗(yàn)要在線下實(shí)驗(yàn)之前完成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以“作業(yè)”的形式上傳至“超星學(xué)習(xí)通”，作業(yè)評分采用學(xué)生互評，每生互評5份，“超星學(xué)習(xí)通”自動統(tǒng)計所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的平均分?jǐn)?shù)。任課教師可以從手機(jī)或電腦終端查看、導(dǎo)出每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和得分情況，線上實(shí)驗(yàn)成績按一定比例計入學(xué)生的總實(shí)驗(yàn)成績。為了鞏固和監(jiān)督學(xué)生的線上預(yù)習(xí)情況，線上實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)占總評成績的50%，既保證了實(shí)驗(yàn)過程考核及評價的客觀公正，又激發(fā)了學(xué)生的主動性和積極性。同時，在“超星學(xué)習(xí)通”平臺提交線上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及學(xué)生互評，大大減少了實(shí)驗(yàn)課教師的工作量，學(xué)生互評可以學(xué)習(xí)其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)過程，有利于取長補(bǔ)短，實(shí)踐證明效果很好。

（三）線下教學(xué)設(shè)計

通過“超星學(xué)習(xí)通”線上實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)資源、在線實(shí)驗(yàn)平臺、線上實(shí)驗(yàn)與考核具體要求，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的效率和效果明顯提高。實(shí)驗(yàn)問卷調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)生線下實(shí)驗(yàn)對教師的依賴性減少，線上實(shí)驗(yàn)起到了很好的預(yù)習(xí)和演練作用，開展線下實(shí)驗(yàn)之前，多數(shù)學(xué)生已經(jīng)掌握了實(shí)驗(yàn)相關(guān)基礎(chǔ)知識。因此，在線下實(shí)驗(yàn)講解部分，教師無需過多地對實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟重新講解，只需強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)難點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)等，同時設(shè)計一些思考題和討論內(nèi)容，把課堂交給學(xué)生動手實(shí)踐，充分利用課堂時間完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、討論題和思考題。教師更多的時間用于發(fā)現(xiàn)和指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，并加以強(qiáng)調(diào)和更正，給學(xué)有余力的學(xué)生布置一些擴(kuò)展性、探究性實(shí)驗(yàn)。

四、合理設(shè)定混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程成績評定方法

為了客觀、公平地評價學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課程成績評定方法：線上實(shí)驗(yàn)50%（學(xué)習(xí)通視頻學(xué)習(xí)15%，作業(yè)提交10%，互評結(jié)果20%，討論交流5%），線下實(shí)驗(yàn)50%（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正確性和真實(shí)性10%，實(shí)驗(yàn)操作20%，實(shí)驗(yàn)報告20%）[6]。同時，為了確保成績評價的客觀性，每次線下實(shí)驗(yàn)課開始前，教師檢查學(xué)生預(yù)習(xí)及線上實(shí)驗(yàn)情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)束前15分鐘，教師檢查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正確性和實(shí)驗(yàn)完成程度，并依次給出等級評價，作為線下實(shí)驗(yàn)操作表現(xiàn)的評價。

總之，改革傳統(tǒng)“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課程的教學(xué)方式，構(gòu)建“信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式勢在必行。線上實(shí)驗(yàn)是線下實(shí)驗(yàn)的有力補(bǔ)充，保證了線下實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)效果和實(shí)驗(yàn)操作的順利進(jìn)行，同時線下實(shí)驗(yàn)使學(xué)生的實(shí)踐動手能力得到鍛煉，進(jìn)一步鞏固驗(yàn)證線上實(shí)驗(yàn)?！靶盘柵c系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”混合式教學(xué)可揚(yáng)長避短，互促互利，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情和自主性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。