線上線下混合式教學(xué)柔性實(shí)施策略研究
——以“數(shù)字信號處理”課程為例

王曉莉，陳分雄

（中國地質(zhì)大學(xué)〔武漢〕 機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢 430074）

引言

由于特殊情況對各行各業(yè)產(chǎn)生了影響，對高校教學(xué)更是產(chǎn)生了嚴(yán)重沖擊，全程線上教學(xué)是當(dāng)時(shí)嚴(yán)峻形勢下的被動(dòng)選擇，但是對于廣大教師而言卻是一次寶貴的教學(xué)實(shí)踐。近兩年，有些地區(qū)實(shí)施線上教學(xué)，另外有一些高校，則要求同時(shí)實(shí)施線上和線下教學(xué)，以兼顧因特殊時(shí)期不能如期返校的學(xué)生?？梢哉f，特殊時(shí)期背景下，不僅需要實(shí)施混合式教學(xué)，而且要求線上線下的教學(xué)模式具有柔性調(diào)整的能力，以適應(yīng)不同形勢下的教學(xué)需求，提升課程教學(xué)的效果，達(dá)到人才培養(yǎng)的目標(biāo)。本文以“數(shù)字信號處理”課程為例，針對課程特點(diǎn)和培養(yǎng)目標(biāo)，探討其線上線下混合式教學(xué)的柔性實(shí)施模式，為相關(guān)的教學(xué)改革與實(shí)踐提供借鑒。

一、“數(shù)字信號處理”課程性質(zhì)和教學(xué)目標(biāo)

數(shù)字信號處理是影響現(xiàn)代科學(xué)研究與技術(shù)發(fā)展的最重要的成果，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷地發(fā)展完善，被應(yīng)用于各個(gè)現(xiàn)代化尖端領(lǐng)域［1］?！皵?shù)字信號處理”課程因其重要性，受到了國內(nèi)外理工科院校的普遍重視，已經(jīng)成為本科高年級或碩士低年級的必修課程或優(yōu)選課程，是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的基礎(chǔ)課程。與此同時(shí)，國內(nèi)外理工科院校開設(shè)“數(shù)字信號處理”課程成為普遍現(xiàn)象。該課程有如下特點(diǎn)。（1）基礎(chǔ)性：課程要求學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，以“信號與系統(tǒng)”為先修課程，并與信息處理類的其他課程如“數(shù)字圖像處理”“通信原理”等課程密切相關(guān)。（2）理論性：課程具有完整嚴(yán)密的理論體系，在離散化和系統(tǒng)化的概念、方法、原理的框架上，采用抽象的數(shù)學(xué)符號進(jìn)行內(nèi)容的詮釋和推導(dǎo)。（3）工程性：是科學(xué)研究與工程實(shí)踐中共性問題的總結(jié)，能解決工程實(shí)際中的相關(guān)問題，在各個(gè)領(lǐng)域，如航空航天、國防軍事、工業(yè)生產(chǎn)、地質(zhì)勘探、消費(fèi)電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值［2-3］。

課程教學(xué)目標(biāo)在總體上既需要進(jìn)行課程的理論學(xué)習(xí)，同時(shí)還要求能夠進(jìn)行算法仿真和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)而進(jìn)行工程實(shí)際運(yùn)用的延伸，要求能夠運(yùn)用課程理論和方法初步解決相關(guān)工程問題。這門課程的教學(xué)目標(biāo)可以分類為思政、知識、能力、素質(zhì)四個(gè)方面。（1）思政目標(biāo)：將思政元素貫穿于課程學(xué)習(xí)當(dāng)中，通過課程學(xué)習(xí)使學(xué)生了解課程方法在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，正視該學(xué)科國內(nèi)外研究差距，培養(yǎng)專業(yè)責(zé)任感和家國情懷，把個(gè)人奮斗同國家民族復(fù)興的偉大目標(biāo)結(jié)合起來［4］。（2）知識目標(biāo)：通過課堂教學(xué)，理論上要求學(xué)生深刻理解“數(shù)字信號處理”的相關(guān)理論、概念和分析方法，建立課程的理論體系框架，基本內(nèi)容包括離散信號和系統(tǒng)，信號和系統(tǒng)的時(shí)域、頻域及復(fù)域分析方法，離散傅里葉變換及快速傅里葉變換，數(shù)字濾波器的分析和設(shè)計(jì)。（3）工程目標(biāo)：通過課堂教學(xué)及上機(jī)實(shí)驗(yàn)，綜合課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生能掌握課程的工程設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)研究方法，能夠運(yùn)用理論解決實(shí)際問題。（4）素質(zhì)目標(biāo)：引導(dǎo)學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，鼓勵(lì)學(xué)生追求真知，勇于創(chuàng)新。

二、線上和線下教學(xué)特點(diǎn)分析

單純的線上或者線下教學(xué)各具特點(diǎn)和優(yōu)勢。作為傳統(tǒng)的教學(xué)模式，在教室環(huán)境中進(jìn)行面對面的線下教學(xué)，在教學(xué)效果和教學(xué)效率上，具有線上教學(xué)難以比擬的優(yōu)勢。線下教學(xué)最重要的一個(gè)特征就是上課本身是一項(xiàng)具有儀式感的活動(dòng)，教師和學(xué)生在線下的教室環(huán)境中更容易全程投入，共同完成教學(xué)活動(dòng)。線下教學(xué)具有集體學(xué)習(xí)的氛圍，師生之間、生生之間在學(xué)習(xí)過程中思維能夠相互啟發(fā)。教師視角能夠及時(shí)地捕捉學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，實(shí)時(shí)進(jìn)行督促和激發(fā)，以達(dá)到良好的課堂教學(xué)效果。

線上的教學(xué)方案是伴隨互聯(lián)網(wǎng)而產(chǎn)生的一種教學(xué)模式，線上教學(xué)能夠打破空間的局限，擴(kuò)展教育的邊界。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提升及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的興起，線上教學(xué)的功能也隨之?dāng)U充，開始出現(xiàn)直播、錄播，以及在線布置作業(yè)、測試、小組討論等功能，也極大提高了教學(xué)組織的效率。線上平臺具備超強(qiáng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，從課堂的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)到課后客觀的數(shù)據(jù)分析，對于教師組織教學(xué)活動(dòng)極具參考價(jià)值。在特殊時(shí)期是課程學(xué)習(xí)的主要手段，在正常情況下則是課程學(xué)習(xí)的有效補(bǔ)充和得力工具。

混合式教學(xué)是依據(jù)OBE教學(xué)理念［5］，根據(jù)課程特點(diǎn)，將線上和線下教學(xué)因素進(jìn)行有機(jī)融合，貫穿課程的整個(gè)教學(xué)過程，爭取實(shí)現(xiàn)課程教學(xué)效果的最大化。

三、“數(shù)字信號處理”混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

在學(xué)習(xí)效果最佳的目的驅(qū)動(dòng)下，充分考慮課程的內(nèi)容特點(diǎn)，依據(jù)課程的培養(yǎng)目的和要求，實(shí)施線上線下混合式教學(xué)，使得基于BOPPPS［6］的教學(xué)模式形成真正意義上的完整閉環(huán)框架，如圖1所示。通過對客觀數(shù)據(jù)的分析，對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，包括課程學(xué)習(xí)時(shí)長、目標(biāo)達(dá)成度及學(xué)生對內(nèi)容的難易感受度等方面進(jìn)行分析和對比［7］。在此基礎(chǔ)上，分析教學(xué)過程中存在的問題，并及時(shí)調(diào)整相關(guān)教學(xué)模塊及課程教學(xué)資源，形成課程教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)。

圖1 課程教學(xué)的閉環(huán)框架

具體的實(shí)施環(huán)節(jié)則是通過在課前、課中、課后的不同階段將以符合學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律及課程特點(diǎn)的方式合理組織教學(xué)內(nèi)容，主要包括課前導(dǎo)學(xué)、課中講授、課后鞏固三個(gè)階段。

1.課前導(dǎo)學(xué)。根據(jù)教學(xué)大綱制定教學(xué)計(jì)劃，梳理教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置課程章節(jié)；依托學(xué)習(xí)通或者雨課堂建立網(wǎng)絡(luò)課程，并進(jìn)行課程資源建設(shè)，如建立作業(yè)庫和試卷庫等，方便學(xué)生利用碎片化的時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)；導(dǎo)學(xué)還應(yīng)該包含拓展的內(nèi)容：如課程的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。

2.課中講授。以課堂教學(xué)為主，將線上平臺作為輔助教學(xué)手段。講授內(nèi)容突出課程內(nèi)容的理論和概念，根據(jù)課程內(nèi)容及重點(diǎn)和難點(diǎn)精心組織課堂教學(xué)，并對學(xué)生反饋回來的一些共性問題進(jìn)行重點(diǎn)講解。同時(shí)充分利用線上平臺資源組織互動(dòng)。

3.課后鞏固。課堂講授的是理論知識，為了檢驗(yàn)課堂學(xué)習(xí)效果，達(dá)到鞏固知識的目的，在課后可以給學(xué)生布置線上或者線下的學(xué)習(xí)任務(wù)，包括習(xí)題及發(fā)布一些主題討論，同時(shí)也必須安排一定數(shù)量的上機(jī)作業(yè)，要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并上傳。

四、“數(shù)字信號處理”混合式教學(xué)的柔性實(shí)施策略

根據(jù)不同特殊時(shí)期形勢，不同的教學(xué)要求，課程的混合式教學(xué)又體現(xiàn)為以下三種不同的實(shí)現(xiàn)模式，如圖2所示。

圖2 混合式教學(xué)的具體實(shí)現(xiàn)模式

在正常情況下，教師和學(xué)生都能到校，一般是采用模式1，其中包含了師生直接面對面的課堂知識傳授，具有直觀、效率高的優(yōu)勢，同時(shí)穿插課堂互動(dòng)，利用手機(jī)進(jìn)行簽到、測試及討論，線上線下能夠優(yōu)勢互補(bǔ)，達(dá)到較好的課堂教學(xué)效果。模式2則用于教師和大部分學(xué)生能夠來到課堂，而少部分學(xué)生因特殊時(shí)期無法正常到校的場合，這種情況下教師仍然能夠在教室組織課堂的面授教學(xué)，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)端和手機(jī)端開通直播，以兼顧不能到場的學(xué)生。如果教師和學(xué)生均不能到場的話，模式3就是唯一的選擇項(xiàng)，在這種情況下，教學(xué)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)均在線上進(jìn)行。

對于“數(shù)字信號處理”課程來說，課程混合式教學(xué)的柔性實(shí)現(xiàn)不是簡單地將線下內(nèi)容直接生搬硬套到線上，更不是線上和線下內(nèi)容的簡單拼接，而是強(qiáng)調(diào)二者的有機(jī)融合，優(yōu)勢互補(bǔ)，并且能夠根據(jù)實(shí)際情況，柔性地進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)，為應(yīng)對突發(fā)事件，具備授課模式迅速切換的能力。

混合式教學(xué)模式之間的切換，對于任課教師來說，是壓力更是挑戰(zhàn)，不僅要求教師有課程扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)還必須能夠熟練使用學(xué)習(xí)通、雨課堂等線上教學(xué)平臺，在教學(xué)實(shí)踐中不斷地積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而能夠進(jìn)行課程講授和平臺應(yīng)用的合理組合。一般來說，模式的切換，特別是切換到線上授課，需要在一些環(huán)節(jié)做出調(diào)整，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1.內(nèi)容的表達(dá)方式進(jìn)行調(diào)整，學(xué)生面對電子屏幕時(shí)專注力會有所下降，線上授課不適合長時(shí)間大篇幅的推導(dǎo)，而“數(shù)字信號處理”有完整的理論體系，里面有很多的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和公式證明，理解難度較大，傳統(tǒng)教學(xué)中，教師常需花費(fèi)大量時(shí)間精力進(jìn)行公式推導(dǎo)和演算。這種方式如果直接搬移到線上，不管是錄屏還是直播，效果會大打折扣。實(shí)際上課程中的很多概念有對應(yīng)的物理含義，教師在進(jìn)行公式講解的時(shí)候，可以強(qiáng)調(diào)其物理意義，進(jìn)而根據(jù)學(xué)生不同的專業(yè)背景，列舉出相關(guān)實(shí)例。比如旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)信號進(jìn)行傅里葉變換，可以根據(jù)變換結(jié)果來進(jìn)行裝置的運(yùn)行監(jiān)控和故障診斷。通過知識點(diǎn)的應(yīng)用延伸來提升教學(xué)效果。

2.加強(qiáng)仿真環(huán)節(jié)對于課程教學(xué)的輔助作用，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，每個(gè)學(xué)生都有個(gè)人終端，線上比線下更適合演示編程仿真環(huán)節(jié)，而“數(shù)字信號處理”課程不僅有很強(qiáng)的理論性，還有很強(qiáng)的工程性，理論和實(shí)踐并重是課程的一個(gè)重要特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)的仿真編程環(huán)節(jié)能有效加深學(xué)生對于理論知識的理解。比如IIR濾波器的設(shè)計(jì)，就是一整套完整的方法和公式、圖表的直接套用，而FIR濾波器在窗函數(shù)的選擇對性能的影響上，教師完全可以在線上對照濾波器設(shè)計(jì)步驟，通過MATLAB仿真編程演示每一個(gè)過程，并將結(jié)果以數(shù)值或者是圖形的方式進(jìn)行清晰展示。

3.增加課堂互動(dòng)的環(huán)節(jié)，讓學(xué)生積極參與課堂互動(dòng)。線上授課欠缺師生面對面直接的交流和溝通，教師不能實(shí)時(shí)地把握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，這些可以通過適當(dāng)?shù)卦黾泳€上互動(dòng)環(huán)節(jié)來進(jìn)行彌補(bǔ)，包括手機(jī)簽到，設(shè)計(jì)課堂交互的測試和討論，開放彈幕引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，利用詞云進(jìn)行結(jié)論歸納等，吸引學(xué)生積極地參與課堂教學(xué)，將學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性充分地調(diào)動(dòng)起來。

4.課程的評估方式進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，最后的課程評分需要充分兼顧線上和線下環(huán)節(jié)，目的是能夠客觀全面地反映學(xué)生對課程的掌握程度，以及評價(jià)學(xué)生運(yùn)用課程知識解決問題的能力。在堅(jiān)持過程評價(jià)的基礎(chǔ)上，混合式教學(xué)的課程評估包括以下四個(gè)方面：課程參與度（15%）、作業(yè)及隨堂測試（25%）、項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)（20%）及期末考試（40%）。評分的數(shù)據(jù)來源包括兩部分，一種是線上數(shù)據(jù)，可以充分利用線上網(wǎng)絡(luò)平臺的一些數(shù)據(jù)，包括簽到率，課堂討論的參與度，對課程資源瀏覽總時(shí)長，作業(yè)問答和測試等學(xué)習(xí)過程的數(shù)據(jù)記錄，通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析形成對課程學(xué)習(xí)的客觀評價(jià)。另一種是線下的紙質(zhì)數(shù)據(jù)，包括平時(shí)的作業(yè)和最后的課程考試，需要人工進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。當(dāng)然，如果采用全線上教學(xué)，則所用的評分?jǐn)?shù)據(jù)均來自線上的課程平臺。

結(jié)語

在當(dāng)前的大環(huán)境下，結(jié)合“數(shù)字信號處理”的課程性質(zhì)和培養(yǎng)目標(biāo)，本文提出了基于OBE的混合式教學(xué)閉環(huán)反饋框架，對混合式教學(xué)進(jìn)行分析，并針對具體特殊形式需求的混合式教學(xué)柔性實(shí)施策略進(jìn)行了探討。本文提出的方法，對其他理工科課程建設(shè)有很好的參考價(jià)值。

主講教師作為教學(xué)過程的設(shè)計(jì)者，課堂節(jié)奏的掌控者，在整個(gè)線上線下混合式教學(xué)活動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用。但是也需要指出的是，教學(xué)能否達(dá)到預(yù)期的目的，還和其他的一些因素相關(guān)，比如說進(jìn)行教室課堂直播時(shí)，需要網(wǎng)絡(luò)暢通，進(jìn)行線上授課時(shí)，需要學(xué)生有良好的自律，這需要大學(xué)的管理者，相關(guān)部門、教師和學(xué)生的共同努力。