“线上激越四段式”教学在生物医学信号处理课程中的应用研究

王 静，徐静婷，王庭槐

（1.中山大学新华学院生物医学工程学院，广州 510520；2．中山大学中山医学院，广州 510080）

0 引言

生物医学信号处理是当前生命科学领域发展最为迅速的前沿研究方向之一，也是交叉学科生物医学工程专业课程体系中的一门专业核心课程，在生命科学研究、医学诊断以及临床治疗等方面均发挥着重要的作用[1-4]。受新型冠状病毒肺炎疫情的影响，我院需要开展线上的教学工作。传统的“以教材为中心、教师为中心、教室为中心”的教学模式难以适应线上教学，也难以培养学生的创新思维和探索精神。故我院借鉴王庭槐教授的“激越四段式”教学法[5]，在生物医学信号处理这门课程中借助网络平台开展“线上激越四段式”教学。

“激越四段式”教学法是王庭槐教授在多年团队学习（team-based learning，TBL）教学实践的基础上，结合认知生理学、自主学习理论和布鲁姆教育目标分类法提出的，以学生为主体、教师为主导、团队为协作，从激发自主学习内动力，再到教师有针对性反馈的成果分享，完成自我超越的教学模式[6]。已有很多教学实践表明“激越四段式”教学法相比传统教学法对于学生学习成绩、自主学习能力以及创新能力等都有显著提高[7-9]。故本文结合疫情现状，将线下的“激越四段式”教学法进行改进，提出“线上激越四段式”教学法，以期能够达到甚至超越学校教学的效果。

在设计生物医学信号处理课程“线上激越四段式”教学之前，首先要让学生明白学什么、为什么学和怎么学，即“What—Why—How”的问题。在理论方面，学生需要掌握信号处理的基本理论和方法，能够基于生物医学信号的特点从噪声背景中提取有用的信息，并能结合临床对结果进行分析、解释和预测[10-11]。在应用方面，培养学生具有理论联系实际、分析问题、解决问题、基于MATLAB 软件对实际的生物医学信号进行处理的能力[12-13]。为了学好这门课，单一、固定的教学模式或教学方法是不合适的，教师需要根据不同的章节内容去设计教学环节。本文以随机信号基础这一章为例进行“线上激越四段式”教学的设计，并对教学效果以调查问卷和实验考核的形式进行反馈。

1 研究对象

疫情期间中山大学新华学院生物医学信号处理课程的实际授课对象为2017 级生物医学工程专业的81 名学生，全部纳入研究对象。

2 教学设计

“线上激越四段式”教学可分为线上精讲导学、线上自主学习、线上小组讨论和线上分享超越4 个阶段。

2.1 线上精讲导学

随机信号基础这一章的知识点包含随机信号的概念和性质、平稳且各态遍历的随机过程、随机信号的样本数字特征。精讲部分可通过网络直播的形式进行授课。教师在精讲阶段重在考虑怎么讲能让学生更好地内化吸收，主要包括以下几个方面：（1）切入点，即怎么引入新知识点；（2）提问，引起学生思考；（3）由浅入深，即善于从简单的实验和例子来讲透抽象的概念；（4）延伸，即对单一抽象知识点可以做适当延伸，使学生从多角度加深对知识点的理解；（5）思维导图，即在精讲知识点后，采用思维导图的形式将所讲内容进行总结，让学生重新梳理，加深对重要内容的记忆和理解；（6）研究性论文，即通过相关的学术论文对学生进行拓展，这一点对于高年级的学生特别有帮助，培养学生具备一定的探究能力和学习能力。

线上精讲导学有别于传统的单纯以传授知识点为目标的教学方式，着重从激发学生学习兴趣、引导学生思考、延伸拓展等方面对学生进行学习方法及学习能力的培养，充分体现了不仅要“授之以鱼”，还要“授之以渔”的教育理念。

2.2 学生自主学习

现代信息化技术的发展及普及使得线上教学更加便捷。如中国大学慕课、SPOC、爱课程、网易公开课、Icoursea 等平台为学生线上自主学习提供了多种平台及丰富的教学资源。学生通过自主学习，加深对理论知识的理解和延伸，并完成下列思考题：（1）目前随机信号的处理方法有哪些；（2）目前在医学信号处理中，有哪些方法是从随机信号的处理方法中直接演变过来的。在这个阶段，学生主要借助线上辅助资料进行知识面的拓展，提升自己的自主学习能力和探索精神。

2.3 线上小组讨论

由于生物医学信号处理这门课程以培养应用型人才为目标，要求学生能够基于MATLAB 软件处理实际的医学信号，所以在线上小组讨论阶段设置两部分：（1）完成一次10 道题的小测验，围绕自主学习阶段的思考题设置题目内容，以考核学生自学能力。如平稳随机信号和非平稳随机信号在处理方法上有什么不同，学生以小组为单位进行讨论，给出最后的答案。（2）给出一段脑电信号数据让学生在MATLAB软件上进行处理，如图1 所示。

图1 所示脑电信号是4 500×129 的大矩阵数据。将81 个学生平均分为9 组，每组9 人。每组从给定的数据中选取1 000 个点，根据自学所搜集的随机信号处理方法，基于MATLAB 软件对脑电信号进行处理，包括画出其谱图、讨论信号的样本特征量等。学生可通过腾讯会议、QQ 群等平台进行线上讨论。最后思考一个问题：为什么患者在医院只需要测量一次脑电信号就可以作为临床诊断的依据，这是以医学信号是什么样的假设为前提。

图1 用于线上小组讨论的脑电信号数据

在这个阶段，教师需要结合课程特点以及课程培养目标，选择合适的测验题和讨论主题让学生完成，不仅能培养学生分析问题、解决实际问题的能力，还能培养学生的沟通能力和团队组织协调能力。

2.4 线上分享超越

以小组为单位，各组轮流派成员分享脑电信号处理结果，各小组之间可对展示的内容进行评价、质疑、辩论和探讨，最后对思考题进行总结。各小组展示完毕后，教师对小测验结果、小组展示内容进行小结、点评，并用设计好的评分表客观评价其学习效果[14]。教师会给每个小组一个分数并作为平时成绩的重要依据，纳入本门课程期末总评成绩的一部分。

在这个阶段，教师主要引导学生对学习成果进行分享总结，通过小组与小组之间展示的这种潜在竞争机制，激发学生学习的主动性和创造性。

3 教学效果评价

3.1 问卷调查

3.1.1 组内互评线上打分结果

为了更好地促进小组讨论中每一个成员能够积极参与，设计了一个组内成员线上打分环节，将小组成员的学习主动性、任务完成度等综合评定设计为优（90～100 分）、良（80～89 分）、中（70～79 分）、差（69分以下）4 个分数段，组内成员通过线上打分软件进行互评。组内互评打分也将记为课程最终成绩的一部分。

调查结果显示，组内互评只有3%的学生在69分以下，87%的学生在良以上，即大部分学生态度认真，积极参与了小组讨论并完成了学习任务。

3.1.2 “线上激越四段式”教学满意度调查结果

在阶段测试结束后，对教学班81 名学生进行问卷调查，共发放问卷81 份，回收有效问卷79 份，回收率97.5%。调查结果显示：97.5%的学生认为“线上激越四段式”教学可超越时空，克服疫情不能回校对教学的影响；89.9%的学生认为通过这种教学方式可加深对知识的理解；93.7%的学生认为这种教学方式可增加师生交流；84.8%的学生认为这种教学方式可扩大获取知识的途径；78.5%的学生认为这种教学方式可提高学习自主性；77.2%的学生对“线上激越四段式”教学满意；91.1%的学生认为这种教学方式可推广。详见表1。

3.1.3 学生对“线上激越四段式”教学的建议

在满意度调查问卷的后面，设计了一个栏目留给学生提出改进建议和意见。学生们提出了很多宝贵的建议，具体如下：（1）“线上激越四段式”教学能大大提高学生在家学习的积极性，也能提高动手解决问题的能力，建议此方法能贯穿本课程后面其他章节。（2）有些学生反馈听老师直播容易疲劳走神，建议其他课程也能引入“线上激越四段式”教学。（3）有些学生建议采用抽签分组的方式，更能保证每组分数的公平性。（4）建议老师在成果分享时权衡好每个组都想分享和课堂时间有限的问题。

3.2 实验结果展示

本章节“线上激越四段式”教学结束后，进行了线上规定时间的实验作业。实验任务包括：（1）先用已知的确定性信号在MATLAB 中正确显示幅度谱、相位谱、功率谱，然后将程序应用于实际的脑电信号数据进行谱分析，并给出从这个信号中得到了什么信息。（2）利用MATLAB 中的伪随机序列函数randn()和rand()分别产生多段1 024 点的序列，编制程序计算2 种函数随机产生信号的数字特征，绘制数字特征图形，观察实验结果，判断各态遍历随机过程的条件，并比较这2 种函数的区别。要求学生在90 min内完成实验作业，并通过电子版的形式截图上交。

结果显示，94.5%的学生在规定的时间内完成上交。72.9%的学生除了写出程序完成实验任务，还考虑到了实验特殊情况，比如有些学生对于相位谱考虑了多种情况的显示，最后确定需要加约束条件才能显示正确的效果。

从完成的时间和完成的质量2 个指标来看，相比往届传统的教学方法，学生的水平都有很大的提升，详见表2。这说明将“线上激越四段式”教学应用于生物医学信号处理这门课程对提高学生应用知识解决实际问题的能力有很大帮助，同时也激发了学生的创造性。

表2 近3 a 生物医学工程专业学生完成相同作业的情况 单位：%

3.3 电话采访

为了进一步了解“线上激越四段式”教学是否起到激励和超越的效果，在教学班抽取27 人（以小组为单位，每个组抽取3 人）进行微信电话采访。从采访的结果来看，大部分学生表示通过小组讨论和成果分享，认识到了自己与同学之间的差距，认为只有在自主学习阶段进行充分的准备，才能有效地参与到讨论中去。而且以小组为单位进行成果分享，分享成果代表每一个组的分数，使学生有种集体荣誉感，激励学生更好地学习和表现。同时，小组间的讨论和分享也体现了学生互教互学，很多学生表示通过看其他小组的成果分享能够更好地扩展自己的知识面，查漏补缺，完成自我能力的超越。

4 讨论

4.1 线上小组讨论的分组原则

小组讨论式教学这种方法最早是从以问题为基础的学习（problem-based learning，PBL）中提出[15]，国内有学者将PBL 教学法引入核医学教学，分组时每组为7 人，也取得了较好的效果[16]。后来美国学者又在PBL 教学的基础上正式提出了TBL 教学法[17]，系统介绍了小组讨论式学习的理论，但并没有明确指出每组几个人为宜。王庭槐教授率先将TBL 教学法引入我国，并经过多年的教学实践认为，每组3～5 人或6～8 人比较合适[18-19]，同时采取组内互评机制较好地提高了每位成员参与组内学习和讨论的积极性。

本文“线上激越四段式”教学中第三阶段小组讨论学习是基于TBL 教学法的理论进行分组讨论的。但由于独立学院的现状，每个班的人数相对较多，此次教学班共81 人，选取了9 人为一组，共分为9 组，便于教师进行管理。此外，在疫情背景下，以小组为单位进行成果分享需要借助腾讯会议、腾讯课堂等网络平台，组数越多，网络分享占用的时间就越久，不利于整个教学方案的实施。从组内成员考核表以及成果分享的质量来看，9 人为一组也起到了较好的教学效果。

4.2 “线上激越四段式”教学可实现随时随地学习，值得进一步推广

本文通过对生物医学信号处理这门课程进行“线上激越四段式”教学及阶段性测试，97.5%的学生认为“线上激越四段式”教学可克服疫情对教学的影响，学习时间可以选择，实现随时随地学习。在自主学习阶段，学生可根据自己的时间安排线上线下的学习。在小组讨论阶段，组与组之间互不干涉，克服了时间不同步的问题。成果分享阶段学生在约定的时间在不同的地点进行视频或文字分享，克服了空间不同步的问题。

此外，“线上激越四段式”教学设计充分体现了学生为主体、教师为引导的理念。精讲阶段，教师提炼核心知识点进行网络直播讲解，设计精讲部分也注重从6 个方面激发学生学习兴趣、引导学生思考和内化吸收，贯穿“授之以渔”的教学理念。其他的3 个阶段，教师重在引导，以观察者的身份适时纠偏和点评，而学生是参与者、体验者、实操者。这个过程中培养了学生自主学习的能力，线上组织领导能力，发现问题、分析问题、解决问题的能力，并且通过团队协作、组间激励促进了学生互教互学，实现学生个体的超越。调研结果也表明，91.1%的学生认为这种教学方法可推广。

5 结语

实践证明，“线上激越四段式”教学充分利用了互联网的优势，结合“以学生为中心”的教学理念，能够克服疫情对教学的影响，使教与学的过程灵活便捷；并且对于应用性课程采用“线上激越四段式”教学不仅可以提高学生自主学习的能力，更能提高学生理论联系实际、设计程序解决实际问题的能力。

目前，“激越四段式”教学已在生理学[14]、大学语文[20]、数学[9]、大学体育[8]等课程进行了实践，并取得比传统教学更好的效果。本文“线上激越四段式”教学在生物医学信号处理课程的阶段性测试中也取得了一定效果。这表明“激越四段式”教学法可以进行普遍推广，重点在于如何更好地基于人才培养目标设计课程激越四段式的每一个阶段，这也是未来努力的方向。希望“线上激越四段式”教学能为具有自主学习和创新能力专业人才的培养探索新的思路，并辐射和带动专业其他课程积极推进教学改革。