“阵列信号处理”线上混合式教学设计与实践

孔晓鹏 姚直象 程广利

摘 要 为提高学员的自主学习能力，达到构建课程知识体系、拓展专业知识和形成专业思维的教学目标，按照“远程教学、知识拓展、自主学习、阶段考核、教学反馈”的教学模式，以“思维导图你来画”“教学内容你来找”“文献研授你来做”的方式，采用“BOPPPS”模型，通过整合、优化线上教学资源，水声工程专业基础课程“阵列信号处理”进行了线上混合式教学实践。

关键词 专业课程 线上教学 教学设计 混合式教学

中图分类号：G424                                   文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2021.03.046

The Online Hybrid Teaching Design and Practice on Array Signal Processing

KONG Xiaopeng， YAO Zhixiang， CHENG Guangli

（Naval Engineering University， Wuhan， Hubei 430033）

Abstract By aiming at improving the autonomous learning ability， constructing the professional knowledge system， and forming the course subject consciousness of students， this course has been hybrid teaching practiced online followed by "remote teaching， the development of knowledge， and autonomous learning， stage assessment， teaching feedback" teaching mode， with painting mind maps of course knowledge， seeking the teaching content as well as using "BOPPPS" teaching model， the basic professional course "Array Signal Processing" of Underwater Acoustic Engineering was actively taught online.

Keywords specialized courses; online teaching; instructional design; hybrid teaching

0引言

随着信息化技术特别是互联网通讯技术的快速发展，信息技术与教育教学深度融合的教学模式成为教学改革的重点范式。[1-2]经过近年来的努力，我国已经建成了诸如“网易云课堂”“爱课程网”“中国大学MOCC”“学堂在线”等多个网络课程平台，集合了全国高等教育院校的精品课程，他们在新冠疫情期间发挥了重要的作用，有效减轻了线下教学任务。[3]“学员观看精品课程视频资源、习题测试、教员对重难点知识串讲”成为多数高校教师线上教学活动的主要模式。然而，对于尚未建立线上课程或线上教学资源短缺、不符合人才培养方案的专业课程而言，高校教师主要采用线上直播授课的方式进行。

与线下教学不同，线上教学易受网络通讯的影响，直播延迟、卡顿导致课堂互动效果较差，教师不能根据学员的上课状态判定学员知识的掌握程度，与学员互动性不强导致教师无法根据特定教学环节的设置，引导学员思考，特别是对理工科的专业基础课程而言，对学员专业背景的塑造和创新思维方式的塑造提出了较大挑战。因此，不能将线下课堂授课的教学模式直接照搬于线上教学，应充分利用线上优秀资源多、信息反馈快等特点，在信息技术的支撑下，通过问题引导、翻转课堂等多种方式进行混合式教学设计，以期达到较好的教学效果，实现既定的教学目标。

针对线上教学的特点，“阵列信号处理”课程按照“教学科研相结合”的指导思想进行科学线上教学设计，将教学目标的重点放在学员课程知识体系的建立和思维方式的形成。

1教学设计

“隔离不隔教，隔离不隔爱”。根据线上教学特点，充分利用线上教学资源丰富，学员反馈及时等优点，按照“远程教学+知识拓展+自主学习+阶段考核+教学反馈”的教学模式，采用“BOPPPS”模型合理优化教学设计，进行混合式教学改革，实现教师与学员、教师与教师、学员与学员之间的互联互通、分工协作，实现知识的传递、情感的表达与认知的共振。此外，线上教学虽然教学效果反馈及时，但同时存在“知识碎片化”的问题，需要进行针对性的线上教学设计，整合学员的碎片化知识，建立课程完整知识体系。

1.1 课程教学目标

针对课程教学内容和后续课程要求，分别制定课程和课堂两级教学目标。课堂教学目标围绕课程教学目标进行针对性布置章节知识要点和学习要求。根据新修订的培养方案，该课程的教学目标主要为：一是课程知识体系的构建;二是课程知识的拓展与应用;三是專业思维方式的形成。

1.1.1 构建知识体系

为了构建学员课程知识体系，课程在实施阶段通过合理的教学内容规划，在教学中通过强调教学内容的逻辑关系，以“思维导图你来画”“教学内容你来找”“文献研授你来做”的方式，牵引学员在做中学、在学中做，帮助学员迅速掌握课程主要知识点，引导学员融会贯通，构建课程完整的知识体系。

1.1.2 知识拓展与应用

为了充分发挥线上教学的优势，拓展学员的专业知识和对接装备的技术应用，课程采用的做法主要包括以下三个方面：

（1）针对学员专业背景知识薄弱的实际学情，通过整合线上会议资源和其他高校相同专业领域教师间的互联互通，邀请国内著名高校教师进行线上辅导授课，以增加学员专业背景知识，拓宽视野。

此外，为了激发学员对课程的学习兴趣，需要阐述课程内容与岗位任职的关联性。课程通过设置“名师大讲堂”教学环节，邀请了西北工业大学和海军航空大学等专业教员分别就“主动声自导和波形设计”和“相位法测向与阵列自然指向”在线上为学员进行辅导授课，课程授课时受到了学员的强烈反响。“名师大讲堂”不仅对学员的专业背景知识进行了有效补充，而且还解答了课程的重要性以及与装备技术的相关性，提高了学员自主学习积极性和责任感。

（2）通过布置“文献研授”大作业，督促学员对相关前沿技术和应用进行针对性的精读，并以理论复述和技术复现相结合的方式，通过“翻转课堂”对文献内容进行研授。具体为，在课程实施过程中，通过学员分组协作、海报宣传、咨询答疑三个环节，围绕“拖曳线列阵阵形估计与波束形成”主题，分别对相关技术的英文文献进行了研授，形成了具有全员参与、分工协作、集体答辩等特点的“翻转课堂”新形式，通过参与式学习的方式，提升学员的学习主动性，让学员充分认识到技术课程也可以很有用、很有趣。

（3）课程充分利用钉钉群、微信群的分享功能，在朋友圈、学习圈通过分享与课程知识紧密相关的文章，拓展专业知识和应用，为以后相关课程的教学奠定了基础。此外，课程坚持教学科研相结合、理技融合、战技一体，通过在钉钉群设置主题讨论，围绕“反水下作战技术发展”等主题，对学员进行了思政教育，引起了学员的强烈反响。

1.1.3 专业思维方式的形成

大学科背景下，知识传递并不是唯一教学目标。从知识到思维，是现在高等教育发展趋势之一。[4]思想反映了一定的思维方式，思维方式决定了思想的内涵。在形成思维之前需要形成思想。课程的主要内容是通过对波束形成方式施加约束，在不同的优化准则下形成最优的加权系数，本质是“加权优化”思想的具體应用。课程这一主题思想可涉及多个学科，如机器学习、信号处理等。课程实施阶段，根据线上课堂授课内容，通过布置“绘制教学内容知识体系思维导图”的方式，使学员迅速掌握课程知识体系结构。

通过思维导图训练，结合文献研授环节，使学员不断形成“优化加权”思想，并将该思想与其他专业学科知识进行类比。

1.2 教学重难点

围绕“空域滤波”和“空间谱估计”两条教学内容主线，进行教学重难点分析，主要表现为以下两个方面：一是空域滤波的数学建模;二是优化算法涉及的矩阵计算、处理与应用。本门课程刚好是学员“矩阵代数”数学理论的技术应用，因此课程在线上教学中，通过整合“矩阵分析与应用”中的相关知识要点，引导学员进行回顾性学习。同时，结合工程应用，进行可视化教学设计。课程教学期间，借助于MATLAB Sensor Array Analyzer 软件，将波束形成原理、波束图参数以及复杂阵型设计等教学重难点进行可视化，以图像、物理现象的方式增加学员对干涉原理、乘积定理、优化加权方式等概念和理论公式的理解，以缓解学员对课程的畏难情绪，提高课堂注意力。

1.3 课堂教学设计

采用“BOPPPS”模型进行课堂教学设计，如图1所示，其核心理念是通过问题来牵引整个学习过程，逐渐摸索发展出一种问题引导的翻转课堂混合式线上教学方式。具体步骤为：

（1）树立课程总目标，也就是通过这门课程的学习，学员需要建立怎样的课程知识（知识体系构建），需要解决实际装备中的哪些关键问题和技术（知识拓展与应用），以及如何找到问题的解决方案（思想、思维方式的形成）。课程目标的实现程度可以通过课堂教学中的前测问题进行检验。

（2）复习前序课程，该阶段主要是通过讲解课堂作业结合思维导图完成。

（3）课程预习。这一环节通过学员自学教材相关章节内容的完成。

（4）前测。通过在线提问，以指定学员“连麦”引导学员回答问题和“问题”投票的方式进行。该教学环节的设置的目的主要为：一是对学员的学习情况进行过程性考核;二是检验课程目标的完成情况。

（5）课堂目标。是课程目标的分解和细化，课堂教学内容的重难点分析与解读。

（6）直播授课。通过线上直播，结合白板等线上教学工具进行课堂授课，并对直播内容进行录制，以便学员观看课程回放。

（7）后测。通过“问题投票”的方式对课堂教学效果进行后测，检验学员对课堂知识的掌握程度和课堂教学目标的完成情况。

（8）作业。通过布置作业，引导学员观看直播回放，复习课堂教学内容。

此外，课程在教学实施阶段，对以下两个方面的内容进行重点考虑：

一是在优化教学资源的同时，引导学员综合运用电子资源。课程实施过程中，由于专业教材较多，教材间也有各自的特点和优势，因此课程选用2本理论教材和1本编程实践教材，充分整合3本教材的优点，实现优势互补，通过布置阅读作业和编程实现教材图的形式，督促和引导学员到教材中要现象，到教材中要答案。

二是应对“前测”和“作业”两个环节进行针对性的教学设计。前测环节的重要性在于通过问题引导学员对课程重难点内容的掌握和应用，通过层层推进的逻辑关系，锻炼学员思考和解决问题的思维方式。作业环节在于线上教学对学员自主学习的依赖性较高，在线上教学过程中教师很难把握学员的学习状态，“学员有没有全程观看直播”，“学员到底学了多了，记了多了”等问题无法通过线上教学检验，但是可以通过作业的方式，引导学员针对性的观看直播回放，寻找课程资源，实现既定的教学目标。

2总结

与传统的线下教学方式不同，线上教学活动需要利用互联网信息技术，进行针对性的教学设计，通过问题引导学员自主学习，通过高校教师的互联互通，整合线上资源，结合教员的教法知识、技术知识与自身的学科知识，对课程进行混合式教学改革。本文所进行的专业基础课程通过设计思维导图训练、知识拓展与应用训练、编程训练和文献研授训练等教学环节，对线上课程进行了混合式教学实践，结果发现：线上教学可以有效激发学员的学习动力以及充分挖掘学员的潜力。课程“文献研授”教学环节的实施效果表明，以学员为中心的线上教学可通过“铺路子、压担子、分任务、树典型、重表扬、轻惩罚”等方式激发学员的学习动力，增强学员学习的主人翁意识，锻炼学员资源整合能力和问题分析能力，提高其自主学习能力，学习潜力也得到了充分挖掘。

教育技术最重要的作用是能够帮助教师将教育研究成果应用于教学实践。[4]教员是高等教育院校发展的第一资源，借助于互联网信息技术，以开放的心态支持教员找到更好的教学模型，充分发挥线上、线下教学优势互补作用，形成“学为主体、教学相长”的发展模式，“线上+线下”混合式教学模式将成为未来教学改革的发展方向。

参考文献

[1] 卢晓中.高等教育质量发展的五大趋势[J].大学教育科学，2019（5）：6-9.

[2] 徐翠艳，邱忠媛.信息技术与大学物理教学深度融合的理论研究与实践[J].高教学刊，2017（6）：124-125.

[3] 武婷婷，唐加山.新工科背景下“线上-线下”混合教学框架设计与实践[J].软件工程，2018，17（10）：220-222.

[4] 王青，郭应寿.《费曼物理学Ⅱ》和《电动力学》混合式线上教学实践[J].物理与工程，2020，30（2）：1-8.