信号与系统课程线上线下混合式微课教学的研究与实践——以梧州学院为例

郭铁梁，王奎奎，孙 雪，李炳槐

(梧州学院 电子与信息工程学院，广西 梧州 543002)

2019年教育部关于一流本科课程建设的实施意见指出，高校要全面开展一流本科课程建设工作，树立一流课程建设新理念，推进课程建设创新改革，实施科学的课程评价体系，严格加强课程管理，逐步形成以质量为导向的课程建设激励机制，形成多样化、多类型的教学内容与课程体系[1]。另外，推动课程思政，构建全员全程全方位育人大格局，确立以学生为中心、以产出为导向、不断持续改进，提升课程高阶性，突出课程创新性，增加课程挑战度，已成为广泛共识的教育教学新标准[2]。“信号与系统”课程是电子信息类专业的一门重要专业基础课，可以使学生掌握“信号与系统”的基本知识，初步形成一定的学习能力和课程实践能力。该课程要求学生在具备扎实的高等数学、线性代数等基本数学理论的同时，还需掌握电路理论等专业基础知识。对于学生来说，该课程教学内容丰富，涉及的数学理论及课后习题作业多且复杂，全面掌握、融会贯通较难[3]。这些问题在线上线下混合教学过程中，如果将教学视频简单搬到网上，学生在课堂上依然存在注意力不集中、易疲惫的现象，从而使上述问题依然得不到更好地解决。如果在线上线下混合式教学过程中适当采用微课的形式，以知识点为单位，或者以工程应用及课程思政为主题制作小视频或录屏音频，这样学生就可以针对自己的实际情况，不但可以提高课堂上的学习效率，而且课后可以在线上随时随地有选择性地学习，这样就能解决一次性教学内容过多、教师集中式连续教学，学生难以接受的问题。微课(Micro-course)是微课程的简述，2008 年美国新墨西哥州胡安学院教师David.Penrose正式提出微课，“微课以在线或移动学习为目的，以短音频或短视频为载体来录制课程，使得学生能随时随地的学习”[4]。2012 年 9 月教育部组织了第一届中国微课大赛，标志着微课在我国开始传播[5]。“信号与系统”微课程的相关文献最早见于2015年[6]，最初只是简单制作教学视频，随着线上教学的发展，对于“信号与系统”课程来说，微课与线上线下混合式教学进行整合已成为一种必然发展趋势，并且微课对于线上线下混合式课程建设也会起到重要的促进作用。近年来，随着信息技术的迅速发展，互联网对教育教学产生了深刻的影响。上述2019年教育部关于一流本科课程建设的实施意见中，还进一步提出实施一流本科课程“双万计划”，决定开展国家级线下一流课程、国家级线上线下混合式一流课程和国家级社会实践一流课程推荐认定工作。其中，线上线下混合式课程成为课程建设工作的热点，经过近两年的改革实践，不论教学一线教师还是教育研究者，以及教育机构和政府教育部门，都已基本达成共识：线上线下混合式教学将成为未来教育的“新常态”[7]。与其他传统的专业基础课程相类似，“信号与系统”课程的线上线下混合式教学，将整个教学过程规划为课前预习、课堂重点教学、课后作业提高3个环节。每个环节都需要教师进行主导设计，由学生配合完成相关知识内容的学习。另外，微课能以明确的知识点为主要内容，以短视频为主要载体，对传统课堂教学进行有效补充。

针对线上线下混合式教学和微课教学的特点，将微课有机融入混合式教学的3个环节中，正是本研究的重点内容。在“互联网+”的时代背景下，以“信号与系统”一流课程建设为契机，进行线上线下混合式微课教学的设计研究与改革，不但能够有效解决“信号与系统”课程现实教学中存在的问题，而且在促进学生有效自主学习、促进教师提高专业水平，以及在促进教育自身发展的高阶层面上具有重大意义。

1 “信号与系统”课程线上线下混合式微课教学模式

结合梧州学院电子与信息工程学院的学科专业实际，为展现课程建设及教学特色，“信号与系统”课程以培养电子信息技术领域的应用型人才为目标，重视理论与实践相结合的教学过程，以工程应用为大背景进行教学内容和教学方法的改革。教学方式采用传统与现代相结合，线上线下混合，课内课外相配合，将课程思政和双语教学有机融入到教学设计中，使学生在课堂上不仅能够学会“信号与系统”的理论知识和实践知识，而且能够体会到这门课程中隐含的科学精神、社会文化价值和家国情怀。

1.1 线上线下混合式教学的应用

由于传统的线下教学包括课前预习、课堂教学及课后复习3个环节，所以线上教学也应通过适当的教学设计合理融入这3个教学环节中。首先是课前预习，教师应根据教学进度及教学内容在线上布置预习作业；然后在课堂教学过程中对学生的预习情况进行检查，为学生的课前学习情况提供反馈，同时课堂上适当应用线上教学可以提升教学质量和效率；最后是课后作业及复习的教学环节，这一教学环节的线上教学需要整合大量的线上线下资源，也是线上线下混合式教学中最重要的环节之一。这就要求教师要重点建立测试题(包括试题解答)的评价与反馈机制，用来实时监督及分析评价教学效果，以促进线上线下混合式教学的长期有效发展。以上各教学环节中，关键问题主要包括线上网上教学平台的建设工作，线下课程教学过程的规范化及改进，重要知识点的分解，典型例题的设计，工程实践的挖掘，微课的制作，Matlab仿真程序设计，课程思政内容的融入，各种教学资源及测试题的网上平台应用等。

1.2 微课教学的应用

微课的主要形式是小型视频或音频，是针对教学内容的重点、难点，或针对教学活动、实验、专题等教学环节，而设计开发的支持多种学习方式的一种情景化新型视频课程。它的主要特征可概括为“主题突出、短小精悍、交互性好、应用面广”[8]。微课最初应用于线下教学，随着互联网和信息技术的发展，目前微课这种教学手段已广泛应用于线上教学。针对“信号与系统”课程的特点，在教学中应用微课，既能帮助学生拓宽视野、补充知识，又能满足学生对知识点个性化需求，提高学习效果。同时，通过微课的制作，客观上也加深了教师对教材的理解和把握，提高了教师对现代化教学手段的应用能力和教学水平的提高。对于在教学过程中如何具体应用微课，主要应考虑两方面的问题：一是在传统教学的3个环节中如何应用，二是在线上线下教学过程中如何应用。另外，在教学中应用微课，还要考虑到微课的应用原则、微课内容的选择、教学思路的设计及与课堂教学的配合等细节性和具体操作的问题。

1.3 线上线下混合式微课教学模式

将传统教学与线上线上混合式微课的课程模式有机结合，发挥各自优势培养应用型人才，已成为当前课程建设中的主流趋势。在教学过程中根据实际情况进行适当调整，理论与实践相结合，即可以形成“信号与系统”课程教学的良性循环及长久机制[9]。对于微课，要以重要知识点为单位、以工程实践为主题或以课程思政为专题进行制作，根据实际教学需要，将微课重点应用于课后线上教学过程，适当应用于课堂现场教学中。另外，还要重点建立评价与反馈机制，用来实时监督及分析评价微课的教学效果，以促进“信号与系统”微课程教学及线上线下混合式教学的长期有效发展。

下面介绍梧州学院“信号与系统”课程具体的教学模式和实施方案，首先进行教材分析和重要知识点分解等理论层面的工作，与此同时逐步进行硬件方面的建设工作，主要包括微课制作(硬件准备)和网上教学平台建设工作。另外，尽量将本研究实施过程与实际教学过程相整合，以教学进度引领研究进度，在实践中检验教学改革的效果以便及时进行改进。基于微课的“信号与系统”课程线上线下混合式教学设计流程见图1。

图1 基于微课的“信号与系统”课程线上线下混合式教学设计流程

2 “信号与系统”课程线上线下混合式微课教学改革实践

电子与信息工程学院的“信号与系统”课程建设工作始于2004年(广西大学梧州分校)时期，2006年春电子信息工程专业开设本课程，2010年春电子科学与技术本科专业开设本课程，2015年春通信工程专业开设本课程，课程建设与发展延续至今，多年来从未间断，并且取得了初步的课程建设工作成果。2019年12月，进行了“信号与系统”课程广西区一流课程的申报工作，在此过程中进行了大量的前期准备工作，课程资源建设主要包括已初具规模的教材(讲义)，辅助教学课件，教学视频(北京交通大学国家精品课)，教学习题库、硬件调试实验室，虚拟仿真实验室、网上仿真平台，校内外实习实训基地等多方面的建设成果。其中信号与系统实验室、通信虚拟仿真实验室及网上虚拟仿真实验平台已进行了长时间的运行，并取得了较好的效果。针对建设及申报区级乃至国家级的一流课程工作的要求，“信号与系统”课程在说课视频、教学设计、教学日历、学生的学期测验、学生成绩分布统计、学生在线学习数据、教师的课程教案、学生评教结果统计及教学(课堂或实践)实录视频做了大量的教学实践及软硬件设备材料的收集整理准备工作。另外，在课程思政方面，也做了“信号与系统”课的相应工作，特别在让课程思政内容进入课堂方面也有取得了一些初步的成绩。

对于微课小视频，目前主要采用智慧教室、录屏及网上剪辑的方式进行小视频的制作，制作微课小视频需要做大量的前期准备工作，首先进行知识模块的分解(图2)和重要知识点的内容挑选，然后是典型工程应用方面的内容，第三是例题讲解，第四是课程思政的内容(图3)。

图2 信号与系统知识模块分解

完成上述工作之后，就是对上述4个方面内容进行多媒体PPT课件的制作，这一步骤非常重要，这是为后期的知识点及工程应用小视频制作做好充足的准备。然后最核心的工作就是进行微课小视频的制作，剪辑完成之后，就可以上传网络平台供学生使用。具体操作流程见图3。

图3 微课的制作过程

另外，对于微课的制作，要考虑将其应用于线上还是线下教学，应用于课堂教学还是课后学习过程。我们将应用于课堂教学的微课主要以抽象知识点和课程思政为主，并且微课的时长较短，因为这样更适用于课堂教学中的抽象知识以及时间紧张的课堂教学环境。而对于课后的线上教学，微课就以重点知识、难点知识、例题讲解及工程应用为主，这些微课视频或音频时长可以稍长。

本研究以连续时间信号的时域抽样定理为例，探讨“信号与系统”课程线上线下混合式微课教学的应用。关键教学设计步骤见表1。

表1 连续时间信号的时域抽样定理主要教学设计过程

以上教学设计中对于微课的应用，主要体现在2个方面：一是在课堂教学过程中应用线下微课视频，本节课主要应用了2个小视频：一个是数字技术中的虚拟现实(VR)技术，另一个是杭州智慧城市的宣传片，借这2个微课视频激发学生的学习兴趣。另外，关于课后学生对于微课的应用，主要体现在线上，本节课主要设计了2个习题详解的录屏视频。由于课堂教学时间紧凑，对于课堂教学中线下微课视频要求时长不宜过长，大约3 min。而对于课后的线上微课视频时长可适当延长，但最长不宜超过15 min。对于课程思政，本节课主要通过VR技术和智慧城市的微课视频、奈奎斯特生平和研究成果、模数及数模转换器应用、国家芯片制造状况的介绍进行穿插引入，特别是微课视频中的课程思政元素，更能起到润物无声的作用。由以上教学实例可知，“信号与系统”课程线上线下混合式微课教学要根据实际教学内容进行设计，其主要目标是激发学生学习兴趣、科研精神及家国情怀以及自主学习的意愿。

在“信号与系统”建设广西区一流课程的过程中，在已取得的网络课程建设成效的基础上，充分考虑微课在课堂内外的运用，结合线上线下混合式教学的特点，对课下微课自学内容及课堂活动进行精心设计，充分利用网络技术建立反馈机制，采用线上线下混合式微课教学进行课程建设，将传统教学与“互联网+”微课模式充分结合，在近两年的课程教学改革中取得了初步的成效，通过用电子与信息工程学院2017级通信工程及电子科学与技术2个班级学生的“信号与系统”课程总成绩，与2018级同样专业的2个班的该门课程成绩进行对比，可以粗略了解一下线上线下混合式微课教学的改革效果。由于这2个年级的学生正好处于教学改革前后过度期，所以在一定程度上能够反映教学改革的状况。如图4和图5中的成绩分布可知，2018级实行线上线下混合式微课教学的2个班级的学习成绩比2017级有明显的提升。由此可见，传统教学与互联网及微课相整合的教学改革，在一定程度上能够促进教学效果的提升。

图4 采用线上线上混合式微课教学的课程成绩分布 图5 教学改革前的课程成绩分布

3 结语

综上，线上线下混合式微课教学是网络时代新型的教学手段，也是对传统课堂教学的有效补充方式，将微课教学与线上线下混合式教学相结合，改革教学手段和教学模式，有效解决了“信号与系统”课程内容多与学时少的矛盾，能够帮助学生深入理解教学中相关概念和理论，在提高教学质量的同时也能提高教学效率。另一方面，网络微课教学也能激发学生的学习兴趣，有助于学生合理利用碎片时间，充分发挥学生学习的主观能动性。总之，基于网络的微课教学能够体现以学生为主体、以培养能力为目标的教育教学创新理念。