线上线下混合式教学柔性实施策略研究——以“数字信号处理”课程为例

王晓莉，陈分雄

（中国地质大学〔武汉〕 机电学院，湖北 武汉 430074）

引言

由于特殊情况对各行各业产生了影响，对高校教学更是产生了严重冲击，全程线上教学是当时严峻形势下的被动选择，但是对于广大教师而言却是一次宝贵的教学实践。近两年，有些地区实施线上教学，另外有一些高校，则要求同时实施线上和线下教学，以兼顾因特殊时期不能如期返校的学生。可以说，特殊时期背景下，不仅需要实施混合式教学，而且要求线上线下的教学模式具有柔性调整的能力，以适应不同形势下的教学需求，提升课程教学的效果，达到人才培养的目标。本文以“数字信号处理”课程为例，针对课程特点和培养目标，探讨其线上线下混合式教学的柔性实施模式，为相关的教学改革与实践提供借鉴。

一、“数字信号处理”课程性质和教学目标

数字信号处理是影响现代科学研究与技术发展的最重要的成果，随着计算机技术的发展而不断地发展完善，被应用于各个现代化尖端领域［1］。“数字信号处理”课程因其重要性，受到了国内外理工科院校的普遍重视，已经成为本科高年级或硕士低年级的必修课程或优选课程，是培养高素质人才的基础课程。与此同时，国内外理工科院校开设“数字信号处理”课程成为普遍现象。该课程有如下特点。（1）基础性：课程要求学生有较好的数学基础，以“信号与系统”为先修课程，并与信息处理类的其他课程如“数字图像处理”“通信原理”等课程密切相关。（2）理论性：课程具有完整严密的理论体系，在离散化和系统化的概念、方法、原理的框架上，采用抽象的数学符号进行内容的诠释和推导。（3）工程性：是科学研究与工程实践中共性问题的总结，能解决工程实际中的相关问题，在各个领域，如航空航天、国防军事、工业生产、地质勘探、消费电子等领域有着广泛的应用价值［2-3］。

课程教学目标在总体上既需要进行课程的理论学习，同时还要求能够进行算法仿真和系统设计，进而进行工程实际运用的延伸，要求能够运用课程理论和方法初步解决相关工程问题。这门课程的教学目标可以分类为思政、知识、能力、素质四个方面。（1）思政目标：将思政元素贯穿于课程学习当中，通过课程学习使学生了解课程方法在各个领域的应用，正视该学科国内外研究差距，培养专业责任感和家国情怀，把个人奋斗同国家民族复兴的伟大目标结合起来［4］。（2）知识目标：通过课堂教学，理论上要求学生深刻理解“数字信号处理”的相关理论、概念和分析方法，建立课程的理论体系框架，基本内容包括离散信号和系统，信号和系统的时域、频域及复域分析方法，离散傅里叶变换及快速傅里叶变换，数字滤波器的分析和设计。（3）工程目标：通过课堂教学及上机实验，综合课程设计，使学生能掌握课程的工程设计方法和实验研究方法，能够运用理论解决实际问题。（4）素质目标：引导学生树立科学的世界观，培养学生严谨求实的科学态度，鼓励学生追求真知，勇于创新。

二、线上和线下教学特点分析

单纯的线上或者线下教学各具特点和优势。作为传统的教学模式，在教室环境中进行面对面的线下教学，在教学效果和教学效率上，具有线上教学难以比拟的优势。线下教学最重要的一个特征就是上课本身是一项具有仪式感的活动，教师和学生在线下的教室环境中更容易全程投入，共同完成教学活动。线下教学具有集体学习的氛围，师生之间、生生之间在学习过程中思维能够相互启发。教师视角能够及时地捕捉学生的学习状态，实时进行督促和激发，以达到良好的课堂教学效果。

线上的教学方案是伴随互联网而产生的一种教学模式，线上教学能够打破空间的局限，扩展教育的边界。近年来，随着网络技术的提升及移动互联网的兴起，线上教学的功能也随之扩充，开始出现直播、录播，以及在线布置作业、测试、小组讨论等功能，也极大提高了教学组织的效率。线上平台具备超强的数据统计功能，从课堂的实时数据统计到课后客观的数据分析，对于教师组织教学活动极具参考价值。在特殊时期是课程学习的主要手段，在正常情况下则是课程学习的有效补充和得力工具。

混合式教学是依据OBE教学理念［5］，根据课程特点，将线上和线下教学因素进行有机融合，贯穿课程的整个教学过程，争取实现课程教学效果的最大化。

三、“数字信号处理”混合式教学设计

在学习效果最佳的目的驱动下，充分考虑课程的内容特点，依据课程的培养目的和要求，实施线上线下混合式教学，使得基于BOPPPS［6］的教学模式形成真正意义上的完整闭环框架，如图1所示。通过对客观数据的分析，对学生的学习状况，包括课程学习时长、目标达成度及学生对内容的难易感受度等方面进行分析和对比［7］。在此基础上，分析教学过程中存在的问题，并及时调整相关教学模块及课程教学资源，形成课程教学的持续改进。

图1 课程教学的闭环框架

具体的实施环节则是通过在课前、课中、课后的不同阶段将以符合学生学习规律及课程特点的方式合理组织教学内容，主要包括课前导学、课中讲授、课后巩固三个阶段。

1.课前导学。根据教学大纲制定教学计划，梳理教学内容，设置课程章节；依托学习通或者雨课堂建立网络课程，并进行课程资源建设，如建立作业库和试卷库等，方便学生利用碎片化的时间进行学习；导学还应该包含拓展的内容：如课程的发展现状及趋势。

2.课中讲授。以课堂教学为主，将线上平台作为辅助教学手段。讲授内容突出课程内容的理论和概念，根据课程内容及重点和难点精心组织课堂教学，并对学生反馈回来的一些共性问题进行重点讲解。同时充分利用线上平台资源组织互动。

3.课后巩固。课堂讲授的是理论知识，为了检验课堂学习效果，达到巩固知识的目的，在课后可以给学生布置线上或者线下的学习任务，包括习题及发布一些主题讨论，同时也必须安排一定数量的上机作业，要求学生完成实验报告并上传。

四、“数字信号处理”混合式教学的柔性实施策略

根据不同特殊时期形势，不同的教学要求，课程的混合式教学又体现为以下三种不同的实现模式，如图2所示。

图2 混合式教学的具体实现模式

在正常情况下，教师和学生都能到校，一般是采用模式1，其中包含了师生直接面对面的课堂知识传授，具有直观、效率高的优势，同时穿插课堂互动，利用手机进行签到、测试及讨论，线上线下能够优势互补，达到较好的课堂教学效果。模式2则用于教师和大部分学生能够来到课堂，而少部分学生因特殊时期无法正常到校的场合，这种情况下教师仍然能够在教室组织课堂的面授教学，同时在网络端和手机端开通直播，以兼顾不能到场的学生。如果教师和学生均不能到场的话，模式3就是唯一的选择项，在这种情况下，教学活动的各个环节均在线上进行。

对于“数字信号处理”课程来说，课程混合式教学的柔性实现不是简单地将线下内容直接生搬硬套到线上，更不是线上和线下内容的简单拼接，而是强调二者的有机融合，优势互补，并且能够根据实际情况，柔性地进行调整，同时，为应对突发事件，具备授课模式迅速切换的能力。

混合式教学模式之间的切换，对于任课教师来说，是压力更是挑战，不仅要求教师有课程扎实的理论基础，同时还必须能够熟练使用学习通、雨课堂等线上教学平台，在教学实践中不断地积累经验，进而能够进行课程讲授和平台应用的合理组合。一般来说，模式的切换，特别是切换到线上授课，需要在一些环节做出调整，主要体现在以下几点。

1.内容的表达方式进行调整，学生面对电子屏幕时专注力会有所下降，线上授课不适合长时间大篇幅的推导，而“数字信号处理”有完整的理论体系，里面有很多的数学推导和公式证明，理解难度较大，传统教学中，教师常需花费大量时间精力进行公式推导和演算。这种方式如果直接搬移到线上，不管是录屏还是直播，效果会大打折扣。实际上课程中的很多概念有对应的物理含义，教师在进行公式讲解的时候，可以强调其物理意义，进而根据学生不同的专业背景，列举出相关实例。比如旋转机械的振动信号进行傅里叶变换，可以根据变换结果来进行装置的运行监控和故障诊断。通过知识点的应用延伸来提升教学效果。

2.加强仿真环节对于课程教学的辅助作用，网络环境下，每个学生都有个人终端，线上比线下更适合演示编程仿真环节，而“数字信号处理”课程不仅有很强的理论性，还有很强的工程性，理论和实践并重是课程的一个重要特点，实验的仿真编程环节能有效加深学生对于理论知识的理解。比如IIR滤波器的设计，就是一整套完整的方法和公式、图表的直接套用，而FIR滤波器在窗函数的选择对性能的影响上，教师完全可以在线上对照滤波器设计步骤，通过MATLAB仿真编程演示每一个过程，并将结果以数值或者是图形的方式进行清晰展示。

3.增加课堂互动的环节，让学生积极参与课堂互动。线上授课欠缺师生面对面直接的交流和沟通，教师不能实时地把握学生的学习动态，这些可以通过适当地增加线上互动环节来进行弥补，包括手机签到，设计课堂交互的测试和讨论，开放弹幕引导学生进行思考，利用词云进行结论归纳等，吸引学生积极地参与课堂教学，将学生的学习主动性充分地调动起来。

4.课程的评估方式进行相应调整，最后的课程评分需要充分兼顾线上和线下环节，目的是能够客观全面地反映学生对课程的掌握程度，以及评价学生运用课程知识解决问题的能力。在坚持过程评价的基础上，混合式教学的课程评估包括以下四个方面：课程参与度（15%）、作业及随堂测试（25%）、项目及实验（20%）及期末考试（40%）。评分的数据来源包括两部分，一种是线上数据，可以充分利用线上网络平台的一些数据，包括签到率，课堂讨论的参与度，对课程资源浏览总时长，作业问答和测试等学习过程的数据记录，通过对数据的统计和分析形成对课程学习的客观评价。另一种是线下的纸质数据，包括平时的作业和最后的课程考试，需要人工进行统计。当然，如果采用全线上教学，则所用的评分数据均来自线上的课程平台。

结语

在当前的大环境下，结合“数字信号处理”的课程性质和培养目标，本文提出了基于OBE的混合式教学闭环反馈框架，对混合式教学进行分析，并针对具体特殊形式需求的混合式教学柔性实施策略进行了探讨。本文提出的方法，对其他理工科课程建设有很好的参考价值。

主讲教师作为教学过程的设计者，课堂节奏的掌控者，在整个线上线下混合式教学活动中起着至关重要的作用。但是也需要指出的是，教学能否达到预期的目的，还和其他的一些因素相关，比如说进行教室课堂直播时，需要网络畅通，进行线上授课时，需要学生有良好的自律，这需要大学的管理者，相关部门、教师和学生的共同努力。