多平臺多維度生物醫學工程實驗課程遠程教學實踐①

王晶 徐銀冬 王昱然 樊建慧＊

(1.大連醫科大學基礎醫學院 遼寧大連 116044；2.大連市友誼醫院中醫康復科 遼寧大連 116001)

生物醫學工程信號處理類實驗課程作為生物醫學工程學科的基礎專業課程，在此專業的學習中占據十分重要的地位。其實驗即圍繞教材中的基本內容，在Matlab等數學仿真類軟件的環境下，進行相關處理，從而對學生的規范性、鉆研性與創新性思維進行培育[1]。但由于某些特殊情況（如成人教育等），教師無法如以往開展課堂授課、與學生面對面進行討論，于是，使用多媒體平臺進行遠程網絡授課的方式開始完全普及。由于生物醫學信號處理類實驗課程操作性較強，需要從網絡平臺中進行信息反饋，但各種網絡教學平臺各具功能與特色，哪種平臺線上授課方式可以幫助學生們更好地理解、操作實驗成為一大難題。因此，結合多種線上教學平臺進行遠程授課，權衡利弊變得尤為重要[2]。

1 遠程教學現狀

圖1 教學內容概覽

線上學習常被運用與線下授課相結合，這是因為利用網絡能極大程度地增加學生在單位時間內所學習的內容，且可根據網絡媒介的可回放性，幫助學生較為系統、徹底地理解掌握知識信息，降低了知識獲取的復雜度；同時通過課后的鞏固，充分傳達教學目的[3]。

某些特殊情況下，網絡教學承擔了線下教學授課與線上復習學習的雙重任務。

2 實踐目的

生物醫學信號處理類課程實驗作為操作性強的實驗課程，僅僅通過教師網絡平臺遠程授課是遠遠不夠的，還需要遠程操作進行授課[4]；因此，結合各種網絡教學平臺，根據各平臺不同的功能、特色，權衡利弊，選擇最適合學生的多平臺結合遠程教學方式，幫助學生們更好地理解實驗，為生物醫學信號處理類課程的理論學習鞏固基礎，提升學生們的專業技能[5]。

3 實踐方法

在生物醫學信號處理類課程的學習過程中，通過Matlab軟件的實踐，使理論與實踐相結合，可以促進學生們更好地理解、鞏固和運用所學知識[6]，并在日后的學習與研究中積累基礎經驗，夯實基礎。《綜合課程設計III》實踐課程共計九章，36學時，結合多平臺遠程課堂教學，將其應用于生物醫學工程專業二年級下學期的教學中。

3.1 實踐對象

本次實踐對象為大連醫科大學本科二年級生物醫學工程專業。授課時間為2020年春季學期，用時 9 周。

3.2 平臺及其功能

本實踐使用云班課（北京智啟藍墨信息技術有限公司）進行課前簽到，促使同學們形成按時學習的良好習慣，同時，老師可以較好地了解同學們出缺席情況。另外，課后作業提交的方式也五花八門，可以讓學生們在掌握課堂知識的同時，增加知識的趣味性。

本實踐將雨課堂（由清華大學在線教育辦公室聯合學堂在線平臺研發）作為核心授課平臺：錄播有聲課件、上傳預習視頻供學生預習；進行彈幕交流形式的直播課，進行隨堂小試，發布課后作業公告、上傳課前預習、課后復習資料。

圖3 講解同學的實驗操作成果

圖4 雨課堂發布課堂小測

圖5 使用云班課發布作業

由于雨課堂直播不能與學生進行語音交流，通過QQ直播（深圳市騰訊計算機系統有限公司）的形式，課上問題講解與課后答疑則，直觀傳遞信息給學生。

另外，由于網絡遠程授課的不可見因素，定期進行在線考試，以便了解學生們對知識的掌握程度。此形式在融智云考題庫（北京融智云創軟件有限公司）上進行。

4種網絡教學平臺進行綜合線上遠程教學，采用在線與離線學習緊密結合的方式，極大限度地增加了授課的便捷性與系統性。

3.3 遠程教學實踐

生物醫學信號處理類課程實驗的計算機環境為Matlab，這是一款致力于算法開發、數據可視化與分析、數值計算的高級技術計算語言和交互式環境的一款數學軟件，目前在發達國家的大學教育和科研領域中常常作為一個不可缺少的重要計算機工具。現如今，國內也有越來越多的理工院校已或正在把Matlab作為工程相關學科計算機數據分析、輔助設計和教育教學專用[7]。此次實踐教學目的是使學生通過Matlab掌握基于信號分析、LIT系統分析及數字信號處理的基本分析方法。

教學安排分為遠程授課實踐、自由操作、問題答疑、知識檢測、課后復習五部分。其中遠程授課與問題答疑部分主要在雨課堂、QQ直播進行，課后習題部分在云班課進行，知識檢測則使用雨課堂和融智云考題庫。共計 36 學時，9 周次進行網絡遠程教學，具體教學內容安排如下。

(1)課前簽到：云班課開設簽到活動，了解學生們的出席情況。

(2)遠程理論講解：雨課堂發布有聲課件，供學生學習，且可以回放，便于學生們充分進行課前預習，從而減少因教材缺乏等原因引起的預習困難，并緩解實驗學習的壓力。

(3)遠程實驗講解：通過QQ直播的方式，引導學生們使用Matlab軟件進行實驗。

(4)自由操作：學生使用Matlab進行自由操作，對剛學到的內容加以實踐。在學生遇到操作困難時，可邀請老師使用QQ平臺遠程控制桌面，及時解決因距離造成的溝通不暢等問題。

(5)隨堂知識檢測：在雨課堂平臺發布隨堂檢測試題，牢固知識點。設置答題時限，督促學生認真完成遠程學習，避免互相抄襲。

(6)問題答疑：經學生反饋，搜集疑難，統一通過QQ直播形式進行解答。

(7)課后復習：通過雨課堂平臺發布課后作業與實驗報告等一系列任務，并通過云班課進行成果驗收，批改。

圖6 生物醫學工程專業成績統計

表1 學生學習意愿統計

(8)在線考試：為更好了解學生對知識的掌握情況，定期利用融智云考題庫平臺進行期中、期末在線考試。

3.4 教學實例

以《連續時間信號在 matlab 中的運算》實驗為實例。

本次實驗目的為：學會運用Matlab進行連續時間信號的時移、反褶、尺度變換；連續時間信號相加、相乘運算；計算連續時間信號微分、積分；計算兩個連續時間信號的卷積運算。其中卷積運算是連續時間信號中一種重要的運算，與今后著重學習的傅里葉變換有著密切的關系；單位沖激信號就可以實現標識復雜信號的功能，通過推導和演變，引出卷積積分的定義式。在實際操作中，可以根據Matlab中符號運算函數與運算工具箱的強大功能，計算積分、求導與卷積等功能。本次實驗的教學內容豐富，教學方法流程圖如圖1所示。

3.4.1 遠程實踐

根據實驗要求，使用雨課堂進行連續時間信號運算理論的講解，配合有聲可回放課件，讓講解的方式形象生動，內容簡明扼要。有聲課件講解如圖 2所示。隨后，使用QQ直播進行實驗操作講解。

3.4.2 學生操作

熟習基本操作后，接下來，由學生自主進行Matlab操作實驗。其中分為兩步，分別是隨機分組討論與隨機點名講解。隨機分組討論：將學號順序打亂，并隨機分成3組，進行遠程討論Matlab實驗；隨機點名講解：在自主操作前進行隨機點名，被點到的學生進行準備，在分組討論操作后進行講解匯報。學生匯報操作具體成果如圖3所示。

3.4.3 知識檢測

知識檢測主要以隨堂小測驗為主，使用雨課堂發布小測驗，對學生本堂課學到的知識做系統檢測，并分析，搜集疑難，如圖4所示。

3.4.4 問題答疑

搜集學生理論與操作上的種種問題與疑惑，進行統一解答。使用QQ直播，界面簡潔清晰，方便觀看學習。

3.4.5 課后復習

布置藍墨云班課作業任務給學生，以實驗報告成績評定及學生實驗思考來觀察教學效果，如圖5所示。

4 教學成果

在多平臺網絡遠程授課實踐中，通過幾周授課講解發現，相較于傳統的線下教學方式或單一平臺遠程授課的乏味枯燥，多平臺網絡授課則可以更好地激發學生學習興趣，發掘學生潛力，讓老師更好地了解每個學生的學習狀態[8]。通過云班課后臺數據統計，在實踐班中，平均課后作業成績7.6/10分，其中不乏有成績在9分及以上的同學，說明此種遠程授課方式的授課學生掌握情況良好，即使是Matlab零基礎的同學，也可以輕松通過遠程授課的方式熟練掌握該軟件及在生物醫學信號處理類課程中的應用。具體教學成績如圖6。

5 教學效果

5.1 學生意向調查

本次實踐邀請本科二年級生物醫學工程班的同學們進行授課方式與興趣的調查，共有27人參與此次調查。根據參考文獻[9]，設計如下問題：（1）當前的多平臺遠程授課的學習效果與傳統線下授課效果相比，那種方式較好？（2）哪種授課的學時、內容、課后作業可以適當增加？（3）哪種授課形式更有助于提高了學習興趣？（4）你更喜歡哪一種授課方式？

5.2 調查結果

具體調查統計結果如表1所示。

6 實踐結論

本實踐根據課程重點和學生特點及知識點的掌握情況，將每個課程具體教學方案細化，通過雨課堂、云班課、QQ直播、融智云考題庫等多平臺輔助完成教學任務。由于遠程課程實驗不受時間和空間的限制，可彌補由于某些原因在家學習而引發的溝通不暢等種種缺點。實踐通過合理設置教學時數，完善教學計劃，以保證學生的聽課質量與知識點掌握。遠程實踐授課配合電子教材、視頻等資源，更能激發起學生興趣，開拓學生的創造性思維。另外，遠程授課提供了學生充足的自我學習、自由討論、自主操作實踐的時間，加深學生對知識的系統理解、熟練掌握與靈活運用。最后由隨堂小測與課后作業檢驗學生學習情況。實踐后的調查結果顯示，相較于普通課堂，線上課堂更能使學生們積極主動參與課堂內容并應用于Matlab軟件操作。這表明多平臺結合遠程授課方式，讓學生的學習動力、動手能力得到加強，對信號與系統基礎知識及matlab的基本操作掌握更加牢固。同時，這種遠程授課方式也促進多學科課程和實驗教學的現代化，遠程線上實驗教學與其線上線下結合教學的拓展必將成為今后教育發展的主流。