信號與系統(tǒng)課程線上線下混合式微課教學的研究與實踐
——以梧州學院為例

郭鐵梁，王奎奎，孫 雪，李炳槐

(梧州學院 電子與信息工程學院，廣西 梧州 543002)

2019年教育部關于一流本科課程建設的實施意見指出，高校要全面開展一流本科課程建設工作，樹立一流課程建設新理念，推進課程建設創(chuàng)新改革，實施科學的課程評價體系，嚴格加強課程管理，逐步形成以質量為導向的課程建設激勵機制，形成多樣化、多類型的教學內容與課程體系[1]。另外，推動課程思政，構建全員全程全方位育人大格局，確立以學生為中心、以產出為導向、不斷持續(xù)改進，提升課程高階性，突出課程創(chuàng)新性，增加課程挑戰(zhàn)度，已成為廣泛共識的教育教學新標準[2]。“信號與系統(tǒng)”課程是電子信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課，可以使學生掌握“信號與系統(tǒng)”的基本知識，初步形成一定的學習能力和課程實踐能力。該課程要求學生在具備扎實的高等數(shù)學、線性代數(shù)等基本數(shù)學理論的同時，還需掌握電路理論等專業(yè)基礎知識。對于學生來說，該課程教學內容豐富，涉及的數(shù)學理論及課后習題作業(yè)多且復雜，全面掌握、融會貫通較難[3]。這些問題在線上線下混合教學過程中，如果將教學視頻簡單搬到網上，學生在課堂上依然存在注意力不集中、易疲憊的現(xiàn)象，從而使上述問題依然得不到更好地解決。如果在線上線下混合式教學過程中適當采用微課的形式，以知識點為單位，或者以工程應用及課程思政為主題制作小視頻或錄屏音頻，這樣學生就可以針對自己的實際情況，不但可以提高課堂上的學習效率，而且課后可以在線上隨時隨地有選擇性地學習，這樣就能解決一次性教學內容過多、教師集中式連續(xù)教學，學生難以接受的問題。微課(Micro-course)是微課程的簡述，2008 年美國新墨西哥州胡安學院教師David.Penrose正式提出微課，“微課以在線或移動學習為目的，以短音頻或短視頻為載體來錄制課程，使得學生能隨時隨地的學習”[4]。2012 年 9 月教育部組織了第一屆中國微課大賽，標志著微課在我國開始傳播[5]。“信號與系統(tǒng)”微課程的相關文獻最早見于2015年[6]，最初只是簡單制作教學視頻，隨著線上教學的發(fā)展，對于“信號與系統(tǒng)”課程來說，微課與線上線下混合式教學進行整合已成為一種必然發(fā)展趨勢，并且微課對于線上線下混合式課程建設也會起到重要的促進作用。近年來，隨著信息技術的迅速發(fā)展，互聯(lián)網對教育教學產生了深刻的影響。上述2019年教育部關于一流本科課程建設的實施意見中，還進一步提出實施一流本科課程“雙萬計劃”，決定開展國家級線下一流課程、國家級線上線下混合式一流課程和國家級社會實踐一流課程推薦認定工作。其中，線上線下混合式課程成為課程建設工作的熱點，經過近兩年的改革實踐，不論教學一線教師還是教育研究者，以及教育機構和政府教育部門，都已基本達成共識：線上線下混合式教學將成為未來教育的“新常態(tài)”[7]。與其他傳統(tǒng)的專業(yè)基礎課程相類似，“信號與系統(tǒng)”課程的線上線下混合式教學，將整個教學過程規(guī)劃為課前預習、課堂重點教學、課后作業(yè)提高3個環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)都需要教師進行主導設計，由學生配合完成相關知識內容的學習。另外，微課能以明確的知識點為主要內容，以短視頻為主要載體，對傳統(tǒng)課堂教學進行有效補充。

針對線上線下混合式教學和微課教學的特點，將微課有機融入混合式教學的3個環(huán)節(jié)中，正是本研究的重點內容。在“互聯(lián)網+”的時代背景下，以“信號與系統(tǒng)”一流課程建設為契機，進行線上線下混合式微課教學的設計研究與改革，不但能夠有效解決“信號與系統(tǒng)”課程現(xiàn)實教學中存在的問題，而且在促進學生有效自主學習、促進教師提高專業(yè)水平，以及在促進教育自身發(fā)展的高階層面上具有重大意義。

1 “信號與系統(tǒng)”課程線上線下混合式微課教學模式

結合梧州學院電子與信息工程學院的學科專業(yè)實際，為展現(xiàn)課程建設及教學特色，“信號與系統(tǒng)”課程以培養(yǎng)電子信息技術領域的應用型人才為目標，重視理論與實踐相結合的教學過程，以工程應用為大背景進行教學內容和教學方法的改革。教學方式采用傳統(tǒng)與現(xiàn)代相結合，線上線下混合，課內課外相配合，將課程思政和雙語教學有機融入到教學設計中，使學生在課堂上不僅能夠學會“信號與系統(tǒng)”的理論知識和實踐知識，而且能夠體會到這門課程中隱含的科學精神、社會文化價值和家國情懷。

1.1 線上線下混合式教學的應用

由于傳統(tǒng)的線下教學包括課前預習、課堂教學及課后復習3個環(huán)節(jié)，所以線上教學也應通過適當?shù)慕虒W設計合理融入這3個教學環(huán)節(jié)中。首先是課前預習，教師應根據(jù)教學進度及教學內容在線上布置預習作業(yè)；然后在課堂教學過程中對學生的預習情況進行檢查，為學生的課前學習情況提供反饋，同時課堂上適當應用線上教學可以提升教學質量和效率；最后是課后作業(yè)及復習的教學環(huán)節(jié)，這一教學環(huán)節(jié)的線上教學需要整合大量的線上線下資源，也是線上線下混合式教學中最重要的環(huán)節(jié)之一。這就要求教師要重點建立測試題(包括試題解答)的評價與反饋機制，用來實時監(jiān)督及分析評價教學效果，以促進線上線下混合式教學的長期有效發(fā)展。以上各教學環(huán)節(jié)中，關鍵問題主要包括線上網上教學平臺的建設工作，線下課程教學過程的規(guī)范化及改進，重要知識點的分解，典型例題的設計，工程實踐的挖掘，微課的制作，Matlab仿真程序設計，課程思政內容的融入，各種教學資源及測試題的網上平臺應用等。

1.2 微課教學的應用

微課的主要形式是小型視頻或音頻，是針對教學內容的重點、難點，或針對教學活動、實驗、專題等教學環(huán)節(jié)，而設計開發(fā)的支持多種學習方式的一種情景化新型視頻課程。它的主要特征可概括為“主題突出、短小精悍、交互性好、應用面廣”[8]。微課最初應用于線下教學，隨著互聯(lián)網和信息技術的發(fā)展，目前微課這種教學手段已廣泛應用于線上教學。針對“信號與系統(tǒng)”課程的特點，在教學中應用微課，既能幫助學生拓寬視野、補充知識，又能滿足學生對知識點個性化需求，提高學習效果。同時，通過微課的制作，客觀上也加深了教師對教材的理解和把握，提高了教師對現(xiàn)代化教學手段的應用能力和教學水平的提高。對于在教學過程中如何具體應用微課，主要應考慮兩方面的問題：一是在傳統(tǒng)教學的3個環(huán)節(jié)中如何應用，二是在線上線下教學過程中如何應用。另外，在教學中應用微課，還要考慮到微課的應用原則、微課內容的選擇、教學思路的設計及與課堂教學的配合等細節(jié)性和具體操作的問題。

1.3 線上線下混合式微課教學模式

將傳統(tǒng)教學與線上線上混合式微課的課程模式有機結合，發(fā)揮各自優(yōu)勢培養(yǎng)應用型人才，已成為當前課程建設中的主流趨勢。在教學過程中根據(jù)實際情況進行適當調整，理論與實踐相結合，即可以形成“信號與系統(tǒng)”課程教學的良性循環(huán)及長久機制[9]。對于微課，要以重要知識點為單位、以工程實踐為主題或以課程思政為專題進行制作，根據(jù)實際教學需要，將微課重點應用于課后線上教學過程，適當應用于課堂現(xiàn)場教學中。另外，還要重點建立評價與反饋機制，用來實時監(jiān)督及分析評價微課的教學效果，以促進“信號與系統(tǒng)”微課程教學及線上線下混合式教學的長期有效發(fā)展。

下面介紹梧州學院“信號與系統(tǒng)”課程具體的教學模式和實施方案，首先進行教材分析和重要知識點分解等理論層面的工作，與此同時逐步進行硬件方面的建設工作，主要包括微課制作(硬件準備)和網上教學平臺建設工作。另外，盡量將本研究實施過程與實際教學過程相整合，以教學進度引領研究進度，在實踐中檢驗教學改革的效果以便及時進行改進。基于微課的“信號與系統(tǒng)”課程線上線下混合式教學設計流程見圖1。

圖1 基于微課的“信號與系統(tǒng)”課程線上線下混合式教學設計流程

2 “信號與系統(tǒng)”課程線上線下混合式微課教學改革實踐

電子與信息工程學院的“信號與系統(tǒng)”課程建設工作始于2004年(廣西大學梧州分校)時期，2006年春電子信息工程專業(yè)開設本課程，2010年春電子科學與技術本科專業(yè)開設本課程，2015年春通信工程專業(yè)開設本課程，課程建設與發(fā)展延續(xù)至今，多年來從未間斷，并且取得了初步的課程建設工作成果。2019年12月，進行了“信號與系統(tǒng)”課程廣西區(qū)一流課程的申報工作，在此過程中進行了大量的前期準備工作，課程資源建設主要包括已初具規(guī)模的教材(講義)，輔助教學課件，教學視頻(北京交通大學國家精品課)，教學習題庫、硬件調試實驗室，虛擬仿真實驗室、網上仿真平臺，校內外實習實訓基地等多方面的建設成果。其中信號與系統(tǒng)實驗室、通信虛擬仿真實驗室及網上虛擬仿真實驗平臺已進行了長時間的運行，并取得了較好的效果。針對建設及申報區(qū)級乃至國家級的一流課程工作的要求，“信號與系統(tǒng)”課程在說課視頻、教學設計、教學日歷、學生的學期測驗、學生成績分布統(tǒng)計、學生在線學習數(shù)據(jù)、教師的課程教案、學生評教結果統(tǒng)計及教學(課堂或實踐)實錄視頻做了大量的教學實踐及軟硬件設備材料的收集整理準備工作。另外，在課程思政方面，也做了“信號與系統(tǒng)”課的相應工作，特別在讓課程思政內容進入課堂方面也有取得了一些初步的成績。

對于微課小視頻，目前主要采用智慧教室、錄屏及網上剪輯的方式進行小視頻的制作，制作微課小視頻需要做大量的前期準備工作，首先進行知識模塊的分解(圖2)和重要知識點的內容挑選，然后是典型工程應用方面的內容，第三是例題講解，第四是課程思政的內容(圖3)。

圖2 信號與系統(tǒng)知識模塊分解

完成上述工作之后，就是對上述4個方面內容進行多媒體PPT課件的制作，這一步驟非常重要，這是為后期的知識點及工程應用小視頻制作做好充足的準備。然后最核心的工作就是進行微課小視頻的制作，剪輯完成之后，就可以上傳網絡平臺供學生使用。具體操作流程見圖3。

圖3 微課的制作過程

另外，對于微課的制作，要考慮將其應用于線上還是線下教學，應用于課堂教學還是課后學習過程。我們將應用于課堂教學的微課主要以抽象知識點和課程思政為主，并且微課的時長較短，因為這樣更適用于課堂教學中的抽象知識以及時間緊張的課堂教學環(huán)境。而對于課后的線上教學，微課就以重點知識、難點知識、例題講解及工程應用為主，這些微課視頻或音頻時長可以稍長。

本研究以連續(xù)時間信號的時域抽樣定理為例，探討“信號與系統(tǒng)”課程線上線下混合式微課教學的應用。關鍵教學設計步驟見表1。

表1 連續(xù)時間信號的時域抽樣定理主要教學設計過程

以上教學設計中對于微課的應用，主要體現(xiàn)在2個方面：一是在課堂教學過程中應用線下微課視頻，本節(jié)課主要應用了2個小視頻：一個是數(shù)字技術中的虛擬現(xiàn)實(VR)技術，另一個是杭州智慧城市的宣傳片，借這2個微課視頻激發(fā)學生的學習興趣。另外，關于課后學生對于微課的應用，主要體現(xiàn)在線上，本節(jié)課主要設計了2個習題詳解的錄屏視頻。由于課堂教學時間緊湊，對于課堂教學中線下微課視頻要求時長不宜過長，大約3 min。而對于課后的線上微課視頻時長可適當延長，但最長不宜超過15 min。對于課程思政，本節(jié)課主要通過VR技術和智慧城市的微課視頻、奈奎斯特生平和研究成果、模數(shù)及數(shù)模轉換器應用、國家芯片制造狀況的介紹進行穿插引入，特別是微課視頻中的課程思政元素，更能起到潤物無聲的作用。由以上教學實例可知，“信號與系統(tǒng)”課程線上線下混合式微課教學要根據(jù)實際教學內容進行設計，其主要目標是激發(fā)學生學習興趣、科研精神及家國情懷以及自主學習的意愿。

在“信號與系統(tǒng)”建設廣西區(qū)一流課程的過程中，在已取得的網絡課程建設成效的基礎上，充分考慮微課在課堂內外的運用，結合線上線下混合式教學的特點，對課下微課自學內容及課堂活動進行精心設計，充分利用網絡技術建立反饋機制，采用線上線下混合式微課教學進行課程建設，將傳統(tǒng)教學與“互聯(lián)網+”微課模式充分結合，在近兩年的課程教學改革中取得了初步的成效，通過用電子與信息工程學院2017級通信工程及電子科學與技術2個班級學生的“信號與系統(tǒng)”課程總成績，與2018級同樣專業(yè)的2個班的該門課程成績進行對比，可以粗略了解一下線上線下混合式微課教學的改革效果。由于這2個年級的學生正好處于教學改革前后過度期，所以在一定程度上能夠反映教學改革的狀況。如圖4和圖5中的成績分布可知，2018級實行線上線下混合式微課教學的2個班級的學習成績比2017級有明顯的提升。由此可見，傳統(tǒng)教學與互聯(lián)網及微課相整合的教學改革，在一定程度上能夠促進教學效果的提升。

圖4 采用線上線上混合式微課教學的課程成績分布 圖5 教學改革前的課程成績分布

3 結語

綜上，線上線下混合式微課教學是網絡時代新型的教學手段，也是對傳統(tǒng)課堂教學的有效補充方式，將微課教學與線上線下混合式教學相結合，改革教學手段和教學模式，有效解決了“信號與系統(tǒng)”課程內容多與學時少的矛盾，能夠幫助學生深入理解教學中相關概念和理論，在提高教學質量的同時也能提高教學效率。另一方面，網絡微課教學也能激發(fā)學生的學習興趣，有助于學生合理利用碎片時間，充分發(fā)揮學生學習的主觀能動性。總之，基于網絡的微課教學能夠體現(xiàn)以學生為主體、以培養(yǎng)能力為目標的教育教學創(chuàng)新理念。