信號與系統課程混合式教學方法研究

李欣 賈雅瓊 俞斌 王曉麗 任詠梅

摘要：以“信號與系統”課程中的“濾波器”為具體的教學實踐對象，基于智慧樹平臺和雨課堂工具，進行線上、線下相結合的混合式教學方法研究。利用智慧樹平臺完成線上學習和對應章節測驗，通過智慧樹平臺上的討論區實現師生間的及時互動。利用智慧樹平臺可以更加方便地統計線上學習情況的相關數據并進行精準的學情分析，基于此可以進行針對性的線下教學內容設計以壓縮教師的講解時間，留出更多的時間用于“以學生為中心”的翻轉課堂教學，顯著提高了教學效率。

關鍵詞：信號與系統;濾波器;混合式教學;翻轉課堂

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）31-0186-02

隨著信息處理和通信技術的飛速發展，隨之而來的是IT行業的大繁榮，企業對電子信息類專業畢業生的專業素質也提出了更高的要求，同時，隨著多媒體技術的發展，傳統的課堂教學方式已經無法滿足學生的求知需求，這些都是高校的教學工作所面臨的嚴峻挑戰。隨著新冠肺炎疫情的爆發，各大高校都在進行線上教學[1]。混合式教學就是將線上教學和線下教學結合在一起，通過將兩種教學方式的有機結合來取長補短，實現了教學過程從“學生被動接受”到師生互動式的以“學生為中心”的教學范式的轉變，從而達到提升教學效果的目標。基于上述原因，許多的電子信息類專業的高校教師都致力于混合式教學方式的研究[2-4]。

信號與系統作為電子信息類專業的專業核心課程[5]，教學內容主要涵蓋了連續時間系統和離散時間系統的時域和變換域分析，這些內容是后續數字信號處理、高頻通信電子線路等的基礎。該課程中抽象概念多且難理解，涉及復雜的數學計算，因此信號與系統是一門較難的課程。如何合理的利用教學資源和教學手段來提升信號與系統課程的教學效果是一個熱點研究問題。

本文以信號與系統課程中的重要知識點“濾波器”為混合式教學實踐對象，借助雨課堂工具，以本教學團隊老師錄制的智慧樹平臺上的“信號與系統”教學視頻資源，開展線上與線下方式相結合的混合式教學，其中線下教學采用以“學生為主體，教為主導”的翻轉課堂教學模式以提高學生的參與度和學習積極性[6-7]。通過對“濾波器”知識的梳理凝練和合理的教學設計，利用多種信息化教學手段來達到更好的教學效果。

1 教學實施過程

教學過程分為線上和線下兩部分，其實施過程如圖1所示。

線上教學部分如圖1（a）所示。對于學生端，首先讓學生完成智慧樹平臺上的課程視頻的學習，根據教學視頻中的內容完成對應章節的測驗題，并提交本次課的學習筆記，最后完成提問和回復環節，即針對本次課內容提出一些問題，可以是自己不明白的問題也可以是自己認為非常重要的知識，同時針對班上同學的提問要進行選擇性回復。在教師端，教師統計學生的視頻學習情況、測試題完成情況、讀書筆記和提回回答環節的完成情況，并根據學生線上學習的情況進行學情分析，重點分析測試題完成情況和提問回答環節，凝練出學生對本次課程知識點的主要問題，以便有針對性的設計線下教學的內容和課堂測驗題目，同時要提前向學生發布線下課程的分組討論任務。

線下教學部分采用翻轉課堂形式，如圖1（b）所示。讓學生作為課堂的主角，盡量壓縮教師知識點講解的時間，將大部分的教學時間用于對學生的當堂測試和分組展示中。線下課堂中教師的講解內容主要包括對知識點的整體梳理和總結和對線上學習中學生們所遇到的重難點問題。對知識點的整體結構進行梳理和總結可以讓學生更好地構建知識體系，對線上學習中的難點問題進行集中性針對性講解可以大大提高教學效率。教師對知識點的講解結束后立刻利用雨課堂工具向同學推送隨堂測驗題目，及時了解學生的掌握情況。接下來是學生的分組討論，讓學生將課前布置的分組討論主觀題目的完成情況進行上臺講解，臺下的同學可以對臺上的同學進行提問和點評，這種以學生為中心的教學模式可以增加學生的學習主動性和積極性。通過學生自己在臺上講解不僅可以加深學生對知識點的掌握深度，還可以鍛煉學生的表達能力，提高學生的綜合素質。最后，由教師對本次課程進行整體歸納和點評，并利用雨課堂工具布置作業。這種混合式教學可以實現師生間的高效互動，并提升學生的綜合素質。

2 知識點梳理分析

本文以“濾波器”知識點為例來說明混合式教學過程。濾波器的相關內容是后續數字信號處理課程的基礎，對于理解通信系統中的重要組成部分，因此濾波器是信號與系統中的一個重要的知識點。

濾波器以無失真傳輸系統為基礎，實質是一種具有帶寬限制的無失真傳輸系統，因此可從無失真傳輸系統的頻域條件引出理想濾波器的概念，根據不同的帶寬限制將濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻四種基本類型。它們之間有著密切的關系，最基本的是理想低通濾波器，用得最多的是帶通濾波器，因此，本知識點著重講解低通濾波器和帶通濾波器。對于低通濾波器，重點講解低通濾波器的時頻域特性，首先由無失真傳輸系統的低頻帶寬限制得到理想低通濾波器的頻域特性，對頻域特性進行傅里葉反變換得到其時域特性，即其單位沖激響應，再利用單位沖激響應與單位階躍響應之間的關系，得到理想低通濾波器的單位階躍響應。為了進一步理解理想低通濾波器的特性，分析其對矩形脈沖輸入的響應，接著指出其是物理不可實現的，由此引出實際的低通濾波器及其頻域特性及通帶、阻帶和過渡帶等相關概念。這一部分的知識對于后續從抽樣信號中利用低通濾波器來恢復原始連續時間信號是至關重要的。

對于帶通濾波器，首先從無失真傳輸系統得到理想帶通濾波器的頻域特性，利用傅里葉變換的性質與矩形脈沖的傅里葉變換對，對其進行傅里葉反變換得到其時域特性，并指出其物理不可實現性，最后引出實際帶通濾波器及其通帶、阻帶和過渡帶等相關概念。這一部分的知識對于后續調制與解調知識點的基礎，因此要處理好與后續知識的銜接問題。

3 混合式教學方法手段研究

3.1 線上教學方法手段

考慮到本校電子信息類專業的人才培養目標是培養區域性應用型人才，并根據本校學生生源的實際情況，我們并沒有采取網絡上現有的信號與系統課程教學視頻，而是針對本校的具體情況進行了信號與系統教學視頻的錄制。 該視頻放于智慧樹平臺，并配有章節練習題，學生可以在討論區提問和回復，同時教師也可以利用智慧樹網絡平臺進行答疑。依托于智慧樹平臺，任課教師可以對學生的視頻學習情況、章節測試題完成情況、討論區的表現情況等進行精準的管控和數據分析。通過這些數據分析可以準確定位學生的問題，一邊更加有針對性準備線下翻轉課堂的授課內容從而提高教學效率。通過對“濾波器”知識點的線上學習情況的學情分析，發現同學們對濾波器對信號的處理作用和帶通濾波器的時域特性的推導過程不是很理解。

基于上述情況，首先進行線下翻轉課堂中講授內容的組織和安排，首先是對知識點的梳理和歸納并進行知識點整體構架，在此基礎上著重講解濾波器中的系統分析問題和帶通濾波器的內容。隨堂測驗題重點針對濾波器信號處理和帶通濾波器的特性等內容進行設置，并兼顧知識點核心內容。分組展示題目設置為濾波器信號處理相關的內容，讓同學用MATLAB仿真軟件或者實物制作實現一種低通或帶通濾波器，并觀察信號的變化情況。

3.2 線下翻轉課堂教學方法手段

線下課堂采用以“學生為中心”的翻轉課堂，因此盡量將時間分配到學生為主體的活動中，壓縮教師的知識點相關講解的時間。具體安排用10分鐘的時間梳理歸納“濾波器”知識點，并講解線上學習的重難點。緊接著利用10分鐘進行隨堂測試，利用雨課堂工具當堂推送測驗題目，檢驗學生的實際掌握情況，同時開啟彈幕討論功能，這是學生與學生、學生與教師之間無聲的實時互動，并可以充分調動學生的學習積極性和活躍課堂氛圍。接下來的60分鐘用于分組展示。每個小組派出一位代表到臺上講解本組濾波器實現的仿真圖及代碼或電路實物的基本原理、調試及相應的結果分析，其他小組成員可以對臺上同學的講解進行補充說明。分組展示期間，開啟彈幕討論，其他小組的同學可以對臺上的同學進行提問和點評。分組展示完畢后，老師進行整體點評和總結，并利用雨課堂推送本次課程的課后作業。

4 結束語

信號與系統課程是電子信息類專業的核心專業課，在整個課程體系中有著舉足輕重的地位。本文對信號與系統課程的混合式教學展開深入討論，并以“濾波器“知識點為例研究了線上、線下課堂的教學方法，借助智慧樹平臺、雨課堂等信息化教學手段，能更加精準的進行學情分析;開展以”學生為中心“的翻轉課堂教學模式，增強了師生間的互動，優化了課程內容，達到了良好的教學效果。

參考文獻：

[1] 彭鑫，謝文武，朱鵬，等.電子信息類核心課程線上教學模式改革與探索[J].電氣電子教學學報，2021，43（3）：20-23，95.

[2] 賈雅瓊，凌云，譚瑾慧，等.《信號與系統》課程混合式教學改革的探索與實踐——以湖南工學院為例[J].高教學刊，2017（5）：100-101.

[3] 劉秋芳，李春燕.《信號與系統》課程混合式教學改革研究與實踐[J].文存閱刊，2018（1）：132.

[4] 賴欣，朱國瑞，仇芝.“金課”視角下《信號與系統》線上線下混合式教學探索[J].教育現代化，2020，7（52）：5-7，11.

[5] 賴欣，諶海云，顧亞雄.“信號與系統”課程教學改革的探索和實踐[J].中國科技信息，2013（3）：158，160.

[6] 彭靜，李慧娜.基于翻轉課堂的混合式教學模式在信號與系統分析教學中的應用[J].西部素質教育，2019，5（8）：112-114.

[7] 王淵，賈永興，朱瑩.基于翻轉課堂的混合式教學探索與實踐——以“信號與系統”課程為例[J].工業和信息化教育，2020（5）：34-38.

【通聯編輯：代影】

收稿日期：2021-03-20

基金項目：湖南工學院校級教研教改項目：新建地方本科院校電子信息類專業課程體系改革與實踐（項目編號：A1473）;湖南省線上線下混合式一流課程（編號：湘教通〔2020〕9號）;湖南省線上一流課程（編號：湘教通〔2021〕28號）

作者簡介：李欣（1981—），女，博士研究生，實驗師，主要研究方向：嗅覺感知與機器學習。