“信號與系統實驗”課程混合式教學模式探索與實踐

朱福珍，巫 紅，汪國強

（黑龍江大學，黑龍江 哈爾濱 150080）

實驗課程教學是保證和提高新工科人才培養質量的重要環節之一。然而，傳統的“信號與系統實驗”課以硬件實驗箱為操作平臺，這種線下實體教學具有直觀、實戰性強、鍛煉實踐能力等優點，但也存在一定問題，如硬件實驗器材（如示波器探頭、實驗箱開關電源、實驗模塊管腳、連接導線、頻譜分析儀等）老化損壞、維修成本高、維修不及時、可擴展性不強等問題[1]。然而，線上實驗教學也有一定弊端，如學生無法深刻體驗實驗設備和儀器、操作實踐無法落地等。因此，文章對“信號與系統實驗”課程開展線上+線下相結合的實驗教學模式探索和實踐，分別針對線上、線下實驗教學的具體問題，提供有效的教學改革措施，切實提高學生實驗課的學習效果，提升“信號與系統實驗”課程的教學效果。

一、“信號與系統實驗”混合式教學改革的必要性

黑龍江大學“信號與系統實驗”課程一直與“信號與系統”理論課相輔相成，2009年以前，該課程是理論課的一個重要部分，2009年以后，獨立設為必修課，足以看出“信號與系統實驗”課程的重要性。作者根據多年的實驗教學經驗，總結出完全采用線下教學或線上教學存在的一些問題，具體如下。

（一）完全采用線下實驗教學存在的問題

1.課前預習效果不好

多數學生在預習環節花費的時間較少，無法達到了解實驗目的和原理、掌握基本實驗步驟、完成實驗預習問題的要求。

2.擴展實驗困難

一些實驗啟發性和實踐性很強，如諧波幅度和相位對波形合成的影響、抽樣定理實驗、濾波器的設計等。對于學習能力較強的學生開設一些擴展性實驗啟發其創新性能力是非常必要的，但限于實驗室條件、實驗學時、實驗項目經費不足等因素，線下開設擴展性實驗很困難，這就限制了學生探索性和創新性能力的發展。

3.實驗時間、地域不夠靈活

“信號與系統實驗”線下實驗課要求學生在固定的時間段到實驗室完成實驗內容，時間和地點不夠靈活[2]，不能像線上實驗那樣自主掌握實驗時間和地點。

4.教師統計成績困難

教師在完成實驗教學任務后需要記錄出勤情況、實驗操作表現、批改實驗報告、整理期末成績等，需要付出很多時間和精力。

（二）完全采用線上實驗教學存在的問題

2020年新冠疫情期間，為積極響應教育部“停課不停教，停課不停學”重要指示[3]，“信號與系統實驗”進行線上教學實踐。教學實踐表明，完全線上實驗教學盡管打破了時間和空間的限制，但也存在一定弊端。例如，師生對實驗教學過程監管和指導很難做到實時、客觀，實驗效果很大程度上取決于學生的自主性和自覺性，教師很難及時糾正學生實驗過程中出現的問題。同時，學生對實驗設備和實驗儀器沒有體驗感，僅能通過在線仿真實驗平臺進行簡單的連線操作和觀察，操作相對簡單，沒有具體調試、糾錯、測量等實踐過程，實踐能力和體驗感不理想。

黑龍江大學電子工程學院融合多樣化信息教學手段，與南京潤眾科技有限公司合作，利用該公司提供的、與線下實驗箱完全配套的“信號與系統在線實驗平臺”，借助“超星學習通”學習平臺，構建“信號與系統實驗”混合式教學模式。在線上實驗階段，學生只要具備網絡和終端設備，就可以隨時開展線上模擬實驗，彌補了線下實驗只能在固定時間、固定地點的不足[4]；在線下實驗階段，學生不再完全依賴教師的課堂講解，而是在線上實驗階段就了解實驗原理、實驗要點等，提高了線下實驗效率和實驗效果，同時，學有余力的學生還可以通過線上實驗平臺完成自選擴展性實驗，線下實驗時進行進一步驗證。

二、“信號與系統實驗”線上教學建設

線下教學設備和線上教學資源是進行“信號與系統實驗”混合式教學的基礎。線上教學時，以教學大綱為基礎，從以下3方面進行建設。

（一）即時交流工具的建設

為了做到師生信息實時暢通，方便問題解答、教師發布信息、學生下載線上實驗講義等，任課教師選定并建立了方便、通用、具備文件存儲功能的即時交流工具——QQ群。教師在群公告發布重要信息、群文件上傳線上實驗講義、群聊里回答學生提問。

（二）“超星學習通”課程資源建設

“超星學習通”自主學習平臺功能完善，可以滿足課程資源建設要求。教師將提前編寫的“線上實驗指導書”上傳到學習通“資料”模塊，同時錄制與線下實驗項目一一對應的“線上實驗操作視頻”，每個視頻資料都設置了任務點，觀看90%以上內容之后才能進行線上模擬實驗，同時進行了防拖拽設置，目的是希望學生能完整觀看實驗演示視頻，對實驗原理和實驗操作流程有一定把握。

線上實驗要求學生提前完成，并將線上實驗結果上傳至“作業”模塊，線下實驗時，教師會檢查學生線上實驗截屏記錄，防抄襲防復制，使學生自主完成在線實驗。

同時，在“討論”模塊，教師對每個實驗都有針對性地發布相應的問題，啟發學生自主思考，使學生帶著問題完成實驗。6個必修的線上實驗項目完成之后，在“活動”模塊發起調查問卷，了解“信號與系統實驗”混合式教學授課效果，以便課程后續的持續改進。如圖1所示。

圖1 學習通自主學習平臺資源建設

（三）在線實驗平臺建設

利用南京潤眾科技有限公司提供的、與線下實驗箱完全配套的“信號與系統在線實驗平臺”，供學生免費進行線上模擬實驗。線下實驗項目與線上實驗項目完全對應，其中線下實驗共12學時6個實驗項目，線上實驗共21個實驗項目。學生如果學有余力，在完成必修的6個在線實驗項目后可以自主地做些擴展性實驗。

三、混合式實驗教學的實施

在完成線上實驗建設后，線下實驗階段可以利用實驗箱、探頭、頻譜分析儀、信號發生器、計算機等實驗教學設備，根據教師提供的線下實驗講義開展具體實驗連線、調試、糾錯、畫圖、撰寫實驗報告等。同時，開展混合式教學時還制定了以下具體措施。

（一）線上學習要求

為了讓學生掌握實驗原理和操作規范，錄制的教學視頻設置了任務點和防拖拽功能，要求學生必須完整觀看，同時需要回答預設問題[5]。為了方便學生預習理解實驗原理和相關基礎知識，在新編的實驗講義中補充了預習思考題，使學生帶著問題，有目的、有思考地觀看視頻并給出結論。

（二）線上監管與考核

為了配合線下實驗，線上實驗要在線下實驗之前完成，實驗結果以“作業”的形式上傳至“超星學習通”，作業評分采用學生互評，每生互評5份，“超星學習通”自動統計所有實驗項目的平均分數。任課教師可以從手機或電腦終端查看、導出每位學生的實驗結果和得分情況，線上實驗成績按一定比例計入學生的總實驗成績。為了鞏固和監督學生的線上預習情況，線上實驗環節占總評成績的50%，既保證了實驗過程考核及評價的客觀公正，又激發了學生的主動性和積極性。同時，在“超星學習通”平臺提交線上實驗數據及學生互評，大大減少了實驗課教師的工作量，學生互評可以學習其他同學的實驗過程，有利于取長補短，實踐證明效果很好。

（三）線下教學設計

通過“超星學習通”線上實驗學習資源、在線實驗平臺、線上實驗與考核具體要求，學生做實驗的效率和效果明顯提高。實驗問卷調查結果表明，學生線下實驗對教師的依賴性減少，線上實驗起到了很好的預習和演練作用，開展線下實驗之前，多數學生已經掌握了實驗相關基礎知識。因此，在線下實驗講解部分，教師無需過多地對實驗原理和實驗步驟重新講解，只需強調重點難點、實驗步驟、注意事項等，同時設計一些思考題和討論內容，把課堂交給學生動手實踐，充分利用課堂時間完成實驗內容、討論題和思考題。教師更多的時間用于發現和指導學生實驗過程中存在的問題，并加以強調和更正，給學有余力的學生布置一些擴展性、探究性實驗。

四、合理設定混合式實驗教學的課程成績評定方法

為了客觀、公平地評價學生的實驗結果，確定了混合式實驗教學的課程成績評定方法：線上實驗50%（學習通視頻學習15%，作業提交10%，互評結果20%，討論交流5%），線下實驗50%（實驗數據正確性和真實性10%，實驗操作20%，實驗報告20%）[6]。同時，為了確保成績評價的客觀性，每次線下實驗課開始前，教師檢查學生預習及線上實驗情況，實驗結束前15分鐘，教師檢查學生的實驗數據正確性和實驗完成程度，并依次給出等級評價，作為線下實驗操作表現的評價。

總之，改革傳統“信號與系統實驗”課程的教學方式，構建“信號與系統實驗”混合式實驗教學模式勢在必行。線上實驗是線下實驗的有力補充，保證了線下實驗的預習效果和實驗操作的順利進行，同時線下實驗使學生的實踐動手能力得到鍛煉，進一步鞏固驗證線上實驗。“信號與系統實驗”混合式教學可揚長避短，互促互利，激發學生的實驗熱情和自主性，提高實驗教學效果。