混合式SPOC在《数字信号处理》课程中的应用
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作者:丁晨阳
摘 要：针对学生在《数字信号处理》课程学习中存在的知识难以理解、理论与实践难以建立联系等问题，作者将翻转学习与协作学习相结合，开展了混合式SPOC在课程教学中的应用研究。调查结果表明，通过设计实用而有趣的线下实践项目，在教师的引导下开展线上协作和课堂讨论，能够促进学生更多地参与学习、及时获得问题反馈并有效改善学习效果。
关键词：混合式SPOC;数字信号处理;翻转学习;协作学习
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）10-0064-04
一、引言
作为电子信息类的专业基础课程，《数字信号处理》涉及了数字信号的基本概念、处理的基本分析方法和技术。课程的学习不仅需要学生掌握和记忆知识，还应该培养学生自主学习、分析问题和实际解决问题的能力[1]，这种能力的获得通常取决于学生处理知识的过程，学生对知识的深入理解也不会只通过听教师讲课获得。
SPOC（小规模在线开放课程）和翻转学习为学生的线上线下学习提供了解决方案。教师选择特定的视频给学生提前观看，在课堂上为学生提供实践活动并解答疑问，让学生进行深入的学习。这种时间的重新分配有助于教师和学生在可用的面对面时间里从事更有价值的活动[2]。虽然大多数学生认为SPOC和翻转学习是一种可行的学习模式，但在实际应用中，教师与学生以及学生之间的交互质量、问题讨论时长和深度、学生的积极参与等方面仍存在一定的局限性。
协作学习通过组织协作社区以及互动，帮助学生完成课程。在这个过程中，学生建立批判性思维，掌握分析和沟通技巧，并学会有效利用资源，协作学习方法提高了学生的积极性和目标实现效率，支持学生的交流。学生在同学的帮助下，参与到讨论和解决问题的过程中，从而使所有参与的学生受益[3]。协作学习也增加了教师对学生思维过程的参与，教师并不给出清晰和顺利的路径让学生找到解决方案，而是通过精心设计的交互活动引导学生进行更深层次的知识理解。
本文在《数字信号处理》的课程设计中包含知识获取和能力提升两个方面，为线上和线下学习创造更丰富的学习体验。我们探索不同但互补的教学方法，以混合的方式，结合基于SPOC的翻转学习与协作学习，重新设计了《数字信号处理》课程，利用移动App、二维码、在线测试、讨论交流等多种方式促进学生更好地参与课程学习。
二、混合式SPOC教学模式
混合式SPOC教学模式如图1所示，包含三个阶段：视频测试、项目协作和评价反思。
第一阶段：学生根据教师提供的学习清单，按照自己的节奏观看SPOC在线视频、配套文档，阅读各类扩展资源，完成在线测试等，教师通过SPOC平台检查、监控学生的学习进度。学习小组每周在约定的时间分享视频学习中遇到的问题，相互给出建议后再提出一个更加值得讨论的问题进行发布，教师在审核完各个小组的问题后，让每个小组再从其他小组获得一个问题，大家一起学习，共同寻找答案。这样每个小组通过视频学习和小组问询与讨论，形成一个最初的知识结构。
第二阶段：每个学习小组在课堂上解释他们发布的问题以及对问题的解决方案，教师总结知识点并回答问题。之后教师设计实践项目并提出项目要求。在完成项目的过程中，各小组讨论项目的功能、实现步骤、编程实现等。课堂结束前，各小组展示项目完成情况，教师对各个项目给予建议。通过项目协作中的知识应用，学生对自己原有的知识结构加以分析与修正。
第三阶段：课后每个学习小组完成项目改进和提交，教师和学生基于项目任务对小组成员和小组进行评价。在这个阶段教师开展线上指导，鼓励学生反思他们的知识是如何构建、修正和重构的，通过组间观察、比较，对表现优秀的学生予以表扬。
三、SPOC在线学习平台及微视频的设计
1.SPOC在线学习平台
学生可通过SPOC在线学习平台进行在線学习、交流与评价。对于教师，它可以发布学习资料、作业和测试，了解学生的学习行为，包括访问次数、在线学习时间、课程完成情况以及学习成绩等数据，并给出一些统计分析（如图2、图3所示），根据统计数据，教师很快就知道哪些学生需要帮助。
2.微视频和学习资料
作为翻转学习的前置环节，教学视频的内容设计决定着课前知识的传递效果，为了符合高职学生的学习特点，照顾课程制作教师的接受度，主要开发时长10—20分钟的微视频。设计的微视频不像教科书那样全面，而是提供一般性理论知识或解决给定问题所需的精确信息，因为这门课和MATLAB编程紧密结合，所以我们也在视频中展示了代码演示。
课程微视频内容设计如表1所示。理论部分主要包括模拟信号的采样、DFT及FFT算法、IIR与FIR数字滤波器的设计等。实践部分主要是使学生掌握基本理论和算法的设计思想，并将频谱分析和数字滤波器设计应用于实际工程的信号处理，相应的还有一些基础实验视频帮助学生进一步了解实验的内容[4]。
视频内容设计完成后，为微视频增加了学习材料，包括在线讨论、期刊论文、网站等多种网络资源，学生也可以在讨论区与同学交流或阅读其他参考资料。教师的课前教学决策很重要，需要在课前决定在课程中提前发布哪些知识以及与学生共享哪些内容。学生可以通过任何移动设备，根据需要访问授课内容，反复观看视频。学习平台能够记录学生的学习行为，教师可以看到哪些学生已经看了哪些视频，并给予积分以鼓励上课前观看视频的学生，学生看到积分的变化，知道教师正在检查，这样也会促进所有学生每节课前的观看学习。
3.移动App与二维码
我们利用移动App和二维码为学生提供快速移动支持。通过移动App可以登录到SPOC课程，进行签到、投票、抢答、讨论与评价等活动。教师提前根据课程内容准备一些选择题、判断题，授课过程中学生们被要求通过移动App完成在线答题，教师通过移动App能够以图表的形式获得汇总的回答以及数据统计。使用移动App的主要动机是让学生在课堂上积极参与，快速评估他们对知识的理解，并给出纠正性的反馈，我们还使用移动App进行现场评分，及时向学生发送评论，这种移动化的学习互动让学生有不同的学习体验，提高了学习热情。 有时候看一个视频教程或阅读一个很短的文档比阅读相关的教材章节更有帮助，学生只需要一些简短的介绍或克服某个特定障碍的帮助即可使用这些学习资源。为了让学生在大量的学习资源中快速准确地选择出所需的视频或文档，我们对实验仪器使用了与相应微视频或文档关联的二维码进行标记，学生只要扫描二维码，就可以快速准确地访问学习资源，此外还打印了带有二维码的海报进入课堂，扩展移动学习。
四、混合式SPOC中翻转课堂与协作学习的设计
1.翻转课堂项目设计
在教室，教师首先解答学生线下学习的问题，再给学生带来要完成的项目任务，教师引导学生进行软件编程，加深对理论理解的同时锻炼与实践结合的能力。
实践项目的设计围绕各种类型信号处理系统开展，我们选取生活中方便接触和获取的音频信号、语音信号、图像信号等作为处理的对象，容易激发学生的学习兴趣，并引起共鸣[5]，每个项目都整合了课程中涉及的知识点：项目1，数字信号发生器设计;项目2，双音多频信号的产生与检测;项目3，脉搏信号的检测与分析;项目4，心电信号的检测与处理;项目5，机械振动信号的故障检测分析;项目6，音乐均衡器设计;项目7，语音转换、简单变声器的设计;项目8，雾霾图像增强算法实现。
2.组建协作小组
在混合式SPOC中，学生需要协作完成单元测试以及实践项目。为了创设协作的学习环境，避免学生成绩的两极分化，教师将学生分为若干协作小组，每个小组由成绩优秀、中等和较差的学生组成。协作学习的过程中，小组成员共享相同的目标、角色和责任，大家一起讨论每件事。在想获得较好团队成绩的目标驱使下，优秀的学生会帮助成绩不理想的学生解决学习问题，为了不影响其他学生的成绩，成绩不太好的学生也会更加努力。
3.线上协作测试
为鼓励小组内部的交互以实现每个阶段的共同目标，我们基于微视频设置了随堂测验，例如，要求学生画出给定系统的频率响应。学习完每一个单元后，我们让学生以协作学习的方式完成单元测试，一开始对这些测试没有评分，发现在无监督的情况下学生对在线课程的参与度不高，后面就将测试转化为课程成绩的有效部分。随堂测验设置3次答题练习模式，在答题中如果学生不知道答案，可以通过在线聊天工具等方式询问其他小组成员，以克服每个学习单元的难点，在交流的过程中小组成员也会逐渐熟悉自己以及小组成员的优缺点。
在进行单元测试时，系统会记录答题时间，当且仅当每个成员通过预设置的分数要求时，小组才能通过本阶段的学习任务，为了在学习任务中继续前进，每个小组成员都需要做出贡献，小组回答正确的问题越多，所需的时间越短，获得的分数就越高。为了在尽可能短的时间内完成单元测试，小组成员被迫互相支持，从而促进了协作。
4.课堂讨论与项目协作
测试做题在一定程度上可以帮助学生纠正对知识理解的偏差，但知识的学习更离不开讨论和争论。虽然线上论坛也能做到问题解答，但独自学习无法具有大家共同学习稍带强迫性的交互气氛。在课堂讨论中，学生首先分享每周线上学习获得的知识，分享他们解决这些问题的经验。教师鼓励学生多发言、敢于展现学习理解的错误，学生在和谐的讨论气氛中提出自己最想要解决的问题。教师会询问学生关于知识点的误解来测试他们知识理解的合理性，无法解释和分析的学生会得到小组成员或教师的帮助，以增进对知识的理解。
协作完成项目的过程中，教师为每个小组提供与其他小组分享解决方案的机会。学生先在本小组中分享并决定哪种解决方案是合适的，一旦每个小组确定了它的解决方案，两三个小组就被合并成一个临时的、更大的小组来比较和讨论这几种解决方案，被选为最佳解决方案的那组会得到额外的加分，这一策略旨在鼓励学生交流讨论问题。比如我们引导学生应用MATLAB软件使用不同类型的滤波方法设计音乐均衡器，并根據仿真结果的滤波效果最终确定最佳的设计方案。学生还可以从各种论坛、网站寻找相关的研究发现，这个发现解答的过程对学生来说既有趣又具挑战性，有时候会让学生发现一些原本不知道或不熟悉的内容。
学生在课堂还被要求基于课程中完成的项目任务准备陈述演讲和代码演示，被挑选出来的学生需要在其他人面前展示他们的分析、表达能力。教师根据学生的陈述和演示来评估小组的表现，为了提高其他学生的参与度，会让学生在演讲的过程中至少使用一次移动App与大家进行互动。
5.课后反思与评价
对应课堂完成的项目，课后每个小组提交一份报告，并对小组成员的表现、其他小组完成的程序和报告进行评价。当学生编写报告解释他们如何设计完成项目时，教师会通过面对面的会议来组织小组学习，鼓励学生反思其学习过程。
考虑到学生共同的学习目标、积极的相互依赖以及个人责任可以促进小组学习，我们对小组成员的协作评价设置三个层次：①较差。独自学习，很少或基本不回应小组成员的要求，对小组项目完成的贡献较低。②良好。对小组进步做出了贡献，但只有在小组成员提出要求时才发挥作用，并不是以一种积极主动的方式参与其中。③优秀。对小组成员的信息做出及时反应和要求，负责任而且积极主动，能够解决冲突，适应团队和问题的变化。同时指导教师还需要对各个小组的协作质量做评价，这主要从小组沟通的内容、交流信息的方式、小组成员之间的支持行为以及在小组协作过程中的主动性、领导力这几个方面进行考量。
五、结果和结论
在2018年秋季学期，笔者结合《数字信号处理》SPOC在本校通信专业开展了混合式教学。为了解混合式SPOC教学是否显著提高了学习成绩，我们使用SPSS20.0对实施混合式SPOC（样本数为36）和未实施混合式SPOC（样本数为34）的班级进行了独立样本t检验，获得分析结果如表2、表3所示，不同班级样本对于成绩呈现出0.01水平显著性差异（t=-2.862，p=0.006，Cohen's d=0.684），这说明采用混合SPOC教学显著提高了学生学习成绩，同时学生成绩的标准差也在减少。 為了解混合式SPOC在《数字信号处理》课程中的应用效果，对实施混合式教学的学生进行了问卷调查，结果显示：①86%的学生对混合式SPOC的学习体验感到满意，认为和班级同学的互动增多了。②85%的学生认为在线资源和线下项目设计整合效果良好，各种类型信号分析处理的学习内容丰富有趣。③87%的学生表示与传统学习经历相比，翻转学习和协作学习相结合的方法效率更高，可以立即讨论和解决问题，有助于他们对知识的深入理解。④有73%的学生表示新颖的信息化教学手段会激发他们的参与度，但不能长时间地吸引他们的注意力。⑤78%的学生表示各种学习活动的完成需要教师的引导与激励。⑥81%的学生认为自己解决问题、团队协作、沟通交流等能力得到了提升。
从这次教学实践看，在《数字信号处理》课程中将翻转学习与协作学习相结合，是一次有意义的尝试。首先，有效增加了学生的学习时间。除了上课时间，学生每周还要观看视频、提出问题，并完成在线测试。第二，为学生提供更多相互交流的机会。频繁的沟通与协作可以提高学生认知能力，完善他们对课程内容的理解和想法。学生不再仅仅是倾听者或被动的学习者，而是在认知过程中活跃的思考者以及开发更好解决方案的热情参与者。第三，促进学生持续投入地学习。作为小组成员，如果没有完成视频，他就无法参加课堂小组讨论以及单元测试，所以每个学生在学习过程中会意识到自己的责任，坚持每周学习。
但是，教学过程中也发现一些问题，例如学生的主动学习更多是由分数、教师督促，而不是本身的学习意愿来引导的。尽管为学生提供多种不同的活动，如使用二维码、陈述演讲等可以激发学生兴趣，但他们的参与和这些活动、技术的新颖性有关，而这种新颖性最终会下降。此外成绩评价方式的多元化也增加了教师评分考核的难度。因此，如何更有效地在《数字信号处理》课程中应用混合式SPOC教学，还需进一步探索，并在实践中不断完善。
参考文献：
[1]龙佳乐，张建民.“数字信号处理”课程驱动式教学改革[J].电气电子教学学报，2014，36（4）：85-86+118.
[2]Sabine Uijl，Renée Filius，Olle Ten Cate.Student Interaction in Small Private Online Courses[J]. Medical Science Educator，2017，27（2）：237-242.
[3]Nadjib Brahimi，Fikri Dweiri，Imad Al-Syouf，et al.Cooperative Education in an Industrial Engineering Program[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences，2013（102）：446-453.
[4]赵素文.基于微课的数字信号处理课程翻转课堂教学设计[J].西部素质教育，2018，4（6）：94+102.
[5]万永菁，张淑艳，王海军.基于微课的数学信号处理课程教学改革与探索[J].化工高等教育， 2017，34（1）：45-49+71.
（编辑：鲁利瑞）
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