丁晨陽

摘 要：針對學生在《數(shù)字信號處理》課程學習中存在的知識難以理解、理論與實踐難以建立聯(lián)系等問題，作者將翻轉學習與協(xié)作學習相結合，開展了混合式SPOC在課程教學中的應用研究。調查結果表明，通過設計實用而有趣的線下實踐項目，在教師的引導下開展線上協(xié)作和課堂討論，能夠促進學生更多地參與學習、及時獲得問題反饋并有效改善學習效果。

關鍵詞：混合式SPOC;數(shù)字信號處理;翻轉學習;協(xié)作學習

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）10-0064-04

一、引言

作為電子信息類的專業(yè)基礎課程，《數(shù)字信號處理》涉及了數(shù)字信號的基本概念、處理的基本分析方法和技術。課程的學習不僅需要學生掌握和記憶知識，還應該培養(yǎng)學生自主學習、分析問題和實際解決問題的能力[1]，這種能力的獲得通常取決于學生處理知識的過程，學生對知識的深入理解也不會只通過聽教師講課獲得。

SPOC（小規(guī)模在線開放課程）和翻轉學習為學生的線上線下學習提供了解決方案。教師選擇特定的視頻給學生提前觀看，在課堂上為學生提供實踐活動并解答疑問，讓學生進行深入的學習。這種時間的重新分配有助于教師和學生在可用的面對面時間里從事更有價值的活動[2]。雖然大多數(shù)學生認為SPOC和翻轉學習是一種可行的學習模式，但在實際應用中，教師與學生以及學生之間的交互質量、問題討論時長和深度、學生的積極參與等方面仍存在一定的局限性。

協(xié)作學習通過組織協(xié)作社區(qū)以及互動，幫助學生完成課程。在這個過程中，學生建立批判性思維，掌握分析和溝通技巧，并學會有效利用資源，協(xié)作學習方法提高了學生的積極性和目標實現(xiàn)效率，支持學生的交流。學生在同學的幫助下，參與到討論和解決問題的過程中，從而使所有參與的學生受益[3]。協(xié)作學習也增加了教師對學生思維過程的參與，教師并不給出清晰和順利的路徑讓學生找到解決方案，而是通過精心設計的交互活動引導學生進行更深層次的知識理解。

本文在《數(shù)字信號處理》的課程設計中包含知識獲取和能力提升兩個方面，為線上和線下學習創(chuàng)造更豐富的學習體驗。我們探索不同但互補的教學方法，以混合的方式，結合基于SPOC的翻轉學習與協(xié)作學習，重新設計了《數(shù)字信號處理》課程，利用移動App、二維碼、在線測試、討論交流等多種方式促進學生更好地參與課程學習。

二、混合式SPOC教學模式

混合式SPOC教學模式如圖1所示，包含三個階段：視頻測試、項目協(xié)作和評價反思。

第一階段：學生根據(jù)教師提供的學習清單，按照自己的節(jié)奏觀看SPOC在線視頻、配套文檔，閱讀各類擴展資源，完成在線測試等，教師通過SPOC平臺檢查、監(jiān)控學生的學習進度。學習小組每周在約定的時間分享視頻學習中遇到的問題，相互給出建議后再提出一個更加值得討論的問題進行發(fā)布，教師在審核完各個小組的問題后，讓每個小組再從其他小組獲得一個問題，大家一起學習，共同尋找答案。這樣每個小組通過視頻學習和小組問詢與討論，形成一個最初的知識結構。

第二階段：每個學習小組在課堂上解釋他們發(fā)布的問題以及對問題的解決方案，教師總結知識點并回答問題。之后教師設計實踐項目并提出項目要求。在完成項目的過程中，各小組討論項目的功能、實現(xiàn)步驟、編程實現(xiàn)等。課堂結束前，各小組展示項目完成情況，教師對各個項目給予建議。通過項目協(xié)作中的知識應用，學生對自己原有的知識結構加以分析與修正。

第三階段：課后每個學習小組完成項目改進和提交，教師和學生基于項目任務對小組成員和小組進行評價。在這個階段教師開展線上指導，鼓勵學生反思他們的知識是如何構建、修正和重構的，通過組間觀察、比較，對表現(xiàn)優(yōu)秀的學生予以表揚。

三、SPOC在線學習平臺及微視頻的設計

1.SPOC在線學習平臺

學生可通過SPOC在線學習平臺進行在線學習、交流與評價。對于教師，它可以發(fā)布學習資料、作業(yè)和測試，了解學生的學習行為，包括訪問次數(shù)、在線學習時間、課程完成情況以及學習成績等數(shù)據(jù)，并給出一些統(tǒng)計分析（如圖2、圖3所示），根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，教師很快就知道哪些學生需要幫助。

2.微視頻和學習資料

作為翻轉學習的前置環(huán)節(jié)，教學視頻的內容設計決定著課前知識的傳遞效果，為了符合高職學生的學習特點，照顧課程制作教師的接受度，主要開發(fā)時長10—20分鐘的微視頻。設計的微視頻不像教科書那樣全面，而是提供一般性理論知識或解決給定問題所需的精確信息，因為這門課和MATLAB編程緊密結合，所以我們也在視頻中展示了代碼演示。

課程微視頻內容設計如表1所示。理論部分主要包括模擬信號的采樣、DFT及FFT算法、IIR與FIR數(shù)字濾波器的設計等。實踐部分主要是使學生掌握基本理論和算法的設計思想，并將頻譜分析和數(shù)字濾波器設計應用于實際工程的信號處理，相應的還有一些基礎實驗視頻幫助學生進一步了解實驗的內容[4]。

視頻內容設計完成后，為微視頻增加了學習材料，包括在線討論、期刊論文、網(wǎng)站等多種網(wǎng)絡資源，學生也可以在討論區(qū)與同學交流或閱讀其他參考資料。教師的課前教學決策很重要，需要在課前決定在課程中提前發(fā)布哪些知識以及與學生共享哪些內容。學生可以通過任何移動設備，根據(jù)需要訪問授課內容，反復觀看視頻。學習平臺能夠記錄學生的學習行為，教師可以看到哪些學生已經(jīng)看了哪些視頻，并給予積分以鼓勵上課前觀看視頻的學生，學生看到積分的變化，知道教師正在檢查，這樣也會促進所有學生每節(jié)課前的觀看學習。

3.移動App與二維碼

我們利用移動App和二維碼為學生提供快速移動支持。通過移動App可以登錄到SPOC課程，進行簽到、投票、搶答、討論與評價等活動。教師提前根據(jù)課程內容準備一些選擇題、判斷題，授課過程中學生們被要求通過移動App完成在線答題，教師通過移動App能夠以圖表的形式獲得匯總的回答以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計。使用移動App的主要動機是讓學生在課堂上積極參與，快速評估他們對知識的理解，并給出糾正性的反饋，我們還使用移動App進行現(xiàn)場評分，及時向學生發(fā)送評論，這種移動化的學習互動讓學生有不同的學習體驗，提高了學習熱情。

有時候看一個視頻教程或閱讀一個很短的文檔比閱讀相關的教材章節(jié)更有幫助，學生只需要一些簡短的介紹或克服某個特定障礙的幫助即可使用這些學習資源。為了讓學生在大量的學習資源中快速準確地選擇出所需的視頻或文檔，我們對實驗儀器使用了與相應微視頻或文檔關聯(lián)的二維碼進行標記，學生只要掃描二維碼，就可以快速準確地訪問學習資源，此外還打印了帶有二維碼的海報進入課堂，擴展移動學習。

四、混合式SPOC中翻轉課堂與協(xié)作學習的設計

1.翻轉課堂項目設計

在教室，教師首先解答學生線下學習的問題，再給學生帶來要完成的項目任務，教師引導學生進行軟件編程，加深對理論理解的同時鍛煉與實踐結合的能力。

實踐項目的設計圍繞各種類型信號處理系統(tǒng)開展，我們選取生活中方便接觸和獲取的音頻信號、語音信號、圖像信號等作為處理的對象，容易激發(fā)學生的學習興趣，并引起共鳴[5]，每個項目都整合了課程中涉及的知識點：項目1，數(shù)字信號發(fā)生器設計;項目2，雙音多頻信號的產(chǎn)生與檢測;項目3，脈搏信號的檢測與分析;項目4，心電信號的檢測與處理;項目5，機械振動信號的故障檢測分析;項目6，音樂均衡器設計;項目7，語音轉換、簡單變聲器的設計;項目8，霧霾圖像增強算法實現(xiàn)。

2.組建協(xié)作小組

在混合式SPOC中，學生需要協(xié)作完成單元測試以及實踐項目。為了創(chuàng)設協(xié)作的學習環(huán)境，避免學生成績的兩極分化，教師將學生分為若干協(xié)作小組，每個小組由成績優(yōu)秀、中等和較差的學生組成。協(xié)作學習的過程中，小組成員共享相同的目標、角色和責任，大家一起討論每件事。在想獲得較好團隊成績的目標驅使下，優(yōu)秀的學生會幫助成績不理想的學生解決學習問題，為了不影響其他學生的成績，成績不太好的學生也會更加努力。

3.線上協(xié)作測試

為鼓勵小組內部的交互以實現(xiàn)每個階段的共同目標，我們基于微視頻設置了隨堂測驗，例如，要求學生畫出給定系統(tǒng)的頻率響應。學習完每一個單元后，我們讓學生以協(xié)作學習的方式完成單元測試，一開始對這些測試沒有評分，發(fā)現(xiàn)在無監(jiān)督的情況下學生對在線課程的參與度不高，后面就將測試轉化為課程成績的有效部分。隨堂測驗設置3次答題練習模式，在答題中如果學生不知道答案，可以通過在線聊天工具等方式詢問其他小組成員，以克服每個學習單元的難點，在交流的過程中小組成員也會逐漸熟悉自己以及小組成員的優(yōu)缺點。

在進行單元測試時，系統(tǒng)會記錄答題時間，當且僅當每個成員通過預設置的分數(shù)要求時，小組才能通過本階段的學習任務，為了在學習任務中繼續(xù)前進，每個小組成員都需要做出貢獻，小組回答正確的問題越多，所需的時間越短，獲得的分數(shù)就越高。為了在盡可能短的時間內完成單元測試，小組成員被迫互相支持，從而促進了協(xié)作。

4.課堂討論與項目協(xié)作

測試做題在一定程度上可以幫助學生糾正對知識理解的偏差，但知識的學習更離不開討論和爭論。雖然線上論壇也能做到問題解答，但獨自學習無法具有大家共同學習稍帶強迫性的交互氣氛。在課堂討論中，學生首先分享每周線上學習獲得的知識，分享他們解決這些問題的經(jīng)驗。教師鼓勵學生多發(fā)言、敢于展現(xiàn)學習理解的錯誤，學生在和諧的討論氣氛中提出自己最想要解決的問題。教師會詢問學生關于知識點的誤解來測試他們知識理解的合理性，無法解釋和分析的學生會得到小組成員或教師的幫助，以增進對知識的理解。

協(xié)作完成項目的過程中，教師為每個小組提供與其他小組分享解決方案的機會。學生先在本小組中分享并決定哪種解決方案是合適的，一旦每個小組確定了它的解決方案，兩三個小組就被合并成一個臨時的、更大的小組來比較和討論這幾種解決方案，被選為最佳解決方案的那組會得到額外的加分，這一策略旨在鼓勵學生交流討論問題。比如我們引導學生應用MATLAB軟件使用不同類型的濾波方法設計音樂均衡器，并根據(jù)仿真結果的濾波效果最終確定最佳的設計方案。學生還可以從各種論壇、網(wǎng)站尋找相關的研究發(fā)現(xiàn)，這個發(fā)現(xiàn)解答的過程對學生來說既有趣又具挑戰(zhàn)性，有時候會讓學生發(fā)現(xiàn)一些原本不知道或不熟悉的內容。

學生在課堂還被要求基于課程中完成的項目任務準備陳述演講和代碼演示，被挑選出來的學生需要在其他人面前展示他們的分析、表達能力。教師根據(jù)學生的陳述和演示來評估小組的表現(xiàn)，為了提高其他學生的參與度，會讓學生在演講的過程中至少使用一次移動App與大家進行互動。

5.課后反思與評價

對應課堂完成的項目，課后每個小組提交一份報告，并對小組成員的表現(xiàn)、其他小組完成的程序和報告進行評價。當學生編寫報告解釋他們如何設計完成項目時，教師會通過面對面的會議來組織小組學習，鼓勵學生反思其學習過程。

考慮到學生共同的學習目標、積極的相互依賴以及個人責任可以促進小組學習，我們對小組成員的協(xié)作評價設置三個層次：①較差。獨自學習，很少或基本不回應小組成員的要求，對小組項目完成的貢獻較低。②良好。對小組進步做出了貢獻，但只有在小組成員提出要求時才發(fā)揮作用，并不是以一種積極主動的方式參與其中。③優(yōu)秀。對小組成員的信息做出及時反應和要求，負責任而且積極主動，能夠解決沖突，適應團隊和問題的變化。同時指導教師還需要對各個小組的協(xié)作質量做評價，這主要從小組溝通的內容、交流信息的方式、小組成員之間的支持行為以及在小組協(xié)作過程中的主動性、領導力這幾個方面進行考量。

五、結果和結論

在2018年秋季學期，筆者結合《數(shù)字信號處理》SPOC在本校通信專業(yè)開展了混合式教學。為了解混合式SPOC教學是否顯著提高了學習成績，我們使用SPSS20.0對實施混合式SPOC（樣本數(shù)為36）和未實施混合式SPOC（樣本數(shù)為34）的班級進行了獨立樣本t檢驗，獲得分析結果如表2、表3所示，不同班級樣本對于成績呈現(xiàn)出0.01水平顯著性差異（t=-2.862，p=0.006，Cohen's d=0.684），這說明采用混合SPOC教學顯著提高了學生學習成績，同時學生成績的標準差也在減少。

為了解混合式SPOC在《數(shù)字信號處理》課程中的應用效果，對實施混合式教學的學生進行了問卷調查，結果顯示：①86%的學生對混合式SPOC的學習體驗感到滿意，認為和班級同學的互動增多了。②85%的學生認為在線資源和線下項目設計整合效果良好，各種類型信號分析處理的學習內容豐富有趣。③87%的學生表示與傳統(tǒng)學習經(jīng)歷相比，翻轉學習和協(xié)作學習相結合的方法效率更高，可以立即討論和解決問題，有助于他們對知識的深入理解。④有73%的學生表示新穎的信息化教學手段會激發(fā)他們的參與度，但不能長時間地吸引他們的注意力。⑤78%的學生表示各種學習活動的完成需要教師的引導與激勵。⑥81%的學生認為自己解決問題、團隊協(xié)作、溝通交流等能力得到了提升。

從這次教學實踐看，在《數(shù)字信號處理》課程中將翻轉學習與協(xié)作學習相結合，是一次有意義的嘗試。首先，有效增加了學生的學習時間。除了上課時間，學生每周還要觀看視頻、提出問題，并完成在線測試。第二，為學生提供更多相互交流的機會。頻繁的溝通與協(xié)作可以提高學生認知能力，完善他們對課程內容的理解和想法。學生不再僅僅是傾聽者或被動的學習者，而是在認知過程中活躍的思考者以及開發(fā)更好解決方案的熱情參與者。第三，促進學生持續(xù)投入地學習。作為小組成員，如果沒有完成視頻，他就無法參加課堂小組討論以及單元測試，所以每個學生在學習過程中會意識到自己的責任，堅持每周學習。

但是，教學過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題，例如學生的主動學習更多是由分數(shù)、教師督促，而不是本身的學習意愿來引導的。盡管為學生提供多種不同的活動，如使用二維碼、陳述演講等可以激發(fā)學生興趣，但他們的參與和這些活動、技術的新穎性有關，而這種新穎性最終會下降。此外成績評價方式的多元化也增加了教師評分考核的難度。因此，如何更有效地在《數(shù)字信號處理》課程中應用混合式SPOC教學，還需進一步探索，并在實踐中不斷完善。

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（編輯：魯利瑞）