岳增龍 王雪

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院）

隨著數(shù)據(jù)分析和開放科學(xué)的發(fā)展，Jupyter平臺(tái)的出現(xiàn)充分體現(xiàn)了一種交互式編程的范式，主要通過基于網(wǎng)頁的用于交互計(jì)算的應(yīng)用程序，貫穿開發(fā)全過程：開發(fā)、文檔編寫、運(yùn)行代碼和展示結(jié)果。其實(shí)質(zhì)可以理解為一個(gè)在線可交互式筆記本，允許用戶創(chuàng)建和共享包含代碼、方程式、可視化、融合音頻、文本等富媒體信息。結(jié)合線上、線下教學(xué)模式的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，充分發(fā)揮該平臺(tái)易于交互展示的優(yōu)點(diǎn)，利用該平臺(tái)通過合理的教學(xué)設(shè)計(jì)，充分結(jié)合學(xué)情，可以提供完整“教、練、答、評(píng)、賽”五步閉環(huán)的交互式教學(xué)過程，確保線上線下教學(xué)同質(zhì)等效。

一、Jupyter notebook簡(jiǎn)介

Jupyternotebook可以包含來自各種語言的實(shí)時(shí)代碼，以及可視化、解釋性文本HTML 或Markdown、格式化的文本、圖像、以及用 LaTeX編寫的公式，主要特點(diǎn)包括：

（1）編程時(shí)具有語法高亮、縮進(jìn)、tab補(bǔ)全的功能。

（2）可直接通過瀏覽器運(yùn)行代碼，同時(shí)在代碼塊下方展示運(yùn)行結(jié)果。

（3）以富媒體格式展示計(jì)算結(jié)果。富媒體格式包括：HTML，LaTeX，PNG，SVG 等。

（4）對(duì)代碼編寫說明文檔或語句時(shí)，支持Markdown語法。

（5）支持使用LaTeX編寫數(shù)學(xué)性說明。

其架構(gòu)示意圖1所示，JupyterNotebook用戶用瀏覽器以網(wǎng)頁的形式打開相應(yīng)資源，并在本地修改和編輯文件、運(yùn)行代碼，代碼的運(yùn)行結(jié)果也能夠直接輸出顯示。

圖1 JupterNotebook架構(gòu)示意圖

二、Jupyter教學(xué)優(yōu)勢(shì)分析

用Jupyter Notebook進(jìn)行教學(xué)的主要優(yōu)勢(shì)如下：

（1）各功能集于一體，適合仿真、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，富媒體形式直展示。

（2）可以實(shí)現(xiàn)交互式展現(xiàn)。頁面結(jié)構(gòu)是以Cell（單元）形式組織的，其中每個(gè)獨(dú)立單元，都可實(shí)現(xiàn)各種元素單獨(dú)或者混排格式。在集成第三方插件的支持下，能夠呈現(xiàn)一些互動(dòng)可視化內(nèi)容，如信號(hào)處理變化的動(dòng)態(tài)過程等。

三、交互式教學(xué)方法

教學(xué)交互層次塔理論如圖2所示將遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)交互模型按照“操作交互—信息交互—概念交互”從下到上表示教學(xué)交互由低級(jí)到高級(jí)、由具體到抽象的一個(gè)過程，交互式教學(xué)方法框架。

圖2 教學(xué)交互層次塔

（一）操作交互

操作交互是學(xué)習(xí)者與媒體界面的交互，體現(xiàn)的是學(xué)習(xí)者使用學(xué)習(xí)媒體的熟練程度。在課程中，充分利用JupyterNotebook來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁操作為主的交互式學(xué)習(xí)。

（二）信息交互

信息交互是學(xué)生與教學(xué)要素的交互，體現(xiàn)的是教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施水平，其包括學(xué)生與學(xué)習(xí)資源之間的交互、師生之間交互，以及學(xué)生與學(xué)生之間關(guān)于信息的交互。

（三）概念交互

概念交互是學(xué)習(xí)者的概念與新概念的交互。概念交互是所有其它教學(xué)交互的根本目的，信息交互是實(shí)現(xiàn)概念交互的策略與過程。

總體來說，通過結(jié)合Jupyter Notebook完成整個(gè)交互式教學(xué)過程如圖3所示。

圖3 Jupyter平臺(tái)交互教學(xué)過程

首先由授課老師創(chuàng)建教學(xué)過程中所有交互過程、編寫說明文檔、數(shù)學(xué)公式圖片以及其他形式的輸入和輸出，也可以是html或PDF的格式的教學(xué)材料、課程項(xiàng)目案例文檔、部分代碼等課程資源，當(dāng)用到項(xiàng)目代碼時(shí)，學(xué)生在線完成代碼編輯和編譯后，即可形成相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)筆記，供后面復(fù)習(xí)與檢索知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候使用。

第二步從本地計(jì)算機(jī)推送并存儲(chǔ)到服務(wù)端或者云端。充分利用Jupter云端分布式版本控制系統(tǒng)，讓學(xué)生可以實(shí)時(shí)在云端獲取所需的學(xué)習(xí)資料，而其完成的作業(yè)代碼也可以提交到系統(tǒng)中，在需要的時(shí)候教師和其他學(xué)生均可查看。具體操作為創(chuàng)建一個(gè)主分支與若干個(gè)學(xué)生分支。主分支的內(nèi)容包括教師使用的材料如課件與筆記、課堂練習(xí)所需的文檔、代碼、發(fā)布給學(xué)生的練習(xí)題。教師可根據(jù)需要控制主分支的版本，比如在所有學(xué)生均提交作業(yè)后才發(fā)布對(duì)應(yīng)的答案。其次，學(xué)生可以從服務(wù)端或云端隨時(shí)克隆和拉取最新版本的學(xué)習(xí)資料，在課外自主學(xué)習(xí)。學(xué)生完成的代碼可以推送到其在服務(wù)端或云端對(duì)應(yīng)的分支，而通過分布式版本控制系統(tǒng)，這些學(xué)生分支不會(huì)與主分支產(chǎn)生沖突。

最后，教師在課堂講授過程中共享自己的屏幕，在講解理論知識(shí)的同時(shí)，實(shí)時(shí)編寫并運(yùn)行代碼，加深與鞏固學(xué)生的理解，提高學(xué)習(xí)效率。同時(shí)學(xué)生應(yīng)同步進(jìn)行代碼編寫，理解和實(shí)踐遇到問題的時(shí)候，教師可隨時(shí)切換到學(xué)生屏幕檢查其完成情況，達(dá)到知行合一的效果。

四、信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)實(shí)踐及建議

對(duì)比網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)實(shí)課堂的差異，結(jié)合實(shí)際具體情況，四種最常用場(chǎng)景如圖4，基于JupterNotebook平臺(tái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生與服務(wù)端或者云端數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)交互、信息交互、自愿交互、價(jià)值交互和身份交互。

圖4 網(wǎng)絡(luò)課堂vs現(xiàn)實(shí)課堂

第一是在線教室，老師和學(xué)生可以在家里或者任何Web網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下上課。第二是電子教室，可以在電子教室里面使用數(shù)字黑板，所有的文檔、信息和在線教室是通用的。第三是課后的各種項(xiàng)目和活動(dòng)，包括作業(yè)、評(píng)測(cè)、打卡。第四是自主學(xué)習(xí)，包括閱讀、寫作、筆記。

利用jupter平臺(tái)搭建及其他工具使用，輔助完成課堂場(chǎng)景、討論場(chǎng)景、練習(xí)場(chǎng)景、考核場(chǎng)景、自學(xué)場(chǎng)景、自我管理6種主要交互式教學(xué)場(chǎng)景教學(xué)任務(wù)。

對(duì)于線上教學(xué)過程，采用超星學(xué)習(xí)通為主要線上日常教學(xué)管理系統(tǒng)，結(jié)合Jupyter Notebook的交互功能實(shí)現(xiàn)對(duì)該課程的教學(xué)交互設(shè)計(jì)，通過直播軟件實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生之間的屏幕共享和課堂互動(dòng)。對(duì)于信號(hào)與系統(tǒng)課程的建設(shè)，總體能夠覆蓋課前引入，理論探討，實(shí)操演練，總結(jié)評(píng)價(jià)的4個(gè)主要方面，具體與學(xué)生互動(dòng)過程包括在線領(lǐng)取任務(wù)書，課程資源線上發(fā)布，理論學(xué)習(xí)過程，線上考核，互動(dòng)討論，實(shí)驗(yàn)操作及評(píng)價(jià)，基本職業(yè)素養(yǎng)、能力過程評(píng)價(jià)，以及課后拓展任務(wù)完成。

以下以課程中信號(hào)與系統(tǒng)中LTI系統(tǒng)的沖激響應(yīng)和階躍響應(yīng)這一知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)過程為例，闡述該教學(xué)方法的實(shí)施情況。以LTI系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為例，

學(xué)生自主完成主要代碼輸入和編輯，運(yùn)行后通過繪圖工具可以實(shí)時(shí)驗(yàn)證結(jié)果。

首先，將關(guān)于LTI系統(tǒng)的階躍響應(yīng)所涉及到的理論知識(shí)對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)材料，以及將使用超星學(xué)習(xí)通將基本課程內(nèi)容上傳到平臺(tái)端，學(xué)生可以在課前預(yù)習(xí)并熟悉這部分內(nèi)容。然后在課程中，教師實(shí)時(shí)使用Jupyter Notebook在不同的Cell中輸入格式化的文本、圖像、公式和視頻、Python代碼（如圖5），學(xué)生在各自計(jì)算機(jī)上同步操作，完成Cell配置和修改后即可運(yùn)行相應(yīng)代碼，顯示結(jié)果如圖6所示。這能讓學(xué)生快速獲得一種將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中的成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，并通過軟件調(diào)試等過程，培養(yǎng)學(xué)生培養(yǎng)批判性思維和獨(dú)立解決問題的能力。

圖5 LTI系統(tǒng)階躍響應(yīng)參考代碼

圖6 階躍響應(yīng)

針對(duì)教學(xué)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生情況充分了解學(xué)生情況，在課中充分發(fā)揮平臺(tái)“交互式”的特點(diǎn)，以學(xué)生為中心，引導(dǎo)學(xué)生邊學(xué)習(xí)理論知識(shí)，邊動(dòng)手實(shí)踐，學(xué)會(huì)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)和解決問題能力提升為主要目標(biāo)，實(shí)施過程中針對(duì)對(duì)學(xué)生練習(xí)過程存在的問題，通過不斷修改和優(yōu)化Cell中的內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生完成操作實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的知識(shí)拓展。課程最后學(xué)生可以通過提交代碼、運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行在線考核，有效的提高課堂上全程和步步評(píng)測(cè)的效率。

五、總結(jié)

利用Jupter平臺(tái)通過新型交互式教學(xué)模式可以有效幫助信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在線學(xué)習(xí)的更高效率和更好效果，極大的滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)、泛在學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)要求；同時(shí)提升了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，計(jì)算機(jī)應(yīng)用及軟件編程能力；培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際工程背景項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題以及解決問題的能力，有效促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，也是對(duì)跨學(xué)科利用該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)交互式教學(xué)的十分有意義的嘗試。