信号与系统实验课程混合式教学模式

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实验课程教学是保证和提高新工科人才培养质量的重要环节之一。然而，传统的“信号与系统实验”课以硬件实验箱为操作平台，这种线下实体教学具有直观、实战性强、锻炼实践能力等优点，但也存在一定问题，如硬件实验器材（如示波器探头、实验箱开关电源、实验模块管脚、连接导线、频谱分析仪等）老化损坏、维修成本高、维修不及时、可扩展性不强等问题[1]。然而，线上实验教学也有一定弊端，如学生无法深刻体验实验设备和仪器、操作实践无法落地等。因此，文章对“信号与系统实验”课程开展线上+线下相结合的实验教学模式探索和实践，分别针对线上、线下实验教学的具体问题，提供有效的教学改革措施，切实提高学生实验课的学习效果，提升“信号与系统实验”课程的教学效果。

一、“信号与系统实验”混合式教学改革的必要性

黑龙江大学“信号与系统实验”课程一直与“信号与系统”理论课相辅相成，2009年以前，该课程是理论课的一个重要部分，2009年以后，独立设为必修课，足以看出“信号与系统实验”课程的重要性。作者根据多年的实验教学经验，总结出完全采用线下教学或线上教学存在的一些问题，具体如下。

（一）完全采用线下实验教学存在的问题

1.课前预习效果不好多数学生在预习环节花费的时间较少，无法达到了解实验目的和原理、掌握基本实验步骤、完成实验预习问题的要求。2.扩展实验困难一些实验启发性和实践性很强，如谐波幅度和相位对波形合成的影响、抽样定理实验、滤波器的设计等。对于学习能力较强的学生开设一些扩展性实验启发其创新性能力是非常必要的，但限于实验室条件、实验学时、实验项目经费不足等因素，线下开设扩展性实验很困难，这就限制了学生探索性和创新性能力的发展。3.实验时间、地域不够灵活“信号与系统实验”线下实验课要求学生在固定的时间段到实验室完成实验内容，时间和地点不够灵活[2]，不能像线上实验那样自主掌握实验时间和地点。4.教师统计成绩困难教师在完成实验教学任务后需要记录出勤情况、实验操作表现、批改实验报告、整理期末成绩等，需要付出很多时间和精力。

（二）完全采用线上实验教学存在的问题

2020年新冠疫情期间，为积极响应教育部“停课不停教，停课不停学”重要指示[3]，“信号与系统实验”进行线上教学实践。教学实践表明，完全线上实验教学尽管打破了时间和空间的限制，但也存在一定弊端。例如，师生对实验教学过程监管和指导很难做到实时、客观，实验效果很大程度上取决于学生的自主性和自觉性，教师很难及时纠正学生实验过程中出现的问题。同时，学生对实验设备和实验仪器没有体验感，仅能通过在线仿真实验平台进行简单的连线操作和观察，操作相对简单，没有具体调试、纠错、测量等实践过程，实践能力和体验感不理想。黑龙江大学电子工程学院融合多样化信息教学手段，与南京润众科技有限公司合作，利用该公司提供的、与线下实验箱完全配套的“信号与系统在线实验平台”，借助“超星学习通”学习平台，构建“信号与系统实验”混合式教学模式。在线上实验阶段，学生只要具备网络和终端设备，就可以随时开展线上模拟实验，弥补了线下实验只能在固定时间、固定地点的不足[4]；在线下实验阶段，学生不再完全依赖教师的课堂讲解，而是在线上实验阶段就了解实验原理、实验要点等，提高了线下实验效率和实验效果，同时，学有余力的学生还可以通过线上实验平台完成自选扩展性实验，线下实验时进行进一步验证。

二、“信号与系统实验”线上教学建设

线下教学设备和线上教学资源是进行“信号与系统实验”混合式教学的基础。线上教学时，以教学大纲为基础，从以下3方面进行建设。

（一）即时交流工具的建设

为了做到师生信息实时畅通，方便问题解答、教师发布信息、学生下载线上实验讲义等，任课教师选定并建立了方便、通用、具备文件存储功能的即时交流工具———QQ群。教师在群公告发布重要信息、群文件上传线上实验讲义、群聊里回答学生提问。

（二）“超星学习通”课程资源建设

“超星学习通”自主学习平台功能完善，可以满足课程资源建设要求。教师将提前编写的“线上实验指导书”上传到学习通“资料”模块，同时录制与线下实验项目一一对应的“线上实验操作视频”，每个视频资料都设置了任务点，观看90%以上内容之后才能进行线上模拟实验，同时进行了防拖拽设置，目的是希望学生能完整观看实验演示视频，对实验原理和实验操作流程有一定把握。线上实验要求学生提前完成，并将线上实验结果上传至“作业”模块，线下实验时，教师会检查学生线上实验截屏记录，防抄袭防复制，使学生自主完成在线实验。同时，在“讨论”模块，教师对每个实验都有针对性地发布相应的问题，启发学生自主思考，使学生带着问题完成实验。6个必修的线上实验项目完成之后，在“活动”模块发起调查问卷，了解“信号与系统实验”混合式教学授课效果，以便课程后续的持续改进。如图1所示。

（三）在线实验平台建设

利用南京润众科技有限公司提供的、与线下实验箱完全配套的“信号与系统在线实验平台”，供学生免费进行线上模拟实验。线下实验项目与线上实验项目完全对应，其中线下实验共12学时6个实验项目，线上实验共21个实验项目。学生如果学有余力，在完成必修的6个在线实验项目后可以自主地做些扩展性实验。

三、混合式实验教学的实施

在完成线上实验建设后，线下实验阶段可以利用实验箱、探头、频谱分析仪、信号发生器、计算机等实验教学设备，根据教师提供的线下实验讲义开展具体实验连线、调试、纠错、画图、撰写实验报告等。同时，开展混合式教学时还制定了以下具体措施。

（一）线上学习要求

为了让学生掌握实验原理和操作规范，录制的教学视频设置了任务点和防拖拽功能，要求学生必须完整观看，同时需要回答预设问题[5]。为了方便学生预习理解实验原理和相关基础知识，在新编的实验讲义中补充了预习思考题，使学生带着问题，有目的、有思考地观看视频并给出结论。

（二）线上监管与考核

为了配合线下实验，线上实验要在线下实验之前完成，实验结果以“作业”的形式上传至“超星学习通”，作业评分采用学生互评，每生互评5份，“超星学习通”自动统计所有实验项目的平均分数。任课教师可以从手机或电脑终端查看、导出每位学生的实验结果和得分情况，线上实验成绩按一定比例计入学生的总实验成绩。为了巩固和监督学生的线上预习情况，线上实验环节占总评成绩的50%，既保证了实验过程考核及评价的客观公正，又激发了学生的主动性和积极性。同时，在“超星学习通”平台提交线上实验数据及学生互评，大大减少了实验课教师的工作量，学生互评可以学习其他同学的实验过程，有利于取长补短，实践证明效果很好。

（三）线下教学设计

通过“超星学习通”线上实验学习资源、在线实验平台、线上实验与考核具体要求，学生做实验的效率和效果明显提高。实验问卷调查结果表明，学生线下实验对教师的依赖性减少，线上实验起到了很好的预习和演练作用，开展线下实验之前，多数学生已经掌握了实验相关基础知识。因此，在线下实验讲解部分，教师无需过多地对实验原理和实验步骤重新讲解，只需强调重点难点、实验步骤、注意事项等，同时设计一些思考题和讨论内容，把课堂交给学生动手实践，充分利用课堂时间完成实验内容、讨论题和思考题。教师更多的时间用于发现和指导学生实验过程中存在的问题，并加以强调和更正，给学有余力的学生布置一些扩展性、探究性实验。

四、合理设定混合式实验教学的课程成绩评定方法

为了客观、公平地评价学生的实验结果，确定了混合式实验教学的课程成绩评定方法：线上实验50%（学习通视频学习15%，作业提交10%，互评结果20%，讨论交流5%），线下实验50%（实验数据正确性和真实性10%，实验操作20%，实验报告20%）[6]。同时，为了确保成绩评价的客观性，每次线下实验课开始前，教师检查学生预习及线上实验情况，实验结束前15分钟，教师检查学生的实验数据正确性和实验完成程度，并依次给出等级评价，作为线下实验操作表现的评价。总之，改革传统“信号与系统实验”课程的教学方式，构建“信号与系统实验”混合式实验教学模式势在必行。线上实验是线下实验的有力补充，保证了线下实验的预习效果和实验操作的顺利进行，同时线下实验使学生的实践动手能力得到锻炼，进一步巩固验证线上实验。“信号与系统实验”混合式教学可扬长避短，互促互利，激发学生的实验热情和自主性，提高实验教学效果。

作者:朱福珍 巫 红 汪国强 单位:黑龙江大学