線上線下混合教學(xué)信息技術(shù)應(yīng)用
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摘要：開展線上線下混合教學(xué)，需要?jiǎng)?chuàng)新教學(xué)方法，強(qiáng)化信息技術(shù)與教學(xué)的深度融合。教學(xué)團(tuán)隊(duì)積極探索信息技術(shù)在數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中的應(yīng)用，開發(fā)遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，把線上線下混合教學(xué)推廣到實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中。此外，基于人工智能技術(shù)開發(fā)數(shù)字信號(hào)處理課程的成績預(yù)測軟件，輔助教師開展學(xué)情分析，本文旨在探索信息技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，從而為高校專業(yè)課程教學(xué)的信息化改革提供參考。
關(guān)鍵詞：教育信息化；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；成績預(yù)測模型；混合教學(xué)；數(shù)字信號(hào)處理
2018年4月，教育部結(jié)合國家的大數(shù)據(jù)、新一代人工智能和“互聯(lián)網(wǎng)+”等戰(zhàn)略部署，提出《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》。教學(xué)是教育領(lǐng)域的中心工作，教育信息化的核心內(nèi)容是教學(xué)信息化，包括教學(xué)方式現(xiàn)代化、教育傳播信息化、教學(xué)手段科技化，并在教學(xué)過程中融入大數(shù)據(jù)、人工智能、多媒體等先進(jìn)信息技術(shù)。2019年10月，教育部提出一流課程建設(shè)計(jì)劃，號(hào)召全體教師參與課程內(nèi)容創(chuàng)新和模式創(chuàng)新[1]。教育部出臺(tái)的相關(guān)文件對(duì)深化教育改革，實(shí)施素質(zhì)教育具有重大的意義。高等教育改革的步伐越來越快，高等學(xué)校面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著教學(xué)信息化建設(shè)的飛速發(fā)展，把更多的信息技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，是高等學(xué)校和教師的重要任務(wù)。線上線下混合課程教學(xué)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)高度依賴信息技術(shù)，因此有必要探索信息技術(shù)與教育的深度融合，實(shí)現(xiàn)教育信息化。5G+人工智能技術(shù)的應(yīng)用，有利于推進(jìn)教育信息化的發(fā)展。本文探索了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式，依靠現(xiàn)代信息技術(shù)的成果助力線上線下混合教學(xué)，融合傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式與在線教學(xué)模式，培養(yǎng)和提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)實(shí)踐表明：依托信息技術(shù)的混合教學(xué)提高了學(xué)生的總評(píng)成績，提高了學(xué)生的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用能力。
一、對(duì)線上線下混合教學(xué)的思考
一流課程強(qiáng)調(diào)以質(zhì)量為導(dǎo)向，以提高學(xué)生綜合素質(zhì)為目標(biāo)，創(chuàng)新教學(xué)方法[1]。線上線下混合教學(xué)的目的不僅需要構(gòu)建數(shù)字化教學(xué)資源，還需要充分利用信息技術(shù)的成果，提高課堂教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。年輕人喜歡數(shù)字媒體，將信息技術(shù)融入教學(xué)過程是積極吸引學(xué)生的好方法。翻轉(zhuǎn)課堂強(qiáng)調(diào)教學(xué)要以學(xué)生為中心，很多高校都在推廣翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法[2,3,4]。翻轉(zhuǎn)課堂契合教育部線上線下混合教學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)，翻轉(zhuǎn)課堂的線上教學(xué)需要提供豐富的學(xué)習(xí)資源，需要信息技術(shù)與教學(xué)的深度融合；翻轉(zhuǎn)課堂的線下教學(xué)主要解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的疑惑，對(duì)知識(shí)點(diǎn)做歸納總結(jié)。在線上線下混合教學(xué)活動(dòng)中依托翻轉(zhuǎn)課堂，能夠提高學(xué)生的主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣，取得很好的教學(xué)效果。
二、依托信息技術(shù)助力混合教學(xué)
混合教學(xué)把傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式和網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)方式結(jié)合在一起，能夠充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，既包含教師和學(xué)生面對(duì)面的課堂互動(dòng)學(xué)習(xí)過程，又包含學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)過程；既保持了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，又借助網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，給學(xué)生的發(fā)展提供平臺(tái)。充分利用電子信息技術(shù)助力混合教學(xué)，提高教學(xué)資源的利用率，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。多數(shù)高校教師采用多媒體結(jié)合板書的模式開展線下教學(xué)，交互式白板或移動(dòng)設(shè)備可用于顯示圖像和視頻，幫助學(xué)生可視化新的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)習(xí)可以變得更具互動(dòng)性。多媒體教學(xué)可以靈活應(yīng)用虛擬動(dòng)畫等各類音視頻信息輔助教師的教學(xué)活動(dòng)。依托信息技術(shù)開展線上教學(xué)是線下教學(xué)的有益補(bǔ)充，開放的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)使受益的學(xué)生數(shù)量增多，提高了教學(xué)資源利用率。教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員積極探索了信息化教學(xué)在數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中的應(yīng)用，根據(jù)語音信號(hào)的特點(diǎn)，利用主流的虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW和MATLAB語言混合編程，開發(fā)了數(shù)字信號(hào)處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[5]。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的拓展功能包括語音信號(hào)采集、分析和語音增強(qiáng)等，可以在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和綜合性3類實(shí)驗(yàn)。在2019—2020第2學(xué)期，由于疫情，學(xué)生不能返校上課，依托網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)做為線上教學(xué)資源，開展數(shù)字信號(hào)處理課程的遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有力地保障了數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)內(nèi)容的完整性。數(shù)字信號(hào)處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的界面如圖1所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的信號(hào)采集包括單通道和多通道實(shí)時(shí)語音信號(hào)采集、波形顯示和分幀處理等操作。LabVIEW提供了一套功能模板庫，能夠方便地實(shí)現(xiàn)程序修改、儀器控制和數(shù)據(jù)分析等功能。時(shí)頻域分析主要是對(duì)采集到的信號(hào)做頻域特征分析，語音信號(hào)的頻域分析就是將時(shí)域語音信號(hào)通過傅里葉變換，轉(zhuǎn)換成頻域語音信號(hào)，在頻域角度對(duì)語音信號(hào)的特征進(jìn)行了解，例如語音信號(hào)的幅度譜和相位譜、功率譜、頻譜包絡(luò)分析等。濾波器設(shè)計(jì)部分包括無限長單位沖激響應(yīng)和有限長單位沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，還可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典濾波器特性分析。純凈語音信號(hào)混合不同形式的背景噪聲，實(shí)現(xiàn)單通道語音信號(hào)的過濾和增強(qiáng)，還可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)的數(shù)字濾波器，通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)動(dòng)態(tài)觀察到輸出結(jié)果。為了進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的探索精神，在拓展應(yīng)用部分，可以實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)陣列語音信號(hào)增強(qiáng)、端點(diǎn)檢測和語音信號(hào)特性分析。由于語音信號(hào)的短期穩(wěn)定性，接收到的信號(hào)需要分成幀。對(duì)于連續(xù)的語音信號(hào)，依據(jù)直接觀察通過時(shí)間線的時(shí)域波形來判斷“過零現(xiàn)象”；對(duì)于離散信號(hào)，當(dāng)兩個(gè)相鄰的信號(hào)有不同的符號(hào)時(shí)，就存在“過零現(xiàn)象”。短時(shí)能量和短時(shí)過零率是近似互補(bǔ)關(guān)系，短時(shí)能量在對(duì)濁音檢測時(shí)，可以很好地將語音信息和噪聲分開。然而在對(duì)清音判別時(shí)，效果就不會(huì)很理想，此時(shí)用短時(shí)過零率進(jìn)行檢測，可以對(duì)短時(shí)能量的不足進(jìn)行補(bǔ)充。
麥克風(fēng)陣列語音增強(qiáng)不僅能去除語音信號(hào)中的環(huán)境噪聲，而且減少失真，提高了語音信號(hào)的傳輸質(zhì)量和可懂度。通過拓展應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生對(duì)數(shù)字技術(shù)的興趣。在2019—2020第2學(xué)期，數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)利用釘釘課堂和QQ群課堂充當(dāng)實(shí)體教室，通過學(xué)生分享桌面答疑、小組討論等多種方式解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題。在課前和課后的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，瀏覽微課視頻，查閱文獻(xiàn)，列出實(shí)驗(yàn)涉及的數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)點(diǎn)。利用學(xué)生自己錄制的或者語音庫中的語音信號(hào)，完成拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，保證了數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)的完整性。當(dāng)前人工智能進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，預(yù)示著信息革命時(shí)代的到來。我國在人工智能技術(shù)的落地應(yīng)用方面取得了令人矚目的成就。建設(shè)數(shù)字化校園、發(fā)展智慧教育成為教育界的熱點(diǎn)話題。教育信息化的發(fā)展進(jìn)入快車道。完整的教學(xué)過程分為課前、課堂和課后三個(gè)階段。課前階段，借助人工智能技術(shù)開展學(xué)情分析，基于決策樹算法開發(fā)了數(shù)字信號(hào)處理成績預(yù)測軟件。首先輸入基尼系數(shù)閾值、樣本數(shù)量的閾值以及樣本訓(xùn)練集，通過CART算法生成決策樹，由根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，不斷地遞歸生成一棵分類樹。主要步驟為：（1）如果樣本數(shù)據(jù)集中的樣本個(gè)數(shù)低于給定閾值或者缺少特征值，則該節(jié)點(diǎn)停止遞歸返回決策樹。（2）計(jì)算基尼系數(shù)，若基尼系數(shù)低于闕值，則該節(jié)點(diǎn)停止遞歸返回決策樹。（3）對(duì)節(jié)點(diǎn)的特征計(jì)算基尼系數(shù)。（4）選擇基尼系數(shù)最小的特征和相應(yīng)的特征值，基尼系數(shù)最小的特征為最優(yōu)特征。根據(jù)條件將數(shù)據(jù)集分為2份，生成左右兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。（5）對(duì)生成的節(jié)點(diǎn)重復(fù)上述步驟，完成決策樹建立。如果讓決策樹自由生長，決策樹可能過擬合，所以需要對(duì)決策樹進(jìn)行剪枝，以提升決策樹模型的泛化能力。決策樹剪枝可分為預(yù)剪枝和后剪枝。預(yù)剪枝在構(gòu)造決策樹的同時(shí)進(jìn)行剪枝。決策樹是在無法進(jìn)一步降低熵的情況下才會(huì)停止創(chuàng)建分支，為避免過擬合，要求熵減小的數(shù)量小于設(shè)定的閾值。后剪枝是在決策樹生長完成之后，對(duì)樹進(jìn)行剪枝，得到簡化版的決策樹。剪枝的過程是對(duì)擁有同樣父節(jié)點(diǎn)的一組節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查，判斷如果將其合并，熵的增加量是否小于閾值。如果滿足條件，則這一組節(jié)點(diǎn)可以合并為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。后剪枝的剪枝過程刪除一些子樹，然后用其葉子節(jié)點(diǎn)代替，這個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)所標(biāo)識(shí)的類別通過大多數(shù)原則(majorityclasscriterion)確定。大多數(shù)原則是指剪枝過程中，將一些子樹刪除而用葉節(jié)點(diǎn)代替，這個(gè)葉節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)的類別用這棵子樹中大多數(shù)訓(xùn)練樣本所屬的類別。后剪枝算法有很多種，主要包括錯(cuò)誤率降低剪枝（educed-ErrorPruning,REP）和悲觀剪枝（PessimisticErrorPruning,PEP）。REP剪枝需要用新的數(shù)據(jù)集，如果用舊的數(shù)據(jù)集，不可能出現(xiàn)分裂后的錯(cuò)誤率比分裂前錯(cuò)誤率高的情況。由于使用新的數(shù)據(jù)集沒有參與決策樹的構(gòu)建，能夠降低訓(xùn)練數(shù)據(jù)的影響，降低過擬合的程度。PEP剪枝認(rèn)為如果決策樹的精度在剪枝前后沒有影響的話，則進(jìn)行剪枝。開發(fā)的成績預(yù)測軟件經(jīng)實(shí)測驗(yàn)證，準(zhǔn)確率達(dá)到92%，有效地幫助授課教師充分了解學(xué)生的基本情況，制定合理的教案。混合教學(xué)的課后拓展學(xué)習(xí)關(guān)系到學(xué)生的個(gè)性化培養(yǎng)[6]，通過課后階段的學(xué)習(xí)，完成知識(shí)強(qiáng)化過程。教師深度掌握學(xué)生的課后學(xué)習(xí)情況是混合教學(xué)成功的關(guān)鍵，構(gòu)建在線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源可以方便學(xué)生的課后復(fù)習(xí)，學(xué)生和教師也可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)在線交流。
三、課程的教學(xué)評(píng)價(jià)
依托信息技術(shù)開展線上線下混合教學(xué)，導(dǎo)致課程考核方式隨之變化。完善的評(píng)價(jià)體系能增強(qiáng)學(xué)生努力學(xué)習(xí)后的成就感，針對(duì)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)組織形式等采用多元化考核評(píng)價(jià)，以加強(qiáng)對(duì)學(xué)生課堂內(nèi)外、線上線下學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)多元化教學(xué)評(píng)價(jià)體系，要遵循客觀性、全面性、教育性、定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)相結(jié)合、外部評(píng)價(jià)與自我評(píng)價(jià)相結(jié)合的原則。教育部“新時(shí)代高教40條”給出了過程性評(píng)價(jià)的指導(dǎo)性意見：加強(qiáng)學(xué)習(xí)過程管理，嚴(yán)格過程考核，改革考試形式，增加過程考核成績?cè)诳偝煽兊谋戎?，完善學(xué)生學(xué)習(xí)過程監(jiān)測、評(píng)估與反饋機(jī)制。實(shí)踐中，我們把對(duì)學(xué)生的考評(píng)分解為若干項(xiàng)指標(biāo)，在平時(shí)成績中增加對(duì)在線學(xué)習(xí)的考核，其中在線自主學(xué)習(xí)考核又被分解為視頻學(xué)習(xí)、章節(jié)測驗(yàn)、訪問次數(shù)、在線作業(yè)完成情況等多項(xiàng)內(nèi)容，按照賦予的權(quán)重折算分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)考核依托虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分解為課前預(yù)習(xí)、課堂完成情況和課后實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告3項(xiàng)內(nèi)容。為了引導(dǎo)學(xué)生從被動(dòng)考試向主動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，授課教師對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)考核要貫穿線上、線下全過程。必須增加對(duì)過程性的學(xué)習(xí)質(zhì)量考評(píng)分?jǐn)?shù)，將自主在線學(xué)習(xí)、在線交流、課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、階段性測試等按一定比例計(jì)入最終成績。好的教學(xué)評(píng)價(jià)體系能夠促進(jìn)學(xué)生形成健康人格的功能，反饋和幫助師生改進(jìn)教學(xué)效果。
四、總結(jié)
受疫情影響，2019—2020第2學(xué)期的線上教學(xué)充分彰顯了信息技術(shù)對(duì)課堂教學(xué)的輔助作用。我們依托信息技術(shù)的成果，以混合教學(xué)的翻轉(zhuǎn)課堂為主線，采用騰訊或釘釘課堂充當(dāng)實(shí)體教室功能，超星網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)作為學(xué)生的線下自主學(xué)習(xí)工具，完成了數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)，取得了良好的應(yīng)用效果。在今后的教學(xué)工作中，要加強(qiáng)信息技術(shù)與教學(xué)的深度融合，切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量，推進(jìn)教育信息化進(jìn)一步發(fā)展。
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作者：曹玉東 周城旭 王冬霞 羅穎 單位：遼寧工業(yè)大學(xué)