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)，需要創(chuàng)新教學(xué)方法，強化信息技術(shù)與教學(xué)的深度融合。教學(xué)團隊積極探索信息技術(shù)在數(shù)字信號處理課程教學(xué)中的應(yīng)用，開發(fā)遠(yuǎn)程虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，把線上線下混合教學(xué)推廣到實驗課教學(xué)中。此外，基于人工智能技術(shù)開發(fā)數(shù)字信號處理課程的成績預(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；虛擬仿真實驗；成績預(yù)測模型；混合教學(xué)；數(shù)字信號處理
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行動計劃》。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)計劃，號召全體教師參與課程內(nèi)容創(chuàng)新和模式創(chuàng)新[1]。教育部出臺的相關(guān)文件對深化教育改革，實施素質(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)和虛擬仿真實驗教學(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)字信號處理課程的教學(xué)實踐表明：依托信息技術(shù)的混合教學(xué)提高了學(xué)生的總評成績，提高了學(xué)生的數(shù)字技術(shù)應(yīng)用能力。
一、對線上線下混合教學(xué)的思考
一流課程強調(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，對知識點做歸納總結(jié)。在線上線下混合教學(xué)活動中依托翻轉(zhuǎn)課堂，能夠提高學(xué)生的主動性和學(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，既包含教師和學(xué)生面對面的課堂互動學(xué)習(xí)過程，又包含學(xué)生的主動學(xué)習(xí)過程；既保持了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的優(yōu)勢，又借助網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的優(yōu)勢，給學(xué)生的發(fā)展提供平臺。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)生可視化新的知識點，學(xué)習(xí)可以變得更具互動性。多媒體教學(xué)可以靈活應(yīng)用虛擬動畫等各類音視頻信息輔助教師的教學(xué)活動。依托信息技術(shù)開展線上教學(xué)是線下教學(xué)的有益補充，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)團隊成員積極探索了信息化教學(xué)在數(shù)字信號處理課程教學(xué)中的應(yīng)用，根據(jù)語音信號的特點，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)字信號處理虛擬仿真實驗平臺[5]。該實驗平臺的拓展功能包括語音信號采集、分析和語音增強等，可以在該實驗平臺上實現(xiàn)驗證性、設(shè)計性和綜合性3類實驗。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)，將虛擬仿真實驗平臺做為線上教學(xué)資源，開展數(shù)字信號處理課程的遠(yuǎn)程虛擬仿真實驗教學(xué)，有力地保障了數(shù)字信號處理課程教學(xué)內(nèi)容的完整性。數(shù)字信號處理虛擬仿真實驗平臺的界面如圖1所示。實驗平臺的信號采集包括單通道和多通道實時語音信號采集、波形顯示和分幀處理等操作。LabVIEW提供了一套功能模板庫，能夠方便地實現(xiàn)程序修改、儀器控制和數(shù)據(jù)分析等功能。時頻域分析主要是對采集到的信號做頻域特征分析，語音信號的頻域分析就是將時域語音信號通過傅里葉變換，轉(zhuǎn)換成頻域語音信號，在頻域角度對語音信號的特征進(jìn)行了解，例如語音信號的幅度譜和相位譜、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，還可以實現(xiàn)經(jīng)典濾波器特性分析。純凈語音信號混合不同形式的背景噪聲，實現(xiàn)單通道語音信號的過濾和增強，還可以實現(xiàn)最優(yōu)參數(shù)的數(shù)字濾波器，通過實驗平臺動態(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，可以實現(xiàn)麥克風(fēng)陣列語音信號增強、端點檢測和語音信號特性分析。由于語音信號的短期穩(wěn)定性，接收到的信號需要分成幀。對于連續(xù)的語音信號，依據(jù)直接觀察通過時間線的時域波形來判斷“過零現(xiàn)象”；對于離散信號，當(dāng)兩個相鄰的信號有不同的符號時，就存在“過零現(xiàn)象”。短時能量和短時過零率是近似互補關(guān)系，短時能量在對濁音檢測時，可以很好地將語音信息和噪聲分開。然而在對清音判別時，效果就不會很理想，此時用短時過零率進(jìn)行檢測，可以對短時能量的不足進(jìn)行補充。
麥克風(fēng)陣列語音增強不僅能去除語音信號中的環(huán)境噪聲，而且減少失真，提高了語音信號的傳輸質(zhì)量和可懂度。通過拓展應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生對數(shù)字技術(shù)的興趣。在2019—2020第2學(xué)期，數(shù)字信號處理實驗教學(xué)利用釘釘課堂和QQ群課堂充當(dāng)實體教室，通過學(xué)生分享桌面答疑、小組討論等多種方式解決學(xué)生在實驗過程中遇到的問題。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)訪問虛擬仿真實驗平臺，瀏覽微課視頻，查閱文獻(xiàn)，列出實驗涉及的數(shù)字信號處理知識點。利用學(xué)生自己錄制的或者語音庫中的語音信號，完成拓展實驗內(nèi)容，保證了數(shù)字信號處理課程教學(xué)的完整性。當(dāng)前人工智能進(jìn)入高速發(fā)展時期，預(yù)示著信息革命時代的到來。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)集中的樣本個數(shù)低于給定閾值或者缺少特征值，則該節(jié)點停止遞歸返回決策樹。（2）計算基尼系數(shù)，若基尼系數(shù)低于闕值，則該節(jié)點停止遞歸返回決策樹。（3）對節(jié)點的特征計算基尼系數(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，生成左右兩個節(jié)點。（5）對生成的節(jié)點重復(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，對樹進(jìn)行剪枝，得到簡化版的決策樹。剪枝的過程是對擁有同樣父節(jié)點的一組節(jié)點進(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)點可以合并為一個節(jié)點。后剪枝的剪枝過程刪除一些子樹，然后用其葉子節(jié)點代替，這個葉子節(jié)點所標(biāo)識的類別通過大多數(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)點代替，這個葉節(jié)點標(biāo)識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)分裂后的錯誤率比分裂前錯誤率高的情況。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)實測驗證，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?；旌辖虒W(xué)的課后拓展學(xué)習(xí)關(guān)系到學(xué)生的個性化培養(yǎng)[6]，通過課后階段的學(xué)習(xí)，完成知識強化過程。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)平臺在線交流。
三、課程的教學(xué)評價
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。完善的評價體系能增強學(xué)生努力學(xué)習(xí)后的成就感，針對教學(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價，以加強對學(xué)生課堂內(nèi)外、線上線下學(xué)習(xí)的評價。設(shè)計多元化教學(xué)評價體系，要遵循客觀性、全面性、教育性、定性評價和定量評價相結(jié)合、外部評價與自我評價相結(jié)合的原則。教育部“新時代高教40條”給出了過程性評價的指導(dǎo)性意見：加強學(xué)習(xí)過程管理，嚴(yán)格過程考核，改革考試形式，增加過程考核成績在總成績的比重，完善學(xué)生學(xué)習(xí)過程監(jiān)測、評估與反饋機制。實踐中，我們把對學(xué)生的考評分解為若干項指標(biāo)，在平時成績中增加對在線學(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、訪問次數(shù)、在線作業(yè)完成情況等多項內(nèi)容，按照賦予的權(quán)重折算分?jǐn)?shù)。實驗考核依托虛擬實驗平臺，分解為課前預(yù)習(xí)、課堂完成情況和課后實驗總結(jié)報告3項內(nèi)容。為了引導(dǎo)學(xué)生從被動考試向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，授課教師對學(xué)生的評價考核要貫穿線上、線下全過程。必須增加對過程性的學(xué)習(xí)質(zhì)量考評分?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入最終成績。好的教學(xué)評價體系能夠促進(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)實體教室功能，超星網(wǎng)絡(luò)平臺作為學(xué)生的線下自主學(xué)習(xí)工具，完成了數(shù)字信號處理課程的教學(xué)，取得了良好的應(yīng)用效果。在今后的教學(xué)工作中，要加強信息技術(shù)與教學(xué)的深度融合，切實提高課程教學(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)