線上線下混合教學信息技術應用
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摘要：開展線上線下混合教學，需要創新教學方法，強化信息技術與教學的深度融合。教學團隊積極探索信息技術在數字信號處理課程教學中的應用，開發遠程虛擬仿真實驗教學平臺，把線上線下混合教學推廣到實驗課教學中。此外，基于人工智能技術開發數字信號處理課程的成績預測軟件，輔助教師開展學情分析，本文旨在探索信息技術在教學中的應用，從而為高校專業課程教學的信息化改革提供參考。
關鍵詞：教育信息化；虛擬仿真實驗；成績預測模型；混合教學；數字信號處理
2018年4月，教育部結合國家的大數據、新一代人工智能和“互聯網+”等戰略部署，提出《教育信息化2.0行動計劃》。教學是教育領域的中心工作，教育信息化的核心內容是教學信息化，包括教學方式現代化、教育傳播信息化、教學手段科技化，并在教學過程中融入大數據、人工智能、多媒體等先進信息技術。2019年10月，教育部提出一流課程建設計劃，號召全體教師參與課程內容創新和模式創新[1]。教育部出臺的相關文件對深化教育改革，實施素質教育具有重大的意義。高等教育改革的步伐越來越快，高等學校面臨著嚴峻的挑戰。隨著教學信息化建設的飛速發展，把更多的信息技術應用到教學中，提升學生的學習效果，是高等學校和教師的重要任務。線上線下混合課程教學和虛擬仿真實驗教學高度依賴信息技術，因此有必要探索信息技術與教育的深度融合，實現教育信息化。5G+人工智能技術的應用，有利于推進教育信息化的發展。本文探索了“以學生為中心”的教學模式，依靠現代信息技術的成果助力線上線下混合教學，融合傳統課堂教學模式與在線教學模式，培養和提高學生的綜合素質。數字信號處理課程的教學實踐表明：依托信息技術的混合教學提高了學生的總評成績，提高了學生的數字技術應用能力。
一、對線上線下混合教學的思考
一流課程強調以質量為導向，以提高學生綜合素質為目標，創新教學方法[1]。線上線下混合教學的目的不僅需要構建數字化教學資源，還需要充分利用信息技術的成果，提高課堂教學效果和學生的學習效果。年輕人喜歡數字媒體，將信息技術融入教學過程是積極吸引學生的好方法。翻轉課堂強調教學要以學生為中心，很多高校都在推廣翻轉課堂教學法[2,3,4]。翻轉課堂契合教育部線上線下混合教學課程的教學目標，翻轉課堂的線上教學需要提供豐富的學習資源，需要信息技術與教學的深度融合；翻轉課堂的線下教學主要解決學生在學習過程中遇到的疑惑，對知識點做歸納總結。在線上線下混合教學活動中依托翻轉課堂，能夠提高學生的主動性和學習興趣，取得很好的教學效果。
二、依托信息技術助力混合教學
混合教學把傳統學習方式和網絡化學習方式結合在一起，能夠充分發揮二者的優勢，既包含教師和學生面對面的課堂互動學習過程，又包含學生的主動學習過程；既保持了傳統課堂教學的優勢，又借助網絡信息技術的優勢，給學生的發展提供平臺。充分利用電子信息技術助力混合教學，提高教學資源的利用率，能夠提高學生的學習效果。多數高校教師采用多媒體結合板書的模式開展線下教學，交互式白板或移動設備可用于顯示圖像和視頻，幫助學生可視化新的知識點，學習可以變得更具互動性。多媒體教學可以靈活應用虛擬動畫等各類音視頻信息輔助教師的教學活動。依托信息技術開展線上教學是線下教學的有益補充，開放的網絡互聯技術使受益的學生數量增多，提高了教學資源利用率。教學團隊成員積極探索了信息化教學在數字信號處理課程教學中的應用，根據語音信號的特點，利用主流的虛擬儀器開發軟件LabVIEW和MATLAB語言混合編程，開發了數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驗證性、設計性和綜合性3類實驗。在2019—2020第2學期，由于疫情，學生不能返校上課，依托網絡信息技術，將虛擬仿真實驗平臺做為線上教學資源，開展數字信號處理課程的遠程虛擬仿真實驗教學，有力地保障了數字信號處理課程教學內容的完整性。數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，能夠方便地實現程序修改、儀器控制和數據分析等功能。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，轉換成頻域語音信號，在頻域角度對語音信號的特征進行了解，例如語音信號的幅度譜和相位譜、功率譜、頻譜包絡分析等。濾波器設計部分包括無限長單位沖激響應和有限長單位沖激響應數字濾波器設計，還可以實現經典濾波器特性分析。純凈語音信號混合不同形式的背景噪聲，實現單通道語音信號的過濾和增強，還可以實現最優參數的數字濾波器，通過實驗平臺動態觀察到輸出結果。為了進一步培養學生的探索精神，在拓展應用部分，可以實現麥克風陣列語音信號增強、端點檢測和語音信號特性分析。由于語音信號的短期穩定性，接收到的信號需要分成幀。對于連續的語音信號，依據直接觀察通過時間線的時域波形來判斷“過零現象”；對于離散信號，當兩個相鄰的信號有不同的符號時，就存在“過零現象”。短時能量和短時過零率是近似互補關系，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行檢測，可以對短時能量的不足進行補充。
麥克風陣列語音增強不僅能去除語音信號中的環境噪聲，而且減少失真，提高了語音信號的傳輸質量和可懂度。通過拓展應用，激發了學生對數字技術的興趣。在2019—2020第2學期，數字信號處理實驗教學利用釘釘課堂和QQ群課堂充當實體教室，通過學生分享桌面答疑、小組討論等多種方式解決學生在實驗過程中遇到的問題。在課前和課后的學習過程中，學生可以通過網絡訪問虛擬仿真實驗平臺，瀏覽微課視頻，查閱文獻，列出實驗涉及的數字信號處理知識點。利用學生自己錄制的或者語音庫中的語音信號，完成拓展實驗內容，保證了數字信號處理課程教學的完整性。當前人工智能進入高速發展時期，預示著信息革命時代的到來。我國在人工智能技術的落地應用方面取得了令人矚目的成就。建設數字化校園、發展智慧教育成為教育界的熱點話題。教育信息化的發展進入快車道。完整的教學過程分為課前、課堂和課后三個階段。課前階段，借助人工智能技術開展學情分析，基于決策樹算法開發了數字信號處理成績預測軟件。首先輸入基尼系數閾值、樣本數量的閾值以及樣本訓練集，通過CART算法生成決策樹，由根節點進行，不斷地遞歸生成一棵分類樹。主要步驟為：（1）如果樣本數據集中的樣本個數低于給定閾值或者缺少特征值，則該節點停止遞歸返回決策樹。（2）計算基尼系數，若基尼系數低于闕值，則該節點停止遞歸返回決策樹。（3）對節點的特征計算基尼系數。（4）選擇基尼系數最小的特征和相應的特征值，基尼系數最小的特征為最優特征。根據條件將數據集分為2份，生成左右兩個節點。（5）對生成的節點重復上述步驟，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剪枝和后剪枝。預剪枝在構造決策樹的同時進行剪枝。決策樹是在無法進一步降低熵的情況下才會停止創建分支，為避免過擬合，要求熵減小的數量小于設定的閾值。后剪枝是在決策樹生長完成之后，對樹進行剪枝，得到簡化版的決策樹。剪枝的過程是對擁有同樣父節點的一組節點進行檢查，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，則這一組節點可以合并為一個節點。后剪枝的剪枝過程刪除一些子樹，然后用其葉子節點代替，這個葉子節點所標識的類別通過大多數原則(majorityclasscriterion)確定。大多數原則是指剪枝過程中，將一些子樹刪除而用葉節點代替，這個葉節點標識的類別用這棵子樹中大多數訓練樣本所屬的類別。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剪枝需要用新的數據集，如果用舊的數據集，不可能出現分裂后的錯誤率比分裂前錯誤率高的情況。由于使用新的數據集沒有參與決策樹的構建，能夠降低訓練數據的影響，降低過擬合的程度。PEP剪枝認為如果決策樹的精度在剪枝前后沒有影響的話，則進行剪枝。開發的成績預測軟件經實測驗證，準確率達到92%，有效地幫助授課教師充分了解學生的基本情況，制定合理的教案。混合教學的課后拓展學習關系到學生的個性化培養[6]，通過課后階段的學習，完成知識強化過程。教師深度掌握學生的課后學習情況是混合教學成功的關鍵，構建在線網絡教學資源可以方便學生的課后復習，學生和教師也可以通過網絡平臺在線交流。
三、課程的教學評價
依托信息技術開展線上線下混合教學，導致課程考核方式隨之變化。完善的評價體系能增強學生努力學習后的成就感，針對教學目標、教學內容、教學組織形式等采用多元化考核評價，以加強對學生課堂內外、線上線下學習的評價。設計多元化教學評價體系，要遵循客觀性、全面性、教育性、定性評價和定量評價相結合、外部評價與自我評價相結合的原則。教育部“新時代高教40條”給出了過程性評價的指導性意見：加強學習過程管理，嚴格過程考核，改革考試形式，增加過程考核成績在總成績的比重，完善學生學習過程監測、評估與反饋機制。實踐中，我們把對學生的考評分解為若干項指標，在平時成績中增加對在線學習的考核，其中在線自主學習考核又被分解為視頻學習、章節測驗、訪問次數、在線作業完成情況等多項內容，按照賦予的權重折算分數。實驗考核依托虛擬實驗平臺，分解為課前預習、課堂完成情況和課后實驗總結報告3項內容。為了引導學生從被動考試向主動學習轉變，授課教師對學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習質量考評分數，將自主在線學習、在線交流、課堂表現、課后作業、階段性測試等按一定比例計入最終成績。好的教學評價體系能夠促進學生形成健康人格的功能，反饋和幫助師生改進教學效果。
四、總結
受疫情影響，2019—2020第2學期的線上教學充分彰顯了信息技術對課堂教學的輔助作用。我們依托信息技術的成果，以混合教學的翻轉課堂為主線，采用騰訊或釘釘課堂充當實體教室功能，超星網絡平臺作為學生的線下自主學習工具，完成了數字信號處理課程的教學，取得了良好的應用效果。在今后的教學工作中，要加強信息技術與教學的深度融合，切實提高課程教學質量，推進教育信息化進一步發展。
參考文獻：
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[6]曹玉東,高影,周城旭,等.基于SPOC混合模式的翻轉課堂教學設計[J].遼寧工業大學學報(社會科學版),2020,22(3):116-118.
作者：曹玉東 周城旭 王冬霞 羅穎 單位：遼寧工業大學