1 问题分析
元宇宙集虚拟现实、增强现实、混合现实、扩展现实、5G、人工智能、大数据、云计算等新兴信息技术于一体，是第三代互联网技术。教育元宇宙将会构建以现实物理空间为核心，以资源生态、社会交往、探究学习和评价体系系统等为关键环节的智慧学习空间，形成虚实共生和跨界探索的未来教育形态。如何充分利用元宇宙的特点促进教育方式变革成为研究热点[1]。
教育元宇宙的应用场景可以归纳为泛在可验证的智慧学习、深度沉浸的体验式学习、跨时空的深度协作发现式学习、虚实融生的协同知识生成学习。在信息类课程教学视域下不乏见到如扩展现实技术之于数字化虚拟仿真和远程协作技术等以“锦上添花”的方式对传统实验实践手段的补充或增强，然而能将混合现实、扩展现实、5G、人工智能、大数据、云计算等这些“离散”技术能力经过统一整合、融合应用于满足教学需求的、“集大成”的元宇宙赋能教学的模式和生态尚未产生，元宇宙相关理论探索与技术研发还处于启蒙与发展的初期阶段[2]，但仍然可以循着教育元宇宙场景所呈现出深度沉浸体验式学习、跨时空深度协作发现式学习等趋势，从3个方面对传统教学改革以提升教学效果：①线上线下混合，元宇宙是由现实世界映射，可与现实世界交互的虚拟世界，互联网将现实对象与虚拟对象联系在一起；②虚实结合，元宇宙通过虚拟技术可以模拟真实世界的情境，为学生提供更加身临其境的体验活动；③大数据和信息技术融合，元宇宙的虚拟世界经由数字化技术勾勒而成，本质上是各种信息技术和数据融合的产物。
数字信号处理课程是信息科学和信息技术发展的基础理论，不仅是电子工程、通信工程、语音处理、图像处理等传统本科专业的核心课程，还是大数据、人工智能、物联网工程等新工科专业的基础课程，同样是元宇宙实现的理论基础。课程主要研究数字信号的获取、变换、分析以及滤波等基本原理和基本方法，在信息类人才培养方案的课程体系中处于承上启下的关键地位，对于夯实信号处理基础理论，培养学生的科学思维能力、工程实践能力和创新研究精神具有重要作用[3-4]。
数字信号处理课程理论性强，与应用结合密切且带着浓重的高科技色彩，传统教学实施过程中面临很大的挑战[5-6]：①教材内容滞后，难以体现对行业发展的理论支撑；②课程数学公式多，推演复杂，学生难以理解物理意义，畏难情绪重；③理论和实践脱节，缺乏典型工程应用案例，学生难以学以致用；④实验环节以验证性为主，缺乏综合性、拓展性实验内容，学生创新能力欠缺。国内不同高校数字信号处理课程教学团队积极探索了相关教学改革实践[7-9]，如文献[10]中提出渐进混合式教学模式，构建了“理论 T+实践 G+协作 C”三能力提高的渐进混合式教学体系，使学生的自信心和专业责任感明显增强。作为一种随着信息化深度融入教育的新的学习范式，混合式教学在体现出独特优越性的同时，在实施时仍然存在线上线下环节简单叠加，教学资源缺乏动态化、形象化，评价体系单一等问题[11-12]，从而表现出形式化的特征，难以充分发挥混合式教学的优势，传统教学的弊端仍然存在。
2 四维融合混合式教学模式
四维融合混合式教学模式如图1所示，即以沉浸式学习体验为导向，充分借力信息化手段，借助“线上学习、线下教学循环”“传统教学、数字技术互补”的混合式教学手段，构建价值塑造与专业知识并重、理论学习与实践训练相辅、基础内容与前沿理论递进、独立思考与团队协作结合的混合式教学范式。
1）根植课程特点，深挖思政元素，找准契合点，实现价值塑造与专业知识的并重。
从“立德树人”出发，把握专业培养目标对课程的要求，遵循课程的知识体系，结合科学技术哲学，根植课程特点，从家国情怀、科学素养、人文知识等方向进行思政元素挖掘，并细化到每一章、每一节，形成专业知识与思政元素相融合的知识版图。
2）围绕核心知识点设计“工程案例”，学中做，做中学，体现理论学习与实践训练的相辅。
以共同性的“基本概念、基本理论和基本方法”内容为基础，以“实践环节”内容为桥梁，以“典型应用”内容为牵引，将经典理论与软件仿真有机结合，精心设计与教学内容紧密结合并对理论有所拓展的实验实践项目，横向关联，强调各知识模块之间的内在联系，纵向落实，突出从理论到实现的综合应用。
3）课堂精准讲授抓基础，课后知识拓展引前沿，实现基础内容到前沿理论的递进。
课程教学既注重基础，又紧跟学科发展前沿。线下教学中，在夯实基本理论的基础上，增加与专业相关的前沿性知识，使学生了解本专业的最新发展成果、相关应用行业；线上为学生提供前沿的资源链接、视频、案例，同时辅以相应任务做到专业知识的学习与时代同步。
4）从独立完成的单项练习、专项训练到小组协同完成的综合课题，让独立思考与团队协作紧密结合。
线上由教师在网络平台发布学习资源和学习任务，学生按照要求完成任务，该过程以认识新知识、掌握事实性知识、形成独立自主学习能力为主要目标，为线下授课提供问题来源；线下创造沉浸式学习氛围对学生自主学习中遇到的疑难问题，针对性地进行精准讲授，并组织各项以小组为单位的教学活动，包括问题交流、小组协作实践、成果展示、综合课题等，有效培养学生的团队协作能力。
3 数字信号处理四维融合混合式教学改革实践
1）多维立体资源建设。
利用
、动画、音视频等信息化手段重塑课程内容，进行立体化、多维输出，构建沉浸式学习资源。
紧扣教学重难点，把握学生关注点，结合社会热点事件，从多媒体课件、在线课程、虚拟仿真、思维导图、微信公众平台等多方面构建专业知识与思政元素互融的多维立体资源，可以从以下几方面入手。
（1）多媒体课件：针对学生难以理解的公式、定理，引入三维演示动画，结合自主制作的交互式动画进行拆解，化静为动，化繁为简；对核心知识点设计典型工程案例，将抽象的算法与生活场景紧密结合，从理论到实践，让学生感知现代生活处处皆数字，真正学以致用。
（2）在线课程：利用超星泛雅平台建立在线课程，针对学情建立相应的线上资源，包括微课解析、在线讨论、小节测试、思考与实践、课堂拓展等多个模块，打破知识获取仅来自教师、教材、教室的束缚，线上线下“云、网、端”，课内课外一体化，让教与学不再受物理空间的限制，虚实结合，推动学生进行自主探究、自适应学习。
（3）虚拟仿真：引入原理演示虚拟仿真和算法应用虚拟仿真，提升学生兴趣的同时降低学习难度。原理演示将信号的运算过程以动态方式进行展示，注重公式背后的物理意义，为工程应用打基础；算法应用分基础、设计、拓展3部分，学生可通过仿真对真实信号进行处理，满足不同层次学生的个性化学习需求。
（4）课程公众号：与学生共学共建，创立课程公众号“长理信号处理”，分程序实践、工程案例、经验分享等多个模块，其中经验分享均来自本专业学生的优秀实践案例、竞赛经验等，并由教师审核后发布，旨在通过线上交互促进学生间的分享和互助，形成延续性的学习交流平台，并培养学生乐于分享的生活态度。
2）分层分类教学设计。
分层分类教学设计如图2所示。以兴趣为导向，以典型应用案例为牵引，对教学活动分类，对教学内容分层，循序渐进，环环相扣，引人入胜并融入思政元素。
混合式教学设计直接关系到教学各要素之间的关联协同，从而影响教学效果和质量。在进行微观层面学习设计时，首先强化目标设计，具体通过3个子问题引导核心目标的设计：这节课最核心的内容是什么？学生最希望获得什么？学生学习中的关键难点在哪？其次，如何激发学生的学习兴趣，提高学习的主观能动性？为此，对课程资源进行梳理，采用分层分类的教学设计，根据线上线下教学目标的需求分类设计教学活动，线上活动以学生自主学习为主，结合头脑风暴、抢答环节创设临场互动氛围以调动学习兴趣，线下活动借助智慧教室，以教师解析重难点为主，师生互动为辅，重在释疑解惑、思维引导；在教学内容上以应用案例为牵引，把握理论—思维—实践—协作四阶递进的关系，分层教学，层层深入，引导学生沉浸式学习，并从这4个层面将无形的思政魂融入有形的专业知识中，让课堂不仅成为传授知识的舞台，同样是价值引领的高地。
3）三环五法教学实施。
以智慧教室为辅助，创建“乐学—会学—学会”的教学3环节，结合“疑”“导”“驱”“反"“境”五法实施教学。
为了创造沉浸式学习体验，以智慧教室为辅助，在分类分层教学设计指导下，以多元多感官的课程资源为抓手，创建以重难点为核心，“乐学—会学—学会”的三环相融。课前启化（乐学）——巧妙设疑，激发兴趣，让学生带着疑问走进线下课堂，以便于高效利用课堂时间进行针对性讲解；课中内化（会学）——利用与热点时事、日常生活应用密切相关的综合案例，进一步激发学生的求知欲。在精准讲授理论知识过程中，用交互式动画拆解学生难以理解的重点算法，并基于智慧化教学设备开展翻转教学，引导学生学完即练，练完分享，师问生答，生生互评，并进一步提升、拓展；课后强化（学会）——督促学生完成相应课后练习，进行线上答疑、在线讨论，并通过学生的反馈给予针对性的辅导，同时对教学进行相应调整。通过线上线下的交替，抓好课前—课中—课后3环节，实现教师无界化地教；同时，根据教学目标的需要和学情分析，分别采用质疑激趣、案例导向、任务驱动、翻转课堂、问题情境5种教学方法，引导学生自适应地学、沉浸式地练。此外，创造条件，鼓励所有学生积极参加“大唐杯”“挑战杯”等相关竞赛，创新性地赛。
4）多元动态教学评价。
依托“计易通”大数据处理平台，实施N+1考核，形成全面化、精准化的评价体系，以评促学。
多元立体、全面动态的评价体系是教学必不可缺的环节，也是引导和激励学生在教学过程中主动学习、积极参与的有力工具。本课程采用“N+1”考核，N是过程性评价，1为终结性评价，二者按照60%与40%进行加权，得到最终成绩。
过程性评价即平时多元化过程考核，包括作业、课堂表现、上机实践、大作业、阶段测评，综合考查学生的学习态度、学习投入、学习效果、实践能力、协作意识等，线上占比50%，线下占比50%，具体比例如图3所示，其中的线上课堂主要指学生的线上视频学习时长、学习频次、参与讨论次数等，考虑到学生的基础有差异性，尤其对于基础相对薄弱的学生可通过该项提升学习积极性和参与度。过程性评价重在考查学生平时的学习投入度和基础知识掌握情况。
终结性评价即期末测试，试卷均为综合性主观题目，考核学生综合运用课程知识对离散时间信号与系统进行分析、求解和设计的能力，重在考核学生融会贯通、活学活用、分析并解决问题的能力。
为了精确评估学生在学习中的具体掌握情况，便于持续改进，在专业认证指导思想下，将过程性评价和终结性评价与该课程支撑的4个毕业要求指标进行对应，并通过团队自己开发的“计易通”大数据测评系统对数据进行处理和分析，可精准追踪到每一位学生的各项指标达成情况，实现评价的精准化、多元化、动态化，从而对资源建设、教学设计、教学实施情况等持续改进提供方向和思路。专业认证指标对应评价方式及分值比例见表1。
4 教学改革效果
线上线下的有机融合丰富了立体的课程资源，结合智慧教室和多种教学方法创设临场互动氛围，充分激发了学生的学习兴趣和多种学习感官，改革后学生课程目标达成情况均有所改善，竞赛获奖数量大幅度提升，对教学满意度好。基于混合式教学思路建立的泛雅平台在线课程点击量已超20万次，教学案例获2022年湖南省普通高校教师信息化教学竞赛一等奖和2023年教育部教指委第六届全国高等学校电子信息类专业青年教师授课竞赛一等奖。
5 结 语
元宇宙应用于教育所呈现出的沉浸体验式学习、跨时空深度协作发现式学习等优势在当下可以通过线上线下混合、虚实结合、大数据等方面弥补传统教学中存在的缺陷。借鉴教育元宇宙的优势，围绕现有的混合式教学，充分借力信息技术，虚实结合，并基于大数据评价，实现了“专业+思政、理论+实践、基础+前沿、个人+团队”的思维融合，学生畏难情绪重、实践能力弱、创新能力欠缺等问题都得到了有效解决，同时专业自信心和认同感有所提升，验证了四维融合混合式教学的有效性。
参考文献：
[1] 温圳, 王中伟, 潘嘉铖. 元宇宙背景下的C语言程序设计教学方式探索[J]. 计算机教育, 2022(11): 15-19.
[2] 王冬, 曹三省. 元宇宙赋能下计算机课程教学改革探索[J]. 计算机教育, 2022(11): 11-14.
[3] 徐以涛, 江汉, 童晓, 等. 聚焦“四力”培养的“数字信号处理”课程教学改革[J]. 电气电子教学学报, 2021, 43(6): 42-46.
[4] 江汉, 徐以涛, 程云鹏, 等.“数字信号处理”课程教学目标达成改革与探索[J]. 教育教学论坛,2022, 8(35): 69-72.
[5] 黄琼丹, 卢光跃, 杨辉, 等.“数字信号处理”一流课程建设探索与实践[J]. 电气电子教学学报, 2023, 45(1): 46-49.
[6] 丁晨阳. 混合式SPOC在“数字信号处理”课程中的应用[J]. 中国教育信息化, 2020(10): 64-67.
[7] 俞福丽. 混合式教学模式下高校教师信息化素养提升路径研究[J]. 中国大学教学, 2021(3): 86- 90.
[8] 黄志芳, 周瑞婕, 万力勇. 混合学习环境下交互式课堂生态系统设计及实证研究[J]. 电化教育研究, 2020(4): 78-85.
[9] 孙锐, 刘超.“现代数字信号处理”中的案例制教学改革与实践[J]. 电气电子教学学报, 2020, 42(4): 12-15.
[10] 王艳芬, 张晓光, 张林, 等. 以“数字信号处理”课程为例进行渐进混合式教学模式的探索与实践[J]. 实验技术与管理, 2020, 37(12): 244-249.
[11] 董田甜. 高校混合式教学的现状及改进建议[J]. 西部素质教育, 2022, 8(22): 138-141.
[12] 张倩苇, 张敏, 杨春霞. 高校教师混合式教学准备度现状、挑战与建议[J]. 电化教育研究, 2022(1): 46-53.
基金项目：湖南省教育厅教改项目（HNJG-2021-1380）；湖南中医药大学教改项目（2022-36）。
作者简介：吴志敏，女，长沙理工大学讲师，研究方向为通信系统和信号处理，004558@csust.edu.cn；张锦（通信作者），男，长沙理工大学教授，研究方向为人工智能、软件工程、数据挖掘等，mail_zhangjin@163.com。
引文格式：吴志敏, 代玲莉, 曹敦, 等.元宇宙背景下面向数字信号处理课程的四维融合混合式教学改革[J].计算机教育,2023(11):80-84.
转自：“计算机教育”微信公众号
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