苗 丹, 盧 偉
(邢臺學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,河北邢臺054000)
《關(guān)于大力推進高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育和大學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)工作的意見》發(fā)布以來,全國的高校把如何培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新性和創(chuàng)造力作為重要的研究課題之一[1]。為了培養(yǎng)創(chuàng)新型人才,結(jié)合創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標,對重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程以及其實踐環(huán)節(jié)進行教學(xué)改革,引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí),增強創(chuàng)新意識,提升創(chuàng)新能力,至關(guān)重要。
基于我校電子信息專業(yè)人才培養(yǎng)目標和課程設(shè)置特點,提出將“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”兩門信號處理課程進行改革。這兩門課程在教學(xué)內(nèi)容上關(guān)聯(lián)性很強,有部分重疊,并且具有知識體系嚴謹,概念抽象,理論推導(dǎo)繁瑣復(fù)雜,理論與實踐聯(lián)系又很緊密的特點[2]。因此需要把提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性,提高學(xué)生綜合運用知識解決實際問題的能力作為改革目標,以此達到創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目的,滿足工程認證背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案中對人才培養(yǎng)和畢業(yè)的新要求。
在教學(xué)內(nèi)容上,將教學(xué)內(nèi)容進行深度交叉融合,打破內(nèi)容壁壘,統(tǒng)一協(xié)調(diào)組織,以此達到事半功倍。在2019 年人才培養(yǎng)方案中,理論學(xué)時壓縮和培養(yǎng)模式微調(diào),按照工程認證標準重新編寫教學(xué)大綱,將這兩門課程之間的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)順序進行調(diào)整,重疊部分放在一門課中重點講授,銜接部分自然過渡[3]。例如“信號與系統(tǒng)”教學(xué)內(nèi)容側(cè)重點放在連續(xù)信號和連續(xù)系統(tǒng)課程中分析,重點講解連續(xù)信號傅里葉變換和拉普拉斯變換,對于離散序列和離散系統(tǒng)的分析則側(cè)重放在“數(shù)字信號處理”課程中,重點講解離散序列的離散時間傅里葉變換(DTFT)和Z 變換,這樣重點突出,內(nèi)容無重疊,學(xué)生聽起來也無重復(fù)性,理論教學(xué)課時可以有效減少[4]。
在教學(xué)方式上,提出“三層項目驅(qū)動”教學(xué)方式見圖1,以實現(xiàn)逐步強化學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和工程實踐能力。第1 層,以項目驅(qū)動理論教學(xué)。將PBL 教學(xué)法[5]、問題引導(dǎo)教學(xué)法、案例設(shè)計授課等不同形式進行融合,應(yīng)用于信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理課程中,實現(xiàn)對學(xué)生基本能力和素養(yǎng)的培養(yǎng),理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合。第2 層,以項目驅(qū)動實驗教學(xué)。通過實踐課程強化理論知識,運用分類實驗項目卡和開放式教學(xué)法,強化學(xué)生工程應(yīng)用和項目開發(fā)的能力,實驗教學(xué)可與畢業(yè)設(shè)計對接。第3 層,以項目驅(qū)動畢業(yè)設(shè)計。通過項目驅(qū)動畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)提升學(xué)生的綜合能力,強化學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力,并可在第8 學(xué)期的畢業(yè)實習(xí)環(huán)節(jié)中進入企業(yè)實習(xí),完成畢業(yè)設(shè)計。
圖1 “三層項目驅(qū)動”教學(xué)方式
由于“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”這兩門課程都具有枯燥的公式推導(dǎo),大量的數(shù)學(xué)運算,理論知識與實踐應(yīng)用又聯(lián)系緊密的特點[6],創(chuàng)新性培養(yǎng)模式是培養(yǎng)學(xué)生對知識的使用能力和探究能力,因此傳統(tǒng)的“老師講,學(xué)生聽”[7]“填鴨式教學(xué)”形式已經(jīng)不適合創(chuàng)新性教學(xué)。
采用項目式教學(xué)法(PBL)[8]進行課程教學(xué)改革,該教學(xué)法以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心;以學(xué)習(xí)和解決問題任務(wù)緊密聯(lián)系,讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中思考解決問題的方法;以學(xué)生自主探究和合作的方式來解決問題,這樣的教學(xué)模式能從根本上提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力,分析和解決問題的水平,以此達到改革目的[9]。
PBL教學(xué)法的精髓在于發(fā)揮問題對學(xué)習(xí)過程的指導(dǎo)作用,調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性。在信號處理課程中以學(xué)生熟知的音樂、圖片為切入點,提出信號處理的實際問題,以學(xué)生為研究主體,啟發(fā)式教學(xué),以此來培養(yǎng)學(xué)生的能力[10]。PBL 教學(xué)方式主要分為以下4個方面:
(1)以問題為學(xué)習(xí)的起點,作為一切學(xué)習(xí)的主軸;
(2)以小組為學(xué)習(xí)和自學(xué)的主題,學(xué)生通過共同合作解決問題發(fā)現(xiàn)各自的優(yōu)勢,從而各司所職;
(3)整個學(xué)習(xí)過程都是以學(xué)生為主導(dǎo),以學(xué)生為中心,小組成員承擔(dān)自己的任務(wù)職責(zé);
(4)指導(dǎo)教師的任務(wù)是從旁指導(dǎo)和引導(dǎo),并對最終的結(jié)果進行評價,效果推廣,總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)。
利用PBL教學(xué)法在“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”課程的理論教學(xué)方面有如下實踐案例。
案例1在“信號與系統(tǒng)”課程中講授傅里葉變換知識時,提出“如何濾除美妙音樂中刺耳噪聲”的項目問題。首先將原始聲音信號提供給學(xué)生,然后根據(jù)課程內(nèi)容分解為3 個子任務(wù):聲音信號的頻譜分析;刺耳噪聲的疊加合成;聲音中噪聲信號的濾波。
在學(xué)完“非周期信號頻譜”知識點后,讓學(xué)生在課下利用Matlab 中的fftshift函數(shù)顯示出聲音信號頻譜,如圖2(a)所示;在學(xué)完“周期信號的傅里葉變換”知識點后,讓學(xué)生思考刺耳噪聲是哪種信號?如何加入刺耳噪聲?時域加入三角函數(shù),即高頻信號,就可以在頻域增加了高頻噪聲如圖2(b)所示。最后濾波部分需要學(xué)生查閱資料,分組研究時域卷積定理,最終根據(jù)學(xué)生研究結(jié)果,利用濾波器系統(tǒng)函數(shù)與頻譜系統(tǒng)函數(shù)相乘濾除高頻噪聲,如圖2(c)和(d)所示的IIR 和FIR濾波結(jié)果。
案例2在“數(shù)字信號處理”課程中講授FIR數(shù)字濾波器設(shè)計一章中,提出“瑪麗蓮·愛因斯坦”照片合成的案例項目[11]。首先將原圖像發(fā)送給學(xué)生,然后將該項目分解為3 個子任務(wù):圖像信號的傅里葉變換分析;圖像信號的FIR濾波處理;圖像信號的合成。在這個項目案例中存在以下問題:
圖2 聲音信號處理案例仿真圖
(1)由于信號處理課程中所學(xué)的知識均是用在一維信號的傅里葉變換上,而圖像信號為二維信號,因此學(xué)生需要查閱資料完成圖像信號的傅里葉變換方法。圖3 所示為學(xué)生通過學(xué)習(xí)二維傅里葉變換得到的圖片傅里葉變換結(jié)果。
圖3 圖像傅里葉變換案例仿真結(jié)果
(2)由于理論課學(xué)習(xí)過FIR 濾波器和IIR 濾波器,并且均為一維濾波器,因此學(xué)生需要理論聯(lián)系實際進行濾波器選擇和設(shè)計二維濾波器。
(3)圖像合成需要在時域還是頻域完成?該問題考查學(xué)生掌握時域卷積定理的應(yīng)用,因此學(xué)生需要將理論知識熟練運用到實際問題中來。圖4 所示為學(xué)生進行合成后的結(jié)果圖。
班內(nèi)同學(xué)分組在課下進行查閱資料完成子任務(wù)。然后在課堂上利用6 學(xué)時的理論課堂時間讓學(xué)生講述任務(wù)分配和完成情況,最終由教師總結(jié)結(jié)果。在這樣以任務(wù)項目為驅(qū)動的教學(xué)方式下,學(xué)生帶著問題和興趣去解決任務(wù),效果良好。
圖4 圖像濾波合成案例仿真結(jié)果
實驗教學(xué)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力,解決實際問題的能力,信號處理類課程的實踐性很強,需要大量、反復(fù)的操作和訓(xùn)練才能達到學(xué)以致用的目標。
2.2.1 傳統(tǒng)實驗?zāi)J?/p>
課前教師發(fā)放實驗資料,學(xué)生自主預(yù)習(xí);課上教師花費一定的時間講授原理和方法,隨后學(xué)生進行操作仿真,與此同時教師進行指導(dǎo);課后學(xué)生提交報告,教師給出實驗成績[12]。近年來,傳統(tǒng)的教學(xué)方法已不能滿足我校工程認證背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案中關(guān)于“能夠運用專業(yè)知識和工程技能,獨立發(fā)現(xiàn)、研究、解決問題”的培養(yǎng)目標要求和關(guān)于“能夠設(shè)計針對電子信息領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的解決方案,通過設(shè)計、分析、解釋數(shù)據(jù),并通過信息綜合得到合理有效結(jié)論”的畢業(yè)要求;并且傳統(tǒng)方法在調(diào)動學(xué)生主動性、積極性和興趣性方面能力不足。
2.2.2 項目驅(qū)動實驗?zāi)J?/p>
針對以上問題,對“數(shù)字信號處理”實驗課程教學(xué)提出了基于“項目驅(qū)動”理念組織教學(xué),提出以分類實驗項目卡作為實驗教學(xué)改革的切入點,提出以下改革和實踐方法:
(1)針對學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)問題。在簡單驗證實驗的基礎(chǔ)上增加綜合性、設(shè)計性實驗項目的比例[13]。根據(jù)本專業(yè)學(xué)生特點和人才培養(yǎng)方案目標,將信號處理類實驗課的綜合性、設(shè)計性實驗設(shè)置比例提高至62.5%。例如“數(shù)字信號處理”課程的實驗學(xué)時數(shù)16 學(xué)時,分8 周完成,其中設(shè)計性和綜合性實驗學(xué)時數(shù)10 學(xué)時。
(2)針對學(xué)生解決實際問題能力和對實驗認知程度的不同,采用開放式實驗教學(xué)法。即把每個實驗項目進行難度等級劃分,分解為2 或3 個子項目,子項目下設(shè)ABC三個難度層級(由A 向C 難度系數(shù)遞增),實驗成績由難度層級系數(shù)和完成情況折合而來。這樣既保證基礎(chǔ)薄弱同學(xué)完成基礎(chǔ)實驗,又可以提供部分學(xué)生項目更高難度項目挑戰(zhàn)的機會。表1 所示給出了數(shù)字信號處理課程的實驗項目的具體設(shè)置。
(3)針對工程認證背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案中,對學(xué)生實際工程問題解決和處理能力的培養(yǎng)要求,實驗項目中“綜合設(shè)計性”實驗采用項目驅(qū)動式實踐方法。主要方法如下:學(xué)生自由結(jié)組,一般5 ~8 人1 組,共同完成項目,組內(nèi)推薦項目組長,小組討論生成任務(wù)分工,主要由方案設(shè)計、程序設(shè)計、仿真執(zhí)行、過程控制和項目匯報等幾部分構(gòu)成,學(xué)生可根據(jù)個人特長進行任務(wù)選擇。最終每組將實驗項目的結(jié)果以視頻的形式提交給指導(dǎo)教師,課上完成學(xué)生答辯、演示和教師總結(jié)。指導(dǎo)教師會將制作優(yōu)良、設(shè)計完整,有代表性的實驗視頻上傳至網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺,供全體學(xué)生交流學(xué)習(xí)。
(4)鼓勵學(xué)生課后完成對實驗的升級驗證和仿真測試。即在課上完成實驗內(nèi)容基礎(chǔ)上,可利用課下時間完成更高難度實驗項目,并提升該學(xué)時實驗成績。
2.2.3 教改成效
通過項目驅(qū)動式實驗教改,實現(xiàn)了一般實驗與復(fù)雜實驗、驗證性實驗與綜合性試驗、課堂實驗與課后實驗的有機結(jié)合,實驗內(nèi)容全面并有代表性,實驗形式趨于工程化,提升了實驗效果,滿足了人才培養(yǎng)目標的要求。
以我校電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例,在“有限長單位沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器設(shè)計”實驗中,45%學(xué)生選擇了實驗卡A窗函數(shù)法設(shè)計FIR數(shù)字濾波器,35%學(xué)生選擇了實驗卡B 頻率采樣法設(shè)計FIR 數(shù)字濾波器,25%的學(xué)生選擇了實驗卡C 利用FIR數(shù)字濾波器消除音樂中的噪聲;課上完成率100%,課后50%的學(xué)生選擇了自學(xué)并完成高一層級難度的實驗卡,提高了實驗成績。
2.3.1 教改提高畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量
我校目前畢業(yè)設(shè)計選題鼓勵教師把控、學(xué)生自擬生成畢業(yè)設(shè)計題目,因此每年畢業(yè)設(shè)計題目均以實際應(yīng)用型為主,圍繞信號處理類子項目進行開發(fā)和設(shè)計,具體實施方法如下:
表1 數(shù)字信號處理課程的實驗項目
(1)將多個可行性綜合項目進行模塊化,劃分成相互獨立但有關(guān)聯(lián)的若干子課題,以此制定畢業(yè)論文(設(shè)計)題目。依據(jù)學(xué)生特點,進行題目分配和任務(wù)分工。往年課題如圖5 所示。
圖5 2019屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計選題截圖
(2)對畢業(yè)論文(設(shè)計)題目的技術(shù)分析,主要包含了項目的先進性和設(shè)計可行性,作出全面評估,并告知學(xué)生設(shè)計難點、創(chuàng)新點。
(3)畢業(yè)設(shè)計過程按項目制把控,做到時間節(jié)點規(guī)定明確,內(nèi)容完成度要求清晰,定期進行答疑、探討和項目進度匯報,鼓勵一個綜合項目中各個子項目人員之間增加溝通。
通過上述方案,將畢業(yè)設(shè)計過程交由學(xué)生自主把控,提高了學(xué)生獨立解決工程問題的能力和積極性。教師負責(zé)全面把控流程,提供適時技術(shù)支持。
2.3.2 畢業(yè)設(shè)計反哺教改應(yīng)用
將畢業(yè)設(shè)計中的優(yōu)秀設(shè)計,納入實訓(xùn)、實驗等實訓(xùn)課程環(huán)節(jié)和理論教學(xué)環(huán)節(jié),使學(xué)生對信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理課程形成更加直觀、形象的認知,對整個培養(yǎng)環(huán)節(jié)形成更加深入的了解。
圖6、7 所示是2018 屆畢業(yè)生利用GUI 平臺設(shè)計的關(guān)于信號處理的實驗平臺。該同學(xué)主要設(shè)計和完成了“信號與系統(tǒng)仿真教學(xué)實驗平臺”的主界面和主菜單。該畢業(yè)設(shè)計的平臺在信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中得到應(yīng)用。
圖6 信號與系統(tǒng)可視化交互仿真設(shè)計
圖7 信號與系統(tǒng)可視化交互仿真平臺項目——連續(xù)信號的時域分析
圖8、9 所示分別是2019 屆畢業(yè)生設(shè)計的數(shù)字信號處理仿真平臺的主頁面和主菜單。該畢業(yè)設(shè)計的平臺在數(shù)字信號處理課程教學(xué)中得到應(yīng)用,鑒于Matlab編譯器可以將m 文件直接編譯為可以獨立運行的.exe可執(zhí)行文件,在理論教學(xué)中可以不用依賴于Matlab仿真環(huán)境,就可執(zhí)行獨立的exe文件進行仿真,執(zhí)行速度也優(yōu)于原m 文件[14],因此在課堂教學(xué)中將畢業(yè)生設(shè)計的GUI平臺進行文件打包發(fā)布,就可以進行仿真演示,因此教學(xué)效果較好。
圖8 數(shù)字信號處理仿真平臺設(shè)計
圖9 數(shù)字信號處理仿真平臺項目——離散信號分析
在以學(xué)生為中心的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標下,將人才培養(yǎng)的模式從“獲得知識”改變?yōu)椤芭囵B(yǎng)能力”[15]。基于該目標,對信號處理類課程在教學(xué)內(nèi)容上進行融合,在理論教學(xué)方法、實驗教學(xué)模式、畢業(yè)設(shè)計方式上進行“三層項目驅(qū)動”式教學(xué)改革和實踐。通過教學(xué)改革與實踐,大大提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性,調(diào)動了學(xué)生的參與性,激發(fā)了學(xué)生的團隊協(xié)作能力?!叭龑禹椖框?qū)動”式教學(xué)改革方法為以學(xué)生為中心的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)奠定了良好的基礎(chǔ)。