高月紅 李洪均 陳俊杰 趙靈冬 李蘊(yùn)華

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.04.103

摘 要 數(shù)字信號(hào)處理是電子信息工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課程。針對(duì)目前數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中存在的問題，從教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、考評(píng)方法等方面進(jìn)行初步探索，以提高教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能動(dòng)性。

關(guān)鍵詞 數(shù)字信號(hào)處理；混合式教學(xué)模式；MOOC；教學(xué)改

革；多元化考評(píng)方法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）04-0103-04

Digital Signal Processing Course Teaching Reform//GAO Yuehong， LI Hongjun， CHEN Junjie， ZHAO Lingdong， LI Yunhua

Abstract Digital Signal Processing is an important compul-sory course for electronic information engineering major. According to the current problems in the teaching of Digital Signal Processing， in order to improve the teaching effect and train the students learning activity， this paper makes a preliminary exploration from the aspects of teaching mode， teaching content and evaluation method.

Key words digital signal processing; mixed teaching mode; MOOC; teaching reform; diversified evaluation methods

0 引言

2019年10月，教育部印發(fā)《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》（教高〔2019〕8號(hào)），提出全面開展一流本科課程建設(shè)，牢固樹立課程建設(shè)新理念，大力推進(jìn)課程改革創(chuàng)新，淘汰“水課”，建設(shè)“金課”的總體目標(biāo)。2019年，南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子信息工程專業(yè)入選首批國家一級(jí)本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，數(shù)字信號(hào)處理課程入選南通大學(xué)2019年一流本科課程建設(shè)項(xiàng)目。在這個(gè)背景下，面向一流本科課程建設(shè)的要求，加強(qiáng)專業(yè)課程建設(shè)，提升專業(yè)課程高階性、突出創(chuàng)新性、增加挑戰(zhàn)度，成為專業(yè)課程建設(shè)與教學(xué)的主要任務(wù)和目標(biāo)。

數(shù)字信號(hào)處理是電子信息工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，以離散傅里葉變換和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)的基本理論與分析方法，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐、原理與應(yīng)用相結(jié)合。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在智能儀器儀表、智能傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理、航空電子、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的理論分析和綜合應(yīng)用能力有非常重要的作用。但是，當(dāng)前數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)大多沿襲固化的傳統(tǒng)模式，該課程在人才培養(yǎng)中的優(yōu)勢(shì)沒有得到很好的體現(xiàn)，數(shù)字信號(hào)處理課程建設(shè)與教學(xué)改革勢(shì)在必行。

1 數(shù)字信號(hào)處理課程現(xiàn)狀

數(shù)字信號(hào)處理以高等數(shù)學(xué)和信號(hào)與系統(tǒng)為基礎(chǔ)，課程理論性和實(shí)踐性均很強(qiáng)，概念抽象，數(shù)學(xué)變換公式多且推導(dǎo)復(fù)雜，學(xué)習(xí)難度大，大量的數(shù)學(xué)容易讓學(xué)生產(chǎn)生畏懼，感覺枯燥乏味，學(xué)習(xí)興趣不高。在多年的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中存在以下問題。

1）教學(xué)模式單一。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，教學(xué)手段往往以PPT教學(xué)為主，單一的授課模式導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，對(duì)學(xué)生掌握基本原理和基本算法幫助甚少，無法滿足新形勢(shì)下對(duì)于創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求。

2）教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)時(shí)少（總學(xué)時(shí)56學(xué)時(shí)，含4學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)），教師授課任務(wù)重，學(xué)生學(xué)習(xí)壓力大。教學(xué)中忽略學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏向于驗(yàn)證性，導(dǎo)致學(xué)生不會(huì)將所學(xué)理論知識(shí)用于實(shí)際問題的解決，遇到實(shí)際問題就會(huì)發(fā)蒙。

3）傳統(tǒng)的考評(píng)方法是期末考試成績占70%，平時(shí)成績占30%，無法調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也不能真實(shí)評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

基于此，有必要以增強(qiáng)教學(xué)效果、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能動(dòng)性為目的，從課程教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、考評(píng)方法等方面，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)實(shí)踐改革進(jìn)行深入研究。

2 線上線下混合式教學(xué)模式

傳統(tǒng)的教學(xué)模式一般采用PPT教學(xué)，以教師為主、學(xué)生為輔，重課堂，輕課前、課后，無法培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。線上線下混合式教學(xué)模式將傳統(tǒng)的課堂教學(xué)與MOOC資源結(jié)合起來，強(qiáng)調(diào)課前、課中、課后全過程。線上線下混合式教學(xué)模式框圖如圖1所示[2]。

2.1 課前

學(xué)生觀看MOOC視頻及PPT完成預(yù)習(xí)工作，要求學(xué)生認(rèn)真做好筆記，遇到問題，學(xué)生與教師可通過線上探討和討論區(qū)交流。同時(shí)，學(xué)生完成每個(gè)視頻后面的隨堂測(cè)驗(yàn)，并在討論區(qū)發(fā)布自己的觀點(diǎn)和疑問。教師收集MOOC平臺(tái)上學(xué)生的測(cè)驗(yàn)、問題等數(shù)據(jù)，了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，為更有效的課堂教學(xué)做準(zhǔn)備。

2.2 課中

2.2.1 問題驅(qū)動(dòng)，生生研討 學(xué)生按學(xué)號(hào)進(jìn)行分組，每組3～5人。以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向，圍繞問題進(jìn)行小組研討。鼓勵(lì)學(xué)生暢所欲言，敢于表達(dá)、善于表達(dá)，通過小組研討激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)小組內(nèi)的交流和協(xié)作。

設(shè)計(jì)意圖及教學(xué)手段：以學(xué)生為主體，以問題為驅(qū)動(dòng)，通過自我的表達(dá)和學(xué)生間的思維碰撞，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，提高學(xué)生的表達(dá)能力、思辨能力以及團(tuán)隊(duì)意識(shí)。

2.2.2 學(xué)生匯報(bào)展示，教師歸納總結(jié) 學(xué)生以小組為單位，匯報(bào)和展示研討成果；教師對(duì)學(xué)生的匯報(bào)和展示進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，在此基礎(chǔ)上對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納和總結(jié)，突出教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖及教學(xué)手段：通過匯報(bào)和展示，促進(jìn)小組間的交流學(xué)習(xí)，提高學(xué)生自我展示的能力，通過教師的歸納總結(jié)，加深學(xué)生對(duì)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)的理解和掌握。

2.2.3 理論與實(shí)踐相結(jié)合 以教師為主導(dǎo)，教師結(jié)合工程應(yīng)用和科研實(shí)踐，介紹所學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，通過理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拓展和延伸，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科研熱情，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的內(nèi)化。

設(shè)計(jì)意圖及教學(xué)手段：通過理論與實(shí)踐相結(jié)

合，使學(xué)生了解理論知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科研熱情，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的內(nèi)化。

2.3 課后

學(xué)生利用MOOC線上資源（視頻、作業(yè)及單元測(cè)試等）復(fù)習(xí)學(xué)習(xí)內(nèi)容、檢測(cè)學(xué)習(xí)效果。教師關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，掌握學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，并不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)新方法，從而形成教學(xué)相長的良性循環(huán)。

線上線下混合式教學(xué)模式，以學(xué)生為主、教師為輔，真正地把課堂交給學(xué)生。線上學(xué)習(xí)不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，學(xué)生可充分利用MOOC線上教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程的主動(dòng)性。同時(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到問題，與教師可通過線上探討和討論區(qū)交流，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程的互動(dòng)。線下課堂，教師根據(jù)學(xué)生線上學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，有效主導(dǎo)課堂教學(xué)的內(nèi)容和進(jìn)度。通過問題驅(qū)動(dòng)、生生研討，學(xué)生匯報(bào)展示、教師歸納總結(jié)，理論與實(shí)踐相結(jié)合等過程，有效增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，加深學(xué)生對(duì)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)的理解與掌握，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和科研熱情，能夠提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，使得學(xué)生的綜合應(yīng)用能力得以增強(qiáng)。

3 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)實(shí)踐能力

數(shù)字信號(hào)處理主要包括離散信號(hào)分析和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)兩大部分，教學(xué)中要克服課程內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少（總學(xué)時(shí)56學(xué)時(shí)，含4學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)）的客觀約束，同時(shí)要注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

3.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

數(shù)字信號(hào)處理的教學(xué)內(nèi)容主要包括離散信號(hào)分析和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)兩大部分，如圖2所示。離散信號(hào)分析包括離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)、Z變換與離散時(shí)間傅里葉變換、離散傅里葉變換（DFT）及快速傅里葉變換（FFT）四方面內(nèi)容。數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)包括數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)、IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)三方面內(nèi)容。其中，核心知識(shí)點(diǎn)離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)和Z變換是信號(hào)與系統(tǒng)與數(shù)字信號(hào)處理兩門課程的重疊知識(shí)點(diǎn)，信號(hào)與系統(tǒng)課程是數(shù)字信號(hào)處理課程的先修課，因此，數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中可減少該重疊知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)學(xué)時(shí)，從而克服課程內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少的客觀約束。

同時(shí)，采用線上線下混合式教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)課前、課中、課后全過程，可利用有限的時(shí)間有效地完成課程教學(xué)任務(wù)。課前、課后以學(xué)生為主，課中以師生互動(dòng)為主，根據(jù)教學(xué)模式特點(diǎn)，要將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化，分清哪些是基礎(chǔ)知識(shí)，哪些是重點(diǎn)、難點(diǎn)。學(xué)生自學(xué)以概念等基礎(chǔ)知識(shí)和重點(diǎn)知識(shí)為主，教師講授以難點(diǎn)和應(yīng)用拓展為主[1]。分段錄制MOOC

視頻，每個(gè)視頻大約10分鐘，方便學(xué)生進(jìn)行碎片化學(xué)習(xí)。

3.2 培養(yǎng)實(shí)踐能力

數(shù)字信號(hào)處理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、獨(dú)立思考等能力為目標(biāo)，在課程教學(xué)中具有重要作用。數(shù)字信號(hào)處理之前的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏向于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，在數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)改革實(shí)踐中適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，除驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外，增加探究性實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，教師已設(shè)定好實(shí)驗(yàn)步驟、設(shè)計(jì)框架，學(xué)生嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)步驟完成準(zhǔn)確的操作要求，就可得到預(yù)想中正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)以教師為主，這就導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)興趣不高，不能積極主動(dòng)地思考問題，學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力得不到有效提高。

探究性實(shí)驗(yàn)以學(xué)生為主，教師在教學(xué)中采用開放性教學(xué)策略，實(shí)驗(yàn)步驟、設(shè)計(jì)框架需要學(xué)生自主完成。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生必須積極主動(dòng)地思考問題，采用什么樣的實(shí)驗(yàn)步驟、什么樣的設(shè)計(jì)框架，取決于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡睦斫獬潭纫约皩?duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的假想的細(xì)致程度。學(xué)生在自己的假設(shè)中通過創(chuàng)新思維活動(dòng)設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)步驟并完成操作，有效提高實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

在數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)改革實(shí)踐中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入實(shí)際語音信號(hào)、圖像信號(hào)的處理，如說話人識(shí)別實(shí)驗(yàn)、指紋識(shí)別實(shí)驗(yàn)等，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力、獨(dú)立思考意識(shí)。

4 多元化考評(píng)方法

本課程更注重能力與知識(shí)考核并重，改變傳統(tǒng)的考評(píng)方法，采用線上線下教、學(xué)、研、考相結(jié)合的多元化考評(píng)方法，期末考試成績占40%，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)占15%，平時(shí)占45%。其中，平時(shí)主要涉及線上各個(gè)環(huán)節(jié)成績，由作業(yè)成績、課程討論、單元測(cè)驗(yàn)、線上期末考試四部分成績組成，具體分配為：平時(shí)總成績=作業(yè)成績（20%）+課程討論（10%）+單元測(cè)試（30%）+線上考試（40%）。

1）作業(yè)成績。要求完成1～8單元書面作業(yè)并拍照上傳手寫作業(yè)答案照片。

2）課程討論。學(xué)員參與討論區(qū)中的課堂交

流，跟帖（有質(zhì)量回復(fù)，禁止水帖，10字以上）滿10帖者計(jì)滿分，未滿10帖的，按照“跟帖數(shù)/

10”比例得分。

3）單元測(cè)驗(yàn)。第2～8單元內(nèi)容設(shè)置單元測(cè)驗(yàn)，測(cè)驗(yàn)題型為單選題、多選題、填空和判斷題。

4）期末考試。期末考試為本課程教學(xué)最后一次的內(nèi)容，學(xué)生需在指定時(shí)間內(nèi)完成考核要求，并上傳考試答案。

多元化考評(píng)方法增加平時(shí)成績所占比重，將學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、學(xué)習(xí)態(tài)度綜合考核；同時(shí)，增加實(shí)驗(yàn)成績，更注重能力與知識(shí)考核并重，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

5 結(jié)束語

從課程教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、考評(píng)方法方面對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程進(jìn)行教學(xué)改革，改革實(shí)踐能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力，解決好教與學(xué)模式創(chuàng)新的問題，形成有效的授課方式和學(xué)習(xí)方法。

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*項(xiàng)目來源：南通大學(xué)教學(xué)改革研究課題“面向一流本科課程建設(shè)的《數(shù)字信號(hào)處理》教學(xué)改革”（基金編號(hào)：2020

B28）。

作者：高月紅、陳俊杰，南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，講師，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理；李洪均、李蘊(yùn)華，南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)樾盘?hào)處理、圖像處理等；趙靈冬，南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)榉謹(jǐn)?shù)階非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性理論和控制（226019）。