江 漢，徐以濤，程云鵬，張玉明

（陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

一、重構(gòu)教學(xué)目標(biāo)的必要性

（一）課程性質(zhì)與地位

“數(shù)字信號處理”是陸軍工程大學(xué)戰(zhàn)場機(jī)動通信技術(shù)與指揮（通信工程）專業(yè)機(jī)動骨干、機(jī)動接入方向本科生的一門專業(yè)背景必修考試課程。課程主要研究離散時間信號的獲取、變換、分析、濾波等基本原理、基本規(guī)律和方法手段。在整個人才培養(yǎng)方案的課程體系中處于承上啟下的關(guān)鍵地位，屬于人才培養(yǎng)方案中的大綱課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，對于夯實(shí)信號處理基礎(chǔ)理論，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、分析計(jì)算能力和創(chuàng)新研究能力具有重要作用。

新工科發(fā)展戰(zhàn)略對我國高等工程教育提出了新要求，更加注重對學(xué)生創(chuàng)新思維、工程實(shí)踐等方面能力的塑造。以“數(shù)字信號處理”課程為例，其相關(guān)理論和技術(shù)近三十年來取得了飛躍性發(fā)展，已經(jīng)滲透到生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域?！皵?shù)字信號處理”不僅是電子工程、通信工程、語音處理、圖像處理等傳統(tǒng)本科專業(yè)的核心課程，也成為大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)工程等新工科專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程。傳統(tǒng)的課程教學(xué)目標(biāo)已經(jīng)不能滿足面向新工科人才培養(yǎng)的需求，因此，重構(gòu)“數(shù)字信號處理”課程的教學(xué)目標(biāo)，對探索達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)改革與實(shí)踐，適應(yīng)新工科的發(fā)展變化需求具有重要意義。

（二）“數(shù)字信號處理”教學(xué)存在的問題

“數(shù)字信號處理”是一門理論性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，包含了很多抽象的概念和理論，一些定理和結(jié)論的推導(dǎo)涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)過程，對學(xué)生的數(shù)學(xué)功底要求較高，與“高等數(shù)學(xué)”“復(fù)變函數(shù)”“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字電路”等先修課程的相關(guān)內(nèi)容聯(lián)系緊密。同時，“數(shù)字信號處理”是一門理論和應(yīng)用結(jié)合非常密切的課程，教學(xué)內(nèi)容在實(shí)際科研、工程中有著廣泛的應(yīng)用場合。傳統(tǒng)教學(xué)存在重理論、輕實(shí)踐，理論知識灌輸多、綜合運(yùn)用的工程案例少的不足，學(xué)生對算法工程實(shí)現(xiàn)過程理解不深，缺乏對課程知識點(diǎn)的整體把握，實(shí)際工程應(yīng)用創(chuàng)新能力薄弱，導(dǎo)致該課程教學(xué)處于一種教師難教、學(xué)生難學(xué)的困境。

二、重構(gòu)設(shè)計(jì)課程教學(xué)目標(biāo)

通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了“數(shù)字信號處理”的基本概念、基本原理和基本方法，具備對離散時間信號與系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證的能力，為后續(xù)課程奠定了必要的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。通過面向工程應(yīng)用的數(shù)字信號與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將理論和實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的工程應(yīng)用能力，適應(yīng)專業(yè)任職崗位和職業(yè)發(fā)展需要，從知識、能力、情感三個維度對總目標(biāo)進(jìn)行了分解，具體的重構(gòu)設(shè)計(jì)見表1。

表1 重構(gòu)設(shè)計(jì)的課程教學(xué)目標(biāo)

三、達(dá)成課程教學(xué)目標(biāo)的舉措

（一）優(yōu)化重組教學(xué)內(nèi)容，支撐知識目標(biāo)

著眼于達(dá)成改革后的教學(xué)目標(biāo)，以共同性的基本概念、基本理論和基本方法的內(nèi)容為基礎(chǔ)，以實(shí)踐環(huán)節(jié)的內(nèi)容為橋梁，以典型應(yīng)用的內(nèi)容為牽引，對原有的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重組和優(yōu)化。按離散時間信號與系統(tǒng)的時域分析、離散時間信號與系統(tǒng)的頻域分析、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)和多抽樣率信號處理等四個模塊重組及優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容體系，建立了知識結(jié)構(gòu)，如圖1所示。刪減與相關(guān)課程重疊、過時的內(nèi)容，突出頻譜分析和數(shù)字濾波的具體應(yīng)用，增加和實(shí)際工程關(guān)聯(lián)緊密的綜合應(yīng)用案例，形成服務(wù)于培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力的課程內(nèi)容體系。

圖1 “數(shù)字信號處理”課程知識結(jié)構(gòu)

對于教學(xué)目標(biāo)中的知識目標(biāo)達(dá)成，主要采用以下措施：內(nèi)容選取上注重物理概念和數(shù)學(xué)概念的相互結(jié)合，夯實(shí)數(shù)字信號處理的基本概念、基本原理和基本方法，體現(xiàn)專業(yè)背景課程重基礎(chǔ)、強(qiáng)素養(yǎng)的特征。

對于教學(xué)目標(biāo)中的能力目標(biāo)達(dá)成，主要采用以下措施：采用融合問題引導(dǎo)、前后內(nèi)容有機(jī)關(guān)聯(lián)、現(xiàn)場實(shí)例演示的多樣化課堂教學(xué)方法，對ZT、DTFT、DFT、FFT和IIR、FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)等知識點(diǎn)進(jìn)行分類比較和歸納總結(jié)，揭示問題的本質(zhì)，掌握知識的發(fā)展脈絡(luò)，促進(jìn)學(xué)生對課程前后內(nèi)容的融會貫通和實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。采用以軍事運(yùn)用為牽引的案例化教學(xué)模式，將譜分析、數(shù)字濾波等理論技術(shù)與戰(zhàn)場電磁頻譜管控、抗干擾等實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生將理論知識和實(shí)踐工程相結(jié)合的應(yīng)用能力，提高學(xué)生的信息化素養(yǎng)。

對于教學(xué)目標(biāo)中的情感目標(biāo)達(dá)成，主要采用以下措施：結(jié)合“數(shù)字信號處理”在通信保障、信息對抗、信號偵察等方面的應(yīng)用，提高學(xué)生學(xué)習(xí)信號處理的緊迫感，激發(fā)學(xué)生的自豪感、使命感和責(zé)任感。對于課程中的FFT算法等重大理論和重大發(fā)現(xiàn)，引入科學(xué)大家解決重大問題的過程，讓知識點(diǎn)鮮活起來，讓學(xué)生感受到知識的溫度。結(jié)合DFT譜分析的誤差來源討論，引導(dǎo)學(xué)生提煉從多角度看待、分析、解決問題的方法論。

（二）開展“三位一體”的教學(xué)方法改革，支撐能力目標(biāo)

圍繞課程教學(xué)目標(biāo)，開展了精練課堂教學(xué)、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)、線上線下混合教學(xué)“三位一體”的教學(xué)方法改革。

1.精煉課堂教學(xué)。緊緊圍繞“數(shù)字信號處理”課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，精心選擇教學(xué)內(nèi)容，充分利用多媒體教學(xué)手段，力爭做到在有限的教學(xué)課時內(nèi)，使學(xué)生掌握數(shù)字信號處理的基本概念、基本原理和基本技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力，有效提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。

針對難以建立統(tǒng)一的物理概念、數(shù)學(xué)概念和工程概念而導(dǎo)致的難教和難學(xué)困境，我們充分挖掘現(xiàn)實(shí)生活中的數(shù)字信號處理問題，一方面采用圖片、動態(tài)影像和軟件模擬仿真等方式，對復(fù)雜、抽象的授課內(nèi)容進(jìn)行形象直觀的描述，創(chuàng)設(shè)問題意境；另一方面將MATLAB演示實(shí)驗(yàn)融入課堂教學(xué)的案例中，以科學(xué)發(fā)展的實(shí)例或以科學(xué)家的發(fā)明思路引導(dǎo)學(xué)生獲取知識、拓展知識，探索出一種融合問題引導(dǎo)、前后內(nèi)容有機(jī)關(guān)聯(lián)、現(xiàn)場實(shí)例演示的多樣化課堂教學(xué)方法，較好地解決了“數(shù)字信號處理”難教難學(xué)的問題，有效保證了課堂的教學(xué)效果。例如，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，我們以MP3中的傅里葉變換為例，給出采用離散傅里葉變換（DFT）的巨大運(yùn)算量問題，引導(dǎo)學(xué)生思考如何解決這一問題，然后再在DFT中利用對稱性減小運(yùn)算量的例子點(diǎn)題，進(jìn)而詳細(xì)講解時域抽取法的數(shù)學(xué)公式，使學(xué)生自然進(jìn)入解決這一問題的進(jìn)程中，不至于感到枯燥無味，培養(yǎng)學(xué)生主動思維的意識。

2.強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)。建成了集教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和電子競賽為一體的實(shí)踐教學(xué)平臺，開設(shè)了驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性、綜合性和自主性等四個層次的實(shí)驗(yàn)。其中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要用于驗(yàn)證教科書中的基本理論和基本原理，如產(chǎn)生信號序列、進(jìn)行有限長序列線性卷積、驗(yàn)證卷積定理和采樣定理等。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要根據(jù)所給定的參數(shù)，完成某些信號設(shè)計(jì)或系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如利用窗函數(shù)法及頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器等。綜合性實(shí)驗(yàn)指完成涉及主要數(shù)字信號處理環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)，如通過對日常生活中最常用的聲音文件的產(chǎn)生、處理及分析，將所學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)串聯(lián)起來，進(jìn)一步加深對數(shù)字信號處理技術(shù)的認(rèn)識，為以后在實(shí)際中運(yùn)用數(shù)字信號處理技術(shù)打下基礎(chǔ)。自主性實(shí)驗(yàn)主要源于國家和軍隊(duì)的研究課題，將教學(xué)組成員參與研制的軍用通信裝備、未來移動通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等項(xiàng)目中的子問題經(jīng)過提煉后形成小課題，如短波電臺中的干擾濾波、OFDM信道估計(jì)、OFDM信道均衡等。這些科研實(shí)踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識、動手能力和創(chuàng)新思維，使學(xué)生更好地理解了知識積累和知識創(chuàng)新的重要性。

3.線上線下混合式教學(xué)。通過構(gòu)建的自建+優(yōu)選模式的微課視頻課資源創(chuàng)建了線上學(xué)習(xí)環(huán)境，以傅里葉變換、濾波器設(shè)計(jì)等重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容為主，以線性卷積、因果穩(wěn)定性判斷、典型窗函數(shù)等知識碎片為輔，建設(shè)微課、慕課資源庫，學(xué)生通過在線平臺和移動學(xué)習(xí)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)在任何時間、任何地點(diǎn)和任何形式的學(xué)習(xí)活動。教師在線下理論授課的同時，按照課程的知識結(jié)構(gòu)圖在基礎(chǔ)模塊、頻譜分析模塊、數(shù)字濾波器模塊中分別設(shè)置一個專題研討任務(wù)，對于基本的概念主題，小組分工后，協(xié)作查找資料，小組討論后直接給出結(jié)論；對于進(jìn)階的辨析主題，除了分組討論數(shù)字信號處理的基本理論外，還需要發(fā)揮組內(nèi)學(xué)生各自的特長，分別開展理論推導(dǎo)和仿真驗(yàn)證；有些主題內(nèi)容較深，則需進(jìn)行線下全班集體討論，目的是讓學(xué)生在一個完整、真實(shí)的問題背景下產(chǎn)生學(xué)習(xí)的需求，通過學(xué)生間的互動交流，即合作學(xué)習(xí)，從而達(dá)到學(xué)習(xí)的目標(biāo)。

四、改革初步成效

（一）學(xué)生評教反饋

課程組所在學(xué)院的教務(wù)機(jī)構(gòu)每學(xué)期會組織學(xué)生從教學(xué)態(tài)度、目標(biāo)、內(nèi)容、方法、效果等五個方面對其所在班的任課教師進(jìn)行獨(dú)立評價，形成評教數(shù)據(jù)。從評教數(shù)據(jù)可以看出，學(xué)生對授課教師的教學(xué)態(tài)度、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和對學(xué)生的認(rèn)可度等方面均有很大程度的提高。

（二）考核成績對比

經(jīng)過三年的教學(xué)實(shí)踐，優(yōu)秀率（90分以上）和良好率（80～90分）都有了較大程度的提高，同時，不及格率逐年遞減。學(xué)生的綜合運(yùn)用和創(chuàng)新能力得到了提高，依托課程的實(shí)踐教學(xué)體系，課程組教師指導(dǎo)20余名本科生、研究生參加了大學(xué)/全軍/全國各類科創(chuàng)競賽和電子設(shè)計(jì)競賽，獲得省級/軍隊(duì)級獎項(xiàng)5項(xiàng)，大學(xué)“卓越杯”競賽獎項(xiàng)2項(xiàng)。

結(jié)語

面向新工科的培養(yǎng)需求，按照教育部提出的“兩性一度”的精品課程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，對課程的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，改革后的教學(xué)目標(biāo)更加注重以學(xué)生為中心，以成果為導(dǎo)向，強(qiáng)化知識、能力和素養(yǎng)的有機(jī)融合，適應(yīng)新工科背景下培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力、高階思維方式及創(chuàng)新能力的時代需求。