喬建華 張 雄 李素月 文新宇 武曉嘉

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,太原 030024)

在新工科教育思想和工程教育專業(yè)認(rèn)證規(guī)范的背景下,2019年10月,教育部發(fā)布《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》,提出要建設(shè)適應(yīng)新時(shí)代要求的一流本科課程,構(gòu)建更高水平人才培養(yǎng)體系[1-2]。建設(shè)一流課程,成為具備新工科和工程教育認(rèn)證理念的人才培養(yǎng)目標(biāo)能力的新臺(tái)階。

“數(shù)字信號(hào)處理”是電子信息類專業(yè)本科生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,是信號(hào)與信息處理基礎(chǔ)理論課程之一。隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)字信號(hào)處理的新理論和新技術(shù)不斷涌現(xiàn),其地位和作用也越來(lái)越突出,迫切需要落實(shí)以新工科人才培養(yǎng)為目標(biāo)的課程教學(xué)改革和創(chuàng)新[3-5]。

但由于課程本身的特點(diǎn),以及學(xué)生平均水平的限制,學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程中普遍存在的主要問(wèn)題有:①課程理論性強(qiáng),數(shù)學(xué)知識(shí)較多,概念抽象不易理解,理論學(xué)習(xí)難度大。②針對(duì)具體的工程運(yùn)用較少,與實(shí)踐環(huán)節(jié)有脫節(jié),缺乏工程應(yīng)用的實(shí)際鍛煉。③編程能力有限,對(duì)問(wèn)題的分析能力較弱,完成實(shí)驗(yàn)困難。這些問(wèn)題,需要從內(nèi)容上重構(gòu)、方法上引導(dǎo)、手段上激勵(lì),需要多方面全方位的改革創(chuàng)新才能解決。

在多年的教學(xué)過(guò)程中,通過(guò)不斷改革和探索,累積了經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。在教學(xué)內(nèi)容、方法、手段等方面通過(guò)很多改革嘗試,提煉出該課程的基本教學(xué)特色,輔以多樣的教學(xué)方法,改革考核方式和保障手段,以學(xué)生為中心實(shí)施各項(xiàng)教學(xué)環(huán)節(jié),使學(xué)生更深入、更明確地掌握基礎(chǔ)內(nèi)容,培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)技能、實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí),該課程于2022年被認(rèn)定為山西省一流課程,獲得了一定的教學(xué)創(chuàng)新成果。

1 課程內(nèi)容的重構(gòu)

教學(xué)方法和形式的根本目標(biāo)是為了更好地掌握課程內(nèi)容,即對(duì)基本概念的深入理解,基本方法和技能的熟練應(yīng)用,這是講授課程的基本要領(lǐng)和最終目標(biāo)。如何從內(nèi)容上對(duì)課程有深入的把握,是教學(xué)的重中之重。

1.1 優(yōu)化課程結(jié)構(gòu),關(guān)聯(lián)章節(jié)內(nèi)容

“數(shù)字信號(hào)處理”課程主要包括三部分內(nèi)容,分別為數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)理論、數(shù)字濾波器的基本理論和設(shè)計(jì)方法,以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)。整體內(nèi)容和每章內(nèi)容存在一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu),即從“基本概念→分析方法→應(yīng)用”的一個(gè)過(guò)程[5]。在學(xué)習(xí)課程時(shí),要將前后章節(jié)的內(nèi)容聯(lián)系起來(lái),對(duì)問(wèn)題的理解做到統(tǒng)領(lǐng)全局,抓住要點(diǎn),關(guān)聯(lián)細(xì)節(jié),從而對(duì)課程有高屋建瓴的把握。圖1展示了課程各章節(jié)的遞進(jìn)規(guī)劃。

圖1 “數(shù)字信號(hào)處理”章節(jié)關(guān)聯(lián)示意圖

因此在教學(xué)中要反復(fù)強(qiáng)調(diào)這種關(guān)聯(lián)性,讓學(xué)生不要孤立地看問(wèn)題,一定要注意前后聯(lián)系,對(duì)課程有一個(gè)全面、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),從不同方面考慮問(wèn)題,尋求最優(yōu)的解決辦法。

1.2 明確基本概念,轉(zhuǎn)化工程思維

基本概念是理解一門課程或?qū)W科的前提和根本?！皵?shù)字信號(hào)處理”課程的一個(gè)特點(diǎn)是概念多且貫穿始終、關(guān)聯(lián)度高、近似性強(qiáng),學(xué)生容易混淆。因此授課的首要任務(wù)就是明確概念,將概念的內(nèi)涵和相互間的關(guān)系講清楚。概念串聯(lián)起來(lái)就能形成課程的脈絡(luò),這也對(duì)教師的教學(xué)能力的考驗(yàn)。

“數(shù)字信號(hào)處理”課程的另一個(gè)特點(diǎn)就是公式推導(dǎo)較多,該課程的理論部分有很多公式和推導(dǎo),學(xué)生對(duì)這部分的學(xué)習(xí)常有畏難情緒。通過(guò)應(yīng)用工程思維理解數(shù)學(xué)公式,理解概念內(nèi)涵,可避免單純地記憶公式,避免讓學(xué)生陷入復(fù)雜的計(jì)算中,從而將重點(diǎn)放在理論和概念的應(yīng)用上。

1.3 訓(xùn)練軟件編程,通透基本原理

“數(shù)字信號(hào)處理”課程的實(shí)際應(yīng)用離不開程序,通過(guò)編程將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為編程語(yǔ)言,既能鍛煉邏輯思維能力,又能更清晰地體會(huì)基本概念的原理方法。而且根據(jù)程序運(yùn)行的結(jié)果圖示,可以直觀地看到信號(hào)處理效果,對(duì)基本概念的理解更加明晰。將教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)通過(guò)Matlab編程及演示的方法,可促進(jìn)學(xué)生理解和掌握。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和作業(yè)讓學(xué)生自己在編程中體會(huì)信號(hào)的產(chǎn)生、處理以及繪圖過(guò)程,再通過(guò)分析結(jié)果,將理論知識(shí)充分地理解、掌握。

例如講授截?cái)嗪蜄艡谛?yīng)對(duì)信號(hào)譜分析的影響,對(duì)截?cái)嗫梢酝ㄟ^(guò)截取不同長(zhǎng)度和加不同的窗函數(shù)來(lái)減小誤差,如圖2所示;對(duì)柵欄效應(yīng)可以通過(guò)補(bǔ)零和增加截取長(zhǎng)度來(lái)改善效果,如圖3所示,筆者曾在文獻(xiàn)[5-6]中有更詳細(xì)的分析。通過(guò)Matlab展示一目了然,學(xué)生既有興趣又能理解清楚。

圖2 矩形窗和hamming窗以不同長(zhǎng)度截?cái)嘈Ч?/p>

圖3 柵欄效應(yīng)的兩種抑制方法效果

2 教學(xué)方法的創(chuàng)新

課程教學(xué)以O(shè)BE為導(dǎo)向,更新教學(xué)思想、教學(xué)觀念,改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式,形成以學(xué)生為中心的教學(xué)方法,圍繞基本概念和基本分析方法兩個(gè)基本點(diǎn),強(qiáng)化編程思維訓(xùn)練,夯實(shí)作為專業(yè)基礎(chǔ)課的基礎(chǔ)理論根基。講授中注重過(guò)程完整、條理清晰、銜接連貫、層層遞進(jìn)。變單向式教學(xué)為討論式、研究式教學(xué),針對(duì)理論學(xué)習(xí)多、動(dòng)手實(shí)踐少,教師灌輸多、學(xué)生獨(dú)立思考少,接收知識(shí)多、創(chuàng)造機(jī)會(huì)少的弊端,增加學(xué)生實(shí)踐機(jī)會(huì)、自學(xué)機(jī)會(huì)和創(chuàng)新機(jī)會(huì),構(gòu)建教與學(xué)新型關(guān)系[7]。

2.1 “一教二學(xué)三練”,教學(xué)相長(zhǎng)

作為理論性非常強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課,經(jīng)過(guò)多年的體會(huì),凝練出“數(shù)字信號(hào)處理”課程的特色教學(xué)方法——“一教二學(xué)三練”。

“一教”:首先教師要講清基本概念、基本原理、基本分析方法及基本設(shè)計(jì)方法,為后序課程奠定扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。因其理論性強(qiáng),不易理解,對(duì)教師教學(xué)提出了較高的要求,因此,首先教師要教好,這就是所謂“一教”。

“二學(xué)”:指學(xué)生一要在課堂上要認(rèn)真學(xué),二要在線上反復(fù)學(xué)。由于該課程學(xué)習(xí)難度大,對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)也提出基本要求,線上線下全方位促進(jìn)學(xué)習(xí)。

“三練”:指學(xué)生要練習(xí)題、練編程、練應(yīng)用。通過(guò)練習(xí)題,掌握基本理論;通過(guò)練編程,鍛煉邏輯思維和轉(zhuǎn)化能力;通過(guò)練應(yīng)用,學(xué)會(huì)課程的工程實(shí)際應(yīng)用。將“三練”落實(shí)到位,才能真正做到掌握該課程。

“數(shù)字信號(hào)處理”課程通過(guò)“一教二學(xué)三練”的教學(xué)模式,使得“教”與“學(xué)”相輔相成,互相促進(jìn),如圖4所示,展現(xiàn)出良好的教學(xué)成效。

圖4 “一教二學(xué)三練”的特色教學(xué)模式

2.2 以問(wèn)題為導(dǎo)向,推動(dòng)思考

“數(shù)字信號(hào)處理”課程的基本理論有一定的難度,因此通過(guò)提出問(wèn)題,讓學(xué)生的學(xué)習(xí)有目標(biāo)可循。首先課前發(fā)布需要復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)的內(nèi)容,讓學(xué)生帶著問(wèn)題進(jìn)行課前預(yù)習(xí)。然后課堂上進(jìn)行充分講解和討論,指導(dǎo)學(xué)生深入思考,強(qiáng)化重點(diǎn)、難點(diǎn),突出重點(diǎn)知識(shí)和主要問(wèn)題的分析講解;并通過(guò)問(wèn)卷、測(cè)驗(yàn)、討論等方式提升學(xué)生的參與度,培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力,充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。課后保持和學(xué)生互動(dòng),通過(guò)習(xí)題、短視頻、線上答疑等進(jìn)行課后的訓(xùn)練和鞏固,定時(shí)解決學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的問(wèn)題,加強(qiáng)對(duì)課程的掌握。

2.3 以程序?yàn)榍腥?提升能力

數(shù)字信號(hào)處理的最終實(shí)現(xiàn)離不開編寫程序。通過(guò)程序設(shè)計(jì)作為切入點(diǎn),將理論和實(shí)踐相融合,有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)理論的理解和程序設(shè)計(jì)能力。尤其是通過(guò)軟件演示來(lái)教學(xué),使學(xué)生能直觀地感受信號(hào)處理的過(guò)程,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、拓寬學(xué)生的思路,有利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題及邏輯思維能力。

因此,要對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)加強(qiáng)落實(shí)管理。教師要認(rèn)真對(duì)待每節(jié)實(shí)驗(yàn)課,精心安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,加強(qiáng)模塊化設(shè)計(jì)能力培養(yǎng),例如序列產(chǎn)生模塊、頻譜計(jì)算模塊、濾波器設(shè)計(jì)模塊、圖形繪制模塊等,形成結(jié)構(gòu)化思維。同時(shí),要在實(shí)驗(yàn)課上指導(dǎo)學(xué)生規(guī)范操作,理解原理和程序的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化,學(xué)會(huì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,能描述和對(duì)比波形。要求課下提交實(shí)驗(yàn)作業(yè),錄制視頻和提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告,其成績(jī)參與期末成績(jī)?cè)u(píng)定。如圖5和圖6所示為學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)作業(yè)和視頻演示效果,實(shí)踐表明,教學(xué)效果非常好。

圖5 學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)作業(yè)

圖6 學(xué)生提交的視頻演示情況

2.4 線上線下結(jié)合,多元激勵(lì)

依托超星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行課程教學(xué)資源建設(shè),形成線上線下結(jié)合的教學(xué)模式。目前已建設(shè)并投入使用的教學(xué)資源包括教學(xué)課件及視頻、學(xué)習(xí)指導(dǎo)、章節(jié)測(cè)驗(yàn)、試題庫(kù)、習(xí)題庫(kù)、課程資料庫(kù)、在線問(wèn)答、拓展資源,以及課后的作業(yè)提交和線上考試等,各項(xiàng)活動(dòng)可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài),活躍學(xué)習(xí)氣氛,隨時(shí)答疑解惑;各類資料又可以讓學(xué)生能提前學(xué)、反復(fù)學(xué)、隨時(shí)學(xué),幫助學(xué)生更加熟練地掌握內(nèi)容。通過(guò)線上平臺(tái),更廣泛地促進(jìn)了資源共享、互動(dòng)交流和自主學(xué)習(xí)。

3 考核方式的改革

2020年對(duì)課程的考核方式進(jìn)行了改革,注重形成性過(guò)程考核,增加了期中考試環(huán)節(jié)。成績(jī)?cè)u(píng)定包括期末考試成績(jī)(占50%)、期中考試成績(jī)(占30%)、平時(shí)成績(jī)(包括作業(yè)和課堂表現(xiàn))(占10%)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)(占10%)。

期末考試方式為閉卷,試題包括工程知識(shí)部分、問(wèn)題分析部分及設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)部分,體現(xiàn)了考核內(nèi)容、考核方式與課程目標(biāo)和畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如表1所示。

表1 課程考核內(nèi)容、考核方式和課程目標(biāo)、畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系

過(guò)程性考核促使學(xué)生全程投入到課程學(xué)習(xí)中,杜絕了期末突擊得到高分的情況。為取得好成績(jī),學(xué)生必須發(fā)揮主動(dòng)性,持之以恒,緊跟每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié),同時(shí)培養(yǎng)了獨(dú)立思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

4 教學(xué)成效

經(jīng)過(guò)二十余年的建設(shè)和實(shí)施,“數(shù)字信號(hào)處理”課程面向電子信息人才多元化的要求和學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的需求,始終注重教書育人、課程建設(shè)、教學(xué)探索與改革,致力于課程與實(shí)驗(yàn)體系的建設(shè)和完善。針對(duì)新工科知識(shí)交叉等特點(diǎn),突出“兩性一度”特色,該課程成為電子信息工程專業(yè)成效突出的專業(yè)基礎(chǔ)課。根據(jù)近三年的學(xué)生評(píng)教結(jié)果,無(wú)論按課程評(píng)教,還是按教師評(píng)教,成績(jī)都在優(yōu)良以上,該課程教學(xué)獲得了學(xué)生的一致好評(píng)。

1)強(qiáng)化基本概念和分析方法,重構(gòu)課程內(nèi)容,夯實(shí)了專業(yè)基礎(chǔ)。

基本概念是一門學(xué)科的基石,對(duì)基本概念必須透徹理解,深度把握,在講授時(shí)必須明確、精準(zhǔn),要講出概念的內(nèi)涵和外延。并且針對(duì)課程前沿性和工程應(yīng)用的特點(diǎn),將“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)的數(shù)學(xué)知識(shí)用工程思維加以解釋,加強(qiáng)了概念理解和實(shí)踐教學(xué)建設(shè),便于學(xué)生掌握。從而為后續(xù)課程奠定扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。

2)編程訓(xùn)練既是手段又是目標(biāo),理解了基本原理,培養(yǎng)了創(chuàng)新能力。

“數(shù)字信號(hào)處理”課程的實(shí)際應(yīng)用離不開程序,通過(guò)編程將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為編程語(yǔ)言,學(xué)生鍛煉了邏輯思維能力,更清晰地體會(huì)基本概念的原理方法。而且根據(jù)程序運(yùn)行結(jié)果圖示,對(duì)基本概念的理解更加深入。同時(shí),編程能力又是實(shí)踐的基本環(huán)節(jié),通過(guò)編程完成課程設(shè)計(jì)和系統(tǒng)開發(fā),培養(yǎng)了專業(yè)技能和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

3)注重過(guò)程性考核,學(xué)生成績(jī)穩(wěn)步提高。

通過(guò)加強(qiáng)過(guò)程性評(píng)價(jià),依托超星平臺(tái),將過(guò)程評(píng)價(jià)融合在每節(jié)每題當(dāng)中,促進(jìn)了學(xué)生成績(jī)的整體提高。從圖7近三年的學(xué)生成績(jī)分布可以看出,2019年成績(jī)平均分是64.18,2020年開始注重形成性過(guò)程考核,增加了期中考試,平均分升到69.88,2021年的平均分達(dá)到了74.98,成績(jī)顯著提高,學(xué)生學(xué)習(xí)效果提升。

圖7 2019-2021年的學(xué)生成績(jī)分布

4)有效利用線上資源,學(xué)習(xí)自主性提高。

通過(guò)在線學(xué)習(xí)與課堂教學(xué)相結(jié)合,拓展了教師的教學(xué)時(shí)空,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和參與度,使線上線下的教學(xué)資源互補(bǔ),形成良好的正向?qū)б?。隨著課程平臺(tái)的建設(shè),線上資源也充分應(yīng)用于教學(xué)活動(dòng)中。尤其在疫情期間,通過(guò)線上進(jìn)行測(cè)驗(yàn)、討論、答疑、作業(yè)、考試等活動(dòng),并及時(shí)開展指導(dǎo)與測(cè)評(píng),各項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)完整、有效,按計(jì)劃實(shí)施,學(xué)生響應(yīng)度高,師生互動(dòng)充分,有效促進(jìn)了資源共享、互動(dòng)交流和自主式與協(xié)作式學(xué)習(xí)。

5)教學(xué)質(zhì)量顯著提升,起到了引領(lǐng)示范作用。

經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)和實(shí)施,教學(xué)質(zhì)量顯著提升,“數(shù)字信號(hào)處理”課程成為電子信息工程專業(yè)成效突出的專業(yè)基礎(chǔ)課。以此為依托,近三年教學(xué)團(tuán)隊(duì)在各方面的教學(xué)研究中有了長(zhǎng)足的發(fā)展,取得了一系列教學(xué)成果,主要包括:在教學(xué)改革方面,申請(qǐng)了省級(jí)、校級(jí)等多項(xiàng)教改項(xiàng)目,發(fā)表了多篇教學(xué)論文;在教材建設(shè)方面,編寫了一部教材,正在出版當(dāng)中;在課程建設(shè)方面,“數(shù)字信號(hào)處理”課程被認(rèn)定為山西省一流課程;在專業(yè)建設(shè)方面,太原科技大學(xué)電子信息工程專業(yè)被評(píng)為山西省一流專業(yè);在指導(dǎo)學(xué)生方面,被指導(dǎo)的學(xué)生接連在“全國(guó)大學(xué)生嵌入式芯片與系統(tǒng)設(shè)計(jì)競(jìng)賽”等賽事中獲得過(guò)國(guó)家級(jí)一、二、三等獎(jiǎng)。改革的成效還帶動(dòng)了其它課程的改革發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

“數(shù)字信號(hào)處理”課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式等方面進(jìn)行了多年的改革和創(chuàng)新,形成“一教二學(xué)三練”的基本教學(xué)模式,取得了良好的教學(xué)成效。通過(guò)強(qiáng)化基本概念和分析方法,學(xué)生夯實(shí)了專業(yè)基礎(chǔ);利用程序演示和實(shí)踐訓(xùn)練,學(xué)生理解了原理,培養(yǎng)了能力;采用線上線下相結(jié)合的方法,提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度和自主性;注重過(guò)程性考核,學(xué)生成績(jī)顯著提高。同時(shí)對(duì)其它課程的改革也起到了引領(lǐng)示范作用,具有一定的推廣價(jià)值。