新工科背景下構(gòu)建多體系融合的信號(hào)處理類課程群教學(xué)新模式

劉慶玲 關(guān)立新

摘要：本文分析了信號(hào)處理類課程群的教學(xué)現(xiàn)狀，并在新工科背景下針對(duì)工程類人才培養(yǎng)的新要求，構(gòu)建了多體系融合的信號(hào)處理類課程群的教學(xué)新模式——教導(dǎo)并舉互動(dòng)融合的專業(yè)知識(shí)培養(yǎng)體系、“四平臺(tái)，一基地”多層遞進(jìn)的實(shí)踐能力訓(xùn)練體系、靈活多樣的課程考核評(píng)價(jià)體系，樹立學(xué)思結(jié)合的學(xué)習(xí)觀、學(xué)用結(jié)合的教育觀，真正實(shí)現(xiàn)了以提升學(xué)生能力為核心內(nèi)容的培養(yǎng)目標(biāo)，滿足了新工科以及應(yīng)用型轉(zhuǎn)型的基本要求。

關(guān)鍵詞：新工科；信號(hào)處理類課程群；多體系融合；教學(xué)；改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2018）17-0086-04

引言

目前，工科類專業(yè)的人才培養(yǎng)存在很多弊端，集中表現(xiàn)為無法與實(shí)際接軌。因此，基于“面向需求，創(chuàng)新機(jī)制，強(qiáng)化實(shí)踐，協(xié)同育人”的理念和思路，筆者所在學(xué)校以信息工程專業(yè)信號(hào)處理類課程為突破口，提出構(gòu)建以突出學(xué)生能力培養(yǎng)為核心內(nèi)容的教學(xué)新模式，努力提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，滿足新工科以及應(yīng)用型轉(zhuǎn)型對(duì)工程類人才的基本要求。[1-3]

信號(hào)處理類課程是信息類專業(yè)知識(shí)體系的核心組成部分，是本科生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。筆者結(jié)合所在學(xué)校信息工程專業(yè)的課程設(shè)置以及與相關(guān)課程的橫向聯(lián)系，提出“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”“DSP原理與應(yīng)用”和“圖形圖像處理”四門課程構(gòu)成信號(hào)處理類課程群。這四門課程知識(shí)點(diǎn)相互交叉覆蓋，但又有著不同的側(cè)重點(diǎn)與表述方式，構(gòu)成了一個(gè)相互聯(lián)系的課程群體系。該體系不僅涉及到信號(hào)分析與處理的整套理論，而且更注重運(yùn)用信號(hào)處理的相關(guān)理論解決工程領(lǐng)域中的實(shí)際問題，對(duì)其教學(xué)模式進(jìn)行改革與探索，具有重要的意義與應(yīng)用價(jià)值。

信號(hào)處理類課程群教學(xué)模式中存在的問題

信號(hào)處理類課程群具有承上啟下的作用，是聯(lián)系工程數(shù)學(xué)中相關(guān)理論與工程實(shí)踐的具體應(yīng)用之間的橋梁，能夠培養(yǎng)學(xué)生的理論分析能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。分析目前的教學(xué)模式，問題集中表現(xiàn)在如下幾方面。

1.課程體系結(jié)構(gòu)不完善

各門課程與學(xué)科內(nèi)部的關(guān)聯(lián)性沒有得到很好的把握，致使各課程的內(nèi)容過分獨(dú)立，課程體系在專業(yè)培養(yǎng)中的整體效應(yīng)沒有得到充分發(fā)揮，使學(xué)生不能正確理解整個(gè)課程體系及其在實(shí)踐中的重要意義。

2.現(xiàn)有教學(xué)模式陳舊

目前通常是采取課堂理論講授為主的教學(xué)模式，不能有效地將新的教學(xué)方式、軟硬件資源（仿真方法）與課程內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，教學(xué)理念和教學(xué)設(shè)計(jì)思路落后，課程群各課程的知識(shí)得不到有效融合與貫通，難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。[4-5]

3.實(shí)踐環(huán)節(jié)形式化

目前，大多數(shù)普通工科院校的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)通常是以利用實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，訓(xùn)練方法陳舊，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，趨于形式化，不能真正發(fā)揮實(shí)踐的真正作用，也很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，更不能發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性。[6-9]

4.課程考核形式單一

現(xiàn)有的考核方式通常采取期末閉卷的方式，平時(shí)成績雖然占一定的比例，但差距不大，造成學(xué)生只注重最后的理論考核成績，忽視平時(shí)的學(xué)習(xí)過程。另外，目前考核中幾乎沒有體現(xiàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)。

解決措施

針對(duì)上述問題，不同地方工科院校針對(duì)信號(hào)處理類課程群的教學(xué)模式進(jìn)行了不同形式的改革與探索，地方普通師范類院校有著不同于工科院校的環(huán)境與特點(diǎn)，因此，筆者所在學(xué)校根據(jù)自身特點(diǎn)，融入新工科教育的新理念，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力為核心目標(biāo)，對(duì)信息工程專業(yè)的信號(hào)處理類課程群的教學(xué)模式進(jìn)行了探究與改革。

1.構(gòu)建信號(hào)處理類課程群模塊化交織的課程體系

信號(hào)處理類課程群主要涉及四門課程，分別是“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”“DSP原理與應(yīng)用”與“圖形圖像處理”。其中“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”是兩門聯(lián)系緊密的專業(yè)基礎(chǔ)課，是信息類專業(yè)重要的核心課程，構(gòu)成信號(hào)處理類課程中的基礎(chǔ)模塊；“數(shù)字信號(hào)處理”與“DSP原理與應(yīng)用”是課程相關(guān)理論實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái)，構(gòu)成信號(hào)處理類課程的實(shí)踐模塊；“圖形圖像處理”是信號(hào)處理理論與實(shí)踐的具體應(yīng)用，組成應(yīng)用模塊。高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)等數(shù)學(xué)類課程群以及電路分析基礎(chǔ)是信號(hào)處理類課程群的前期基礎(chǔ)課，為信號(hào)處理類課程群提供必要的理論支撐，Matlab程序設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)講授建模和仿真的基本方法，能夠?qū)⑦B續(xù)、離散信號(hào)的系統(tǒng)處理過程與處理結(jié)果以直觀的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，為信號(hào)處理類課程群提供必要的軟件平臺(tái)。三個(gè)模塊以重視基礎(chǔ)理論、強(qiáng)化軟硬結(jié)合、突出實(shí)踐應(yīng)用為主線，構(gòu)成縱向傳承、橫向互補(bǔ)的模塊化交織的專業(yè)課程體系。

2.構(gòu)建多體系融合的信號(hào)處理類課程群教學(xué)新模式

（1）構(gòu)建教導(dǎo)并舉、互動(dòng)融合的專業(yè)知識(shí)培養(yǎng)體系

①整合課程內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)資源。

信號(hào)處理類課程之間不同程度地存在交叉與聯(lián)系，任課教師通過集體研討，對(duì)課程的重疊部分做出科學(xué)合理的分配，避免重疊部分在不同課程授課中多次出現(xiàn)，造成教學(xué)資源的浪費(fèi)，同時(shí)很好地協(xié)調(diào)了課程的銜接部分，使課程按照進(jìn)度有序進(jìn)行，確保取得好的教學(xué)效果。

②多種教學(xué)方式融合。

根據(jù)課程的特點(diǎn)或者是某個(gè)章節(jié)的內(nèi)容，合理采用靈活多變的教學(xué)方式，如任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、問題導(dǎo)向法、項(xiàng)目教學(xué)法等，變教師為主體為學(xué)生為主體，變灌輸課堂為對(duì)話課堂，變繼承學(xué)習(xí)為創(chuàng)新學(xué)習(xí)，變知識(shí)獲取為能力培養(yǎng)，注重培養(yǎng)學(xué)生自主思考、自主探究、自主學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

以“信號(hào)與系統(tǒng)”為例，在傳統(tǒng)講授的基礎(chǔ)上，可采用案例導(dǎo)入、專題討論的形式，引入日常可接觸到的信號(hào)處理系統(tǒng)（如接打電話的過程），先讓學(xué)生對(duì)該過程有一定的認(rèn)識(shí)和了解，接著組織學(xué)生分組討論，分析接打電話過程中涉及到哪些信號(hào)處理的基本過程，然后進(jìn)行集中總結(jié)講授。通過這種形式，學(xué)生有了學(xué)習(xí)的興趣與求知的欲望，學(xué)習(xí)效率得到提高。

③理論教學(xué)與仿真融合。

“信號(hào)與系統(tǒng)”與“數(shù)字信號(hào)處理”課程涉及連續(xù)、離散信號(hào)與系統(tǒng)的基本概念以及時(shí)頻分析的基本理論，其特點(diǎn)是概念抽象、理論強(qiáng)、難理解，借助Matlab的平臺(tái)優(yōu)勢，采取理論講授與Matlab仿真結(jié)果相融合的方式，能夠?qū)⒑芏喑橄蟆⒖菰锏睦碚撝庇^地呈現(xiàn)給學(xué)生，彌補(bǔ)理論教學(xué)的不足。

以“數(shù)字信號(hào)處理”為例，離散傅里葉變換（DFT）一直以來都是該課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在講述離散傅里葉變換在頻譜分析中的應(yīng)用這部分內(nèi)容時(shí)，學(xué)生總是難以理解計(jì)算分辨率、物理分辨率的概念，將Matlab仿真引入課堂，能夠起到事半功倍的效果。

例如，采用Matlab，對(duì)信號(hào)不同的截短以及信號(hào)補(bǔ)零得到的頻譜仿真結(jié)果如下圖所示。

Matlab仿真與理論教學(xué)相融合，使原本很抽象的問題變得清楚、易懂。同時(shí)在演示過程中，能夠增強(qiáng)教師與學(xué)生之間的互動(dòng)，使學(xué)生由被動(dòng)變主動(dòng)，大大改善了教學(xué)效果。

（2）構(gòu)建“四平臺(tái)，一基地”多層遞進(jìn)的實(shí)踐能力訓(xùn)練體系

①四平臺(tái)建設(shè)。

基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：主要完成每門課程的基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)，與課程的理論教學(xué)相呼應(yīng)，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解與掌握，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生基本的實(shí)踐技能。

綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)：完成一類課程的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)（信號(hào)分析與處理綜合實(shí)訓(xùn)）、相關(guān)課程設(shè)計(jì)（DSP原理及應(yīng)用、圖形圖像處理）以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，要求學(xué)生在教師所給范圍內(nèi)，完成自主選題、自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)踐、自主展示的整體過程，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題的綜合能力。

學(xué)科競賽平臺(tái)：以校級(jí)、省級(jí)、國家級(jí)競賽為依托，建立專業(yè)基礎(chǔ)、學(xué)科特色、綜合素質(zhì)相結(jié)合的學(xué)科競賽體系，著力培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

科研創(chuàng)新平臺(tái)：選擇能力較強(qiáng)的優(yōu)秀學(xué)生進(jìn)入教師的科研團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行個(gè)性化培養(yǎng)，接受較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲泄ぷ饔?xùn)練，參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的申報(bào)、設(shè)計(jì)、實(shí)踐的整體過程，初步培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)以及從事科研工作的初步技能。

②實(shí)習(xí)基地建設(shè)。

校外實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地：依托企業(yè)，搭建校企聯(lián)動(dòng)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地，讓學(xué)生走出去，深入到企業(yè)中，了解企業(yè)文化、項(xiàng)目運(yùn)作和管理的模式，了解就業(yè)需求和崗位素質(zhì)的基本要求，提高學(xué)生的專業(yè)技能，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)競爭力。

以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)，同時(shí)融入CDIO工程教育的理念，搭建上述多層遞進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)體系，實(shí)施從單門課程實(shí)驗(yàn)到課程群系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，再到課外參與科研課題的階梯式推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證型—設(shè)計(jì)型—綜合研究型實(shí)踐的多層面結(jié)合，完成從簡單到復(fù)雜、從單一到綜合的實(shí)踐教學(xué)過程，符合新工科人才培養(yǎng)的基本要求。

（3）構(gòu)建靈活多樣的課程考核評(píng)價(jià)體系

考核是對(duì)課程建設(shè)及教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要手段，也是提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和開展創(chuàng)新教育的重要手段。針對(duì)課程特點(diǎn)，實(shí)行課程考核方式的改革，是教學(xué)改革與實(shí)踐的重要內(nèi)容。

①加強(qiáng)平時(shí)過程考核的具體化。

為了使學(xué)生注重平時(shí)的學(xué)習(xí)過程，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣與自我管理能力，筆者所在學(xué)校加強(qiáng)了對(duì)平時(shí)成績的考核，做到考核的具體化，包括出勤、課上回答問題、課堂測試、作業(yè)完成情況等方面，每方面給出具體分?jǐn)?shù)，定期總結(jié)，最終給出客觀真實(shí)的平時(shí)成績，真正反映學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

②增加對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的考核。

信號(hào)處理類課程群是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，實(shí)踐能力的考核是對(duì)學(xué)生考核很重要的一方面，增加實(shí)踐考核環(huán)節(jié)，給出綜合設(shè)計(jì)型選題的方向，要求學(xué)生以組為單位，完成自主選題、自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)現(xiàn)、自主報(bào)告的全過程，按照評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)給出實(shí)踐成績，最終以一定的比例計(jì)入期末成績中。

③合理調(diào)整各項(xiàng)考核比例。

課程最終成績包括平時(shí)成績、期末成績以及實(shí)踐成績，根據(jù)課程特點(diǎn)及考核采取的具體形式，教師具有一定的調(diào)整各項(xiàng)成績比例的權(quán)限（在學(xué)校規(guī)定的各項(xiàng)比例的前提下），同時(shí)寫出調(diào)整理由的書面報(bào)告。這樣可以強(qiáng)化考核學(xué)生學(xué)習(xí)的過程性，淡化期末理論考核，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，有利于教師深入開展教學(xué)活動(dòng)，提高教學(xué)效率。

上述考核機(jī)制的改革，充分體現(xiàn)信號(hào)處理類課程群的教學(xué)特點(diǎn)，打破以往單一的理論考試的模式，實(shí)現(xiàn)能力化、多元化、過程化的課程考核新機(jī)制，不僅考查學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握與理解，更注重考查學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的基本能力、實(shí)踐操作能力以及文字表達(dá)與綜述的綜合能力，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生綜合能力的評(píng)價(jià)與考核。

結(jié)束語

新工科背景下，基于應(yīng)用型轉(zhuǎn)型對(duì)工科人才培養(yǎng)的基本要求，筆者所在學(xué)校對(duì)師范類院校信息工程專業(yè)信號(hào)處理類課程群的教學(xué)模式進(jìn)行探究，充分考慮課程的特點(diǎn)，提出教學(xué)模式的改革。建立模塊化交織的信號(hào)處理類課程體系，構(gòu)建多體系融合的教學(xué)新模式，更新教學(xué)手段，打破教育資源的局限性，突出實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)考核的全面性。新的教學(xué)模式注重以學(xué)生為中心，教師為引導(dǎo)，注重學(xué)生個(gè)性化、多樣性的學(xué)習(xí)需求，形成了教學(xué)目標(biāo)明確、層次結(jié)構(gòu)合理、教學(xué)重點(diǎn)與特色突出的信號(hào)處理類課程群教學(xué)新模式，促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提高以及學(xué)生的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭冬巖，申志永，袁素娟.基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的工程教育實(shí)踐教學(xué)改革研究[J].工業(yè)技術(shù)與職業(yè)教育，2014，12（2）：53-55.

[2]仇大偉，劉靜，馬志慶.“信號(hào)與信息處理”課程群的建設(shè)實(shí)踐[J].信息技術(shù)與信息化，2017（6）：116-117.

[3]李敏通，趙繼政，吳婷婷，等.信號(hào)處理類課程群課程體系建設(shè)與教學(xué)改革探討[J].高教學(xué)刊，2015（14）：90-91.

[4]張安清，林洪文，陳洪泉.《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)改革與方法研究[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2013，36（4）：113-115.

[5]郭建濤.“數(shù)字信號(hào)處理”課程的Matlab教學(xué)研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（3）：117-119.

[6]王艷芬，張劍英，張曉光，等.信號(hào)處理課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（4）：132-134.

[7]趙東旭，孫立權(quán)，楊建梅，等.工科類綜合型專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的新模式[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（7）：214-217.

[8]朱金秀，張卓，朱昌平.數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27（5）：96-98.

[9]陳姿羽，喻德曠，楊豐，等.信號(hào)處理類課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革之探討與實(shí)踐[J].科教導(dǎo)刊，2017（22）：111-112.

作者簡介：劉慶玲（1970.12—），女，河北唐山人，教授，博士，主要從事信號(hào)處理類課程的教學(xué)與研究。

基金項(xiàng)目：本文系河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（編號(hào)：2017GJJG191）的研究成果。