《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)探索與學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

辜小花 楊利平

摘要：本文結(jié)合作者教學(xué)實(shí)踐對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》課程的教學(xué)思路改革進(jìn)行探索，建立了雙循環(huán)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制并在教學(xué)過程中進(jìn)行了實(shí)踐。實(shí)踐結(jié)果表明：課程逐步完善的教學(xué)資源及所采取的形成性和終結(jié)性相結(jié)合的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)方式能夠促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，是《數(shù)字信號(hào)處理》課程落實(shí)以學(xué)生為中心教學(xué)理念的成功嘗試。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理;教學(xué)探索;學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

《數(shù)字信號(hào)處理》是高等學(xué)校電子信息與通信類專業(yè)的基礎(chǔ)課程。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，課程涉及的新理論、新方法、新算法都在不斷的演化和更新，給課程教學(xué)創(chuàng)新提供了豐富素材也帶來了極大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，課程的離散傅里葉變換和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)等核心內(nèi)容理論繁雜、公式多，初學(xué)者在理解和掌握上存在著困難。此外，以理論講授為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式形式單調(diào)、學(xué)生參與度不高、興趣不足也給課程教學(xué)造成了障礙。

為了使課程教學(xué)與時(shí)俱進(jìn)，課程教學(xué)質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)，真正滿足以學(xué)生為中心的教學(xué)要求，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，本文結(jié)合作者的教學(xué)實(shí)踐從教學(xué)思路改革、課程評(píng)價(jià)等方面對(duì)課程建設(shè)進(jìn)行探索，建立并實(shí)踐了雙循環(huán)結(jié)構(gòu)的課程學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制。

1 課程的教學(xué)思路改革探索

本科教學(xué)階段的《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)內(nèi)容看似交叉繁雜，但實(shí)質(zhì)上始終圍繞離散傅里葉變換和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)兩個(gè)核心展開，具有三條明確的主線，即信號(hào)表示、信號(hào)變換和信號(hào)處理…。作者認(rèn)為，初學(xué)者存在理解困難和學(xué)習(xí)參與度不高的主要原因有：（1）限于教材的教學(xué)內(nèi)容順序，教學(xué)過程中學(xué)生容易將數(shù)字信號(hào)和數(shù)字系統(tǒng)的概念混淆，導(dǎo)致對(duì)信號(hào)變換和信號(hào)處理方法的理解出現(xiàn)偏差。（2）教學(xué)過程中學(xué)生缺少同步的練習(xí)和應(yīng)用，靠死記硬背記憶理論知識(shí)，沒有真正理解離散傅里葉變換和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的物理含義（圖1為調(diào)查統(tǒng)計(jì)的學(xué)生學(xué)習(xí)難點(diǎn)分布）。（3）傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式缺少必要的學(xué)生參與和師生互動(dòng)，導(dǎo)致學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)。

為了改善課程教學(xué)效果、提高教學(xué)質(zhì)量、滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，可以從以下四個(gè)方面對(duì)高等學(xué)?！稊?shù)字信號(hào)處理》課程進(jìn)行改革。

1.1 以培養(yǎng)學(xué)生能力為出發(fā)點(diǎn)明確不同層次學(xué)生的課程學(xué)習(xí)目標(biāo)

以學(xué)生為中心的課程教學(xué)目標(biāo)不能再以教給學(xué)生什么樣的理論、知識(shí)、方法的方式闡述，而應(yīng)該明確學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)能夠具備何種能力來衡量。從學(xué)生的角度出發(fā)，《數(shù)字信號(hào)處理》課程的教學(xué)目標(biāo)總體上可以歸納為三條：（1）學(xué)生能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)推導(dǎo)和分析信號(hào)變換的過程;（2）學(xué)生能夠運(yùn)用傅里葉變換（尤其是快速傅里葉變化）實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的分析;（3）學(xué)生能夠根據(jù)給定的技術(shù)要求設(shè)計(jì)出符合技術(shù)指標(biāo)的數(shù)字濾波器。

以上三條教學(xué)目標(biāo)對(duì)于不同層次的學(xué)生要求應(yīng)有所差異。對(duì)“雙一流高校的本科學(xué)生而言，考慮到學(xué)生后續(xù)從事更高層次科學(xué)技術(shù)研究的需要，三條教學(xué)目標(biāo)都應(yīng)該達(dá)到。對(duì)應(yīng)用型本科學(xué)生而言，重點(diǎn)應(yīng)放在數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用上，即主要考查第二、三兩條教學(xué)目標(biāo)。

1.2設(shè)計(jì)以應(yīng)用為導(dǎo)向的課程教學(xué)案例

通過近十年的教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)盡管任課教師通過很多現(xiàn)實(shí)的案例分析了數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景，但學(xué)生在課程學(xué)習(xí)的初期仍無(wú)法理解課程內(nèi)容如何與應(yīng)用掛鉤。造成這一現(xiàn)象的主要原因是課程的理論推理是從數(shù)學(xué)的角度出發(fā)，缺少?gòu)膽?yīng)用中抽象、提取的教學(xué)案例。

為了改善和提升教學(xué)效果，任課教師需要圍繞課程理論內(nèi)容，結(jié)合理論的應(yīng)用設(shè)計(jì)若干教學(xué)案例，輔助學(xué)生理解。以下給出一個(gè)實(shí)例：在講授利用圓周卷積計(jì)算線性卷積的理論內(nèi)容時(shí)，任課教師可以先從線性卷積人手，給定一個(gè)實(shí)際的線性時(shí)不變系統(tǒng)h（n）和實(shí)際輸入信號(hào)x（n）。顯然，系統(tǒng)的輸出y（n）就是x（n）和h（n）的線性卷積。此時(shí)，我們可以分析序列y（n）和x（n）、h（n）的長(zhǎng)度、數(shù)值之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，引入圓周卷積的定義和離散傅里葉變換的性質(zhì)分析線性卷積和圓周卷積的關(guān)系和計(jì)算方法，從而使學(xué)生理解利用圓周卷積計(jì)算線性卷積的方法以及條件。此外，在數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)部分，任課教師也可以從實(shí)際應(yīng)用中抽象技術(shù)指標(biāo)，講授濾波器的設(shè)計(jì)過程以及設(shè)計(jì)完成后的應(yīng)用效果等。通過一個(gè)完整的應(yīng)用舉例輔助學(xué)生培養(yǎng)知識(shí)的應(yīng)用能力。

1.3 借助計(jì)算機(jī)輔助工具促進(jìn)理論教學(xué)的形象化和學(xué)生的自主探索

將理論內(nèi)容形象化是對(duì)抽象概念、定義和公式等最好的理解方式。數(shù)字信號(hào)處理課程中應(yīng)用MATLAB、多媒體技術(shù)、虛擬仿真系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)輔助工具將理論內(nèi)容形象化都是促進(jìn)學(xué)生深刻理解和熟練掌握課程內(nèi)容的有效途徑。通過編寫的MATLAB代碼可以讓學(xué)生理解從理論到算法的實(shí)現(xiàn)過程。通過錄制短視頻等多媒體手段可以通過形象的動(dòng)態(tài)影像輔助學(xué)生理解課程的理論內(nèi)容。通過虛擬仿真系統(tǒng)的應(yīng)用可以滿足學(xué)生實(shí)際訓(xùn)練的要求。

計(jì)算機(jī)輔助工具的使用也是促進(jìn)學(xué)生自主探索的有效手段。計(jì)算機(jī)輔助工具的使用可以使課程教學(xué)變得具有開放性、多元性和包容性等特征[2]。任課教師可以設(shè)計(jì)必要的設(shè)計(jì)題目供學(xué)生課后鞏固練習(xí)。學(xué)生也可以根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況建立個(gè)性化的學(xué)習(xí)方案，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)和自主探索能力的形成。

1.4 多樣化的教學(xué)和評(píng)價(jià)形式相結(jié)合，提升學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)興趣

隨著教育技術(shù)的發(fā)展，課程教學(xué)的形式越來越多樣化，既有傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，也出現(xiàn)了在線課程、慕課、微課、翻轉(zhuǎn)課堂等多種新的教學(xué)形式[1，3，4]。所有的教學(xué)形式都通過對(duì)課程“課前一課堂一課后”教學(xué)過程的約束促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，目標(biāo)是確立以學(xué)生為中心的課程學(xué)習(xí)模式。

由于其理論的復(fù)雜性和理解的難度，筆者認(rèn)為《數(shù)字信號(hào)處理》課程的宜采用教師主導(dǎo)的以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)模式。為了實(shí)現(xiàn)這種學(xué)習(xí)模式，課程應(yīng)采用多樣化的教學(xué)形式。在各種教學(xué)形式中，課堂講授仍應(yīng)是課程的重要教學(xué)形式，線上資源、微課視頻、翻轉(zhuǎn)課堂等作為必要的補(bǔ)充充實(shí)學(xué)生的課前、課堂、課后學(xué)習(xí)階段，提升學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，需要建立與多樣化教學(xué)形式相適應(yīng)的課程評(píng)價(jià)形式，保障課程教學(xué)質(zhì)量的改進(jìn)和學(xué)生學(xué)習(xí)效果的提升。

2 雙循環(huán)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制與實(shí)踐

2.1 雙循環(huán)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制

課程改革不僅關(guān)系到任課教師個(gè)人，必須有學(xué)生的深度參與。教學(xué)思路改革需要與之相適應(yīng)的課程學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制做保障。傳統(tǒng)的僅以考試評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的終結(jié)性評(píng)價(jià)方式很容易導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)“不考不學(xué)”、“考前突擊”的現(xiàn)象[5]，不利于形成《數(shù)字信號(hào)處理》課程“教師主導(dǎo)的以學(xué)生為中心”的學(xué)習(xí)模式。通過近幾年的教學(xué)實(shí)踐，筆者建立了形成性和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的雙循環(huán)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制。圖2為該學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制的示意圖。形成性評(píng)價(jià)是在教學(xué)過程中進(jìn)行，服務(wù)于“課前一課堂一課后”的各個(gè)環(huán)節(jié)，目的是發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)調(diào)整課程的教與學(xué)。終結(jié)性評(píng)價(jià)在課程中期和結(jié)束時(shí)進(jìn)行，目的是考核學(xué)生學(xué)習(xí)成效和評(píng)估課程教學(xué)質(zhì)量，為課程質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)提供依據(jù)。

在《數(shù)字信號(hào)處理》課程評(píng)價(jià)體系建立過程中，首先，充分利用了雨課堂、線上教學(xué)、課堂互動(dòng)和課后作業(yè)等多種形成性評(píng)價(jià)手段將課程教學(xué)的各個(gè)過程銜接起來，以保障學(xué)生的學(xué)習(xí)效果一直處于持續(xù)提升的狀態(tài)。課前發(fā)布教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)問題督促學(xué)生預(yù)習(xí)，并配以選擇、填空等自測(cè)題檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)基本概念的理解情況。課堂上針對(duì)教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)安排適度的課堂練習(xí)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)的內(nèi)化。課后通過作業(yè)檢查學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用能力。教學(xué)過程中所有的訓(xùn)練都通過平時(shí)成績(jī)反映到學(xué)生的學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)中。其次，通過統(tǒng)一組織的課程期中、期末考試綜合評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)的達(dá)成情況。該評(píng)價(jià)即作為學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定的一部分，也作為評(píng)價(jià)課程教學(xué)質(zhì)量的重要指標(biāo)。課程一個(gè)教學(xué)周期結(jié)束后，任課教師通過對(duì)考核情況的分析，提出課程教學(xué)改進(jìn)措施并修訂課程大綱或課程教案，使課程教學(xué)質(zhì)量始終處于持續(xù)改進(jìn)的狀態(tài)。

2.2課程評(píng)價(jià)機(jī)制實(shí)踐

基于以上的課程教學(xué)思路探索和雙循環(huán)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制，《數(shù)字信號(hào)處理》教學(xué)團(tuán)隊(duì)從2016年起逐步建立課程資源和相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法。截至目前，共錄制了40小時(shí)的課程教學(xué)輔助視頻資源;形成了涵蓋數(shù)字信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域、頻域、z域分析、離散傅里葉變換、信號(hào)譜分析、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)等核心內(nèi)容的4次課后鞏固練習(xí)資源;配合理論教學(xué)進(jìn)度，針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)難點(diǎn)設(shè)計(jì)并形成了包括z變換、離散傅里葉變換、IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)、FIR線性相位濾波器設(shè)計(jì)等在內(nèi)的5次課堂練習(xí)資源;以雨課堂平臺(tái)為基礎(chǔ)建立了10次課前重點(diǎn)難點(diǎn)預(yù)習(xí)資源。

在以上資源建設(shè)的支撐下，2019年數(shù)字信號(hào)處理課程完全按照雙循環(huán)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖3為一個(gè)30人教學(xué)班的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)。從圖中可以看出，課堂練習(xí)和學(xué)生的期中、期末的終結(jié)性評(píng)價(jià)的變化趨勢(shì)基本一致，說明課堂練習(xí)的加入顯著促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。同時(shí)，所有學(xué)生的課后作業(yè)完成情況都較好，但部分學(xué)生的考核成績(jī)偏低。這說明學(xué)生的課后鞏固環(huán)節(jié)缺少自覺、自律，后續(xù)實(shí)踐過程中需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

此外，圖4為近三個(gè)教學(xué)周期學(xué)生的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。對(duì)比三個(gè)教學(xué)周期的情況不難看出，通過不斷地加強(qiáng)課前、課堂和課后的形成性評(píng)價(jià)手段，學(xué)生的綜合評(píng)價(jià)逐年向好。不及格率從前兩個(gè)周期的25%以上下降到第三個(gè)周期的3.3%，優(yōu)良（綜合評(píng)價(jià)80分以上）的比例從14.3%、25%上升到50%。這說明當(dāng)前的課程教學(xué)改革思路方向是正確的，評(píng)價(jià)手段可以較好地引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，以學(xué)生為中心的課程教學(xué)方法正逐步形成。

3 結(jié)束語(yǔ)

在高等學(xué)校專業(yè)教育全面倡導(dǎo)以學(xué)生為中心的當(dāng)下，作為專業(yè)課程體系基本單元的課程如何落實(shí)以學(xué)生為中心、培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力是課程改革必須解決的核心問題。本文闡述了筆者對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》課程的教學(xué)思路改革進(jìn)行了探索和實(shí)踐，建立了雙循環(huán)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)機(jī)制，有效地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、參與度，使以學(xué)生為中心的教學(xué)理念在課程教學(xué)中落實(shí)，適應(yīng)了當(dāng)前專業(yè)教育的需要。

然而，課程改革是一個(gè)持續(xù)不斷的過程。在本文給出的幾點(diǎn)教學(xué)思路探索基礎(chǔ)上，繼續(xù)豐富教學(xué)資源、增加教學(xué)案例，建立理論和應(yīng)用并重的數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)體系是進(jìn)一步推進(jìn)課程改革的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙素文，賈磊磊《數(shù)字信號(hào)處理》翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2020（07）35-36.

[2]范迪，呂常智高等院?！皵?shù)字信號(hào)處理”課程教育教學(xué)探索——評(píng)《數(shù)字信號(hào)處理教程（第五版）》[J]高教探索，2020（02）：131

[3]張小青.基于學(xué)堂在線平臺(tái)的《數(shù)字信號(hào)處理》課程混合教學(xué)模式研究[J]教育教學(xué)論壇，2020（02）：233-234.

[4]張印強(qiáng)，王莉，李麗娟等.數(shù)字信號(hào)處理微課教學(xué)改革探索[J]西昌學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，34（01）：108-110+128.

[5]袁華，陳澤濠.形成性評(píng)價(jià)在課程教學(xué)中的應(yīng)用和實(shí)踐——以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)為例[J].計(jì)算機(jī)教育，2018（02）：67-69.