新工科和疫情背景下數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的研究

吳 玲,曹 霞,鄔小林,李亞蘭

(1.湖北工程學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，湖北 孝感 432000；2.武漢晴川學(xué)院 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.湘南學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院，湖南 郴州 423000)

隨著“新工科”概念的提出，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)和數(shù)字化思維的新工科人才成為高校的工科人才培養(yǎng)目標(biāo)。2020年初，全國(guó) “新型冠狀病毒肺 炎”疫情爆發(fā)，教育部提出“停課不停教與學(xué)”。筆者所在學(xué)校借助互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放教育資源已能解決大部分理論課程的網(wǎng)上教學(xué)問(wèn)題。可是實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要借助實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)教學(xué)因此也缺乏充分的應(yīng)對(duì)措施，因而實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨著前所未有的壓力[1]。

“數(shù)字信號(hào)處理”是一門工程性很強(qiáng)的課程，也是后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)和貫穿學(xué)科內(nèi)容的紐帶。近年來(lái)，社會(huì)和企業(yè)對(duì)既掌握學(xué)科理論知識(shí)又掌握相關(guān)工程技術(shù)人才的需求呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。本文基于新工科和疫情背景，研究了“數(shù)字信號(hào)處理”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，旨在幫助學(xué)生理解理論知識(shí)，并用來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

1 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革思路

縱觀研究數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的文獻(xiàn)，大致可以分為三類：第一類是基于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革[2-3]。第二類是將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法[4-7]。第三類是與網(wǎng)絡(luò)數(shù)字資源結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[8]。結(jié)合新工科和疫情背景，本文從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)考核多元化模式三個(gè)方面探討數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方法。與傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，本文提出了基于Matlab GUI的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)與學(xué)習(xí)通結(jié)合的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路如圖1所示。

圖1 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容研究

以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力為目標(biāo)，圍繞數(shù)字信號(hào)處理的重難點(diǎn)知識(shí)，構(gòu)建多層次和多類型的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系來(lái)滿足不同基礎(chǔ)的學(xué)生的需求。多層次體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照難易程度分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和拔高實(shí)驗(yàn)。多類型體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)不僅有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，還增加綜合實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。具體如表1所示。

表1 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式混合化

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具備真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的教學(xué)功能。尤其在疫情或者其他緊急情況下無(wú)法開(kāi)展正常教學(xué)時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得尤為重要。采用Matlab虛擬仿真軟件中的GUI來(lái)搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和拔高實(shí)驗(yàn)的相關(guān)功能，以增強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的直觀性和生動(dòng)性。

超星學(xué)習(xí)通是翻轉(zhuǎn)課堂中的一種新穎而有效的教學(xué)方法。學(xué)生不再是課堂上被灌輸知識(shí)，而是在課堂上需要參與各種有意思的教學(xué)活動(dòng)，比如討論、搶答等。數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)的原理講解和實(shí)驗(yàn)演示非常適合采用視頻的形式來(lái)進(jìn)行。教師在課前將錄制好的視頻發(fā)布到學(xué)習(xí)通，同時(shí)在學(xué)習(xí)通中還可以設(shè)置一些具有啟發(fā)式的問(wèn)題。比如表1實(shí)驗(yàn)2中，教師可以提出以下幾個(gè)問(wèn)題：1)離散系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)有什么物理意義？2)系統(tǒng)的極點(diǎn)分布與因果穩(wěn)定性關(guān)系；3)零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)函數(shù)的影響？4)在濾波器設(shè)計(jì)中，如何設(shè)置零極點(diǎn)？學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)通可以隨時(shí)隨地預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)教師提出的問(wèn)題進(jìn)行思考和回答。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中，教師可以根據(jù)學(xué)生的回答以及操作中的問(wèn)題等進(jìn)行有針對(duì)性的講解或者討論。

對(duì)比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以更好地促進(jìn)學(xué)生積極思考，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 實(shí)驗(yàn)考核方式多元化

根據(jù)筆者以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考核主要以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，存在抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重、學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)積極性等缺點(diǎn)。為了更好地提升學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，有必要對(duì)實(shí)驗(yàn)考核方式進(jìn)行改革。我們提出的多元化實(shí)驗(yàn)考核方式如圖2所示。

圖2 多元化的實(shí)驗(yàn)考核方案

除了實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)操作，該實(shí)驗(yàn)考核的多元化體現(xiàn)在學(xué)習(xí)通中的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)以及提問(wèn)和回答問(wèn)題環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)占整體成績(jī)的20%，教師在學(xué)習(xí)通電腦端或者手機(jī)端可以查看學(xué)生預(yù)習(xí)情況，對(duì)于沒(méi)有預(yù)習(xí)的同學(xué)可以督促提醒。提問(wèn)和回答問(wèn)題環(huán)節(jié)占整體成績(jī)的20%，教師在發(fā)布每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置部分思考題，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)通中留言回答，該環(huán)節(jié)可以促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)思考。另外，對(duì)于學(xué)生自主完成的拔高型實(shí)驗(yàn)，教師可以根據(jù)完成情況額外加分。綜上所述，改革后的實(shí)驗(yàn)考核方案更能促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

2020年下學(xué)期，筆者所在學(xué)校電子信息工程專業(yè)部分班級(jí)初步應(yīng)用本文實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，取得了如下的成效：1)大部分學(xué)生養(yǎng)成提前預(yù)習(xí)的習(xí)慣；2)通過(guò)思考學(xué)習(xí)通里的問(wèn)題，培養(yǎng)了部分學(xué)生積極思考的創(chuàng)新思維能力；3)由于提前預(yù)習(xí)和思考，學(xué)生解決問(wèn)題能力明顯提高。除了上述成效，也存在一些問(wèn)題。如學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)通觀看學(xué)習(xí)視頻遇到問(wèn)題時(shí)無(wú)法與教師實(shí)時(shí)溝通，這也是后續(xù)要解決的問(wèn)題。