基于產(chǎn)教融合的地方高校“數(shù)字信號處理”教學改革探索

王曉燕 季仁東 顧相平 唐永鋒

淮陰工學院電子信息工程學院 江蘇淮安 223001

2017年2月,教育部發(fā)布《關于開展新工科研究與實踐的通知》,積極推進新工科建設。與傳統(tǒng)的工科人才相比,“新工科”注重培養(yǎng)具備較強實踐能力和創(chuàng)新能力、具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型人才[1-2]?！靶鹿た啤苯ㄔO需要依托產(chǎn)教融合、校企合作的方式,通過建立資源共享、合作共贏的校企協(xié)同機制,構(gòu)建行業(yè)產(chǎn)業(yè)與學校之間的協(xié)同育人環(huán)境[3-4]。

ICT是信息、通信和技術(shù)相融合而形成的一個新的技術(shù)領域[5-6]。2016年,我校與北京華晟經(jīng)世信息技術(shù)股份有限公司開展合作,簽署了校企合作與發(fā)展服務協(xié)議?；贗CT產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地,校方與合作方可共同制定發(fā)展規(guī)劃、共同制訂培養(yǎng)方案、共同確定課程內(nèi)容、共同實施課程教學、共同建設實踐平臺、共同進行質(zhì)量評價。我校通信工程專業(yè)為ICT產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地的主要合作專業(yè),數(shù)字信號處理作為通信工程專業(yè)的核心課程,其在教學方面勢必要緊跟形式進行相應改革,從而助力新工科建設。

1 “數(shù)字信號處理”課程教學現(xiàn)狀

1.1 教學內(nèi)容陳舊滯后

相比于通信及信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展,通信設備的更新?lián)Q代,課堂中“數(shù)字信號處理”課程的教學內(nèi)容稍顯陳舊,滯后于當前通信及信息處理技術(shù)的發(fā)展實際。

1.2 教學方法及教學手段有待改進

課程教學中較多采用理論講授和案例分析的教學方法,以理論灌輸為主,對于重難點知識,學生會感覺理論內(nèi)容枯燥無味,相關公式推導晦澀難懂,不能充分激發(fā)學生的學習興趣,以致無法有效提升教學質(zhì)量。

1.3 實踐教學形式有待豐富

課程實驗多在實驗室通過上機編程仿真的形式完成,學生按照教師給定的實驗任務,按照既定的實驗步驟可完成驗證性的實驗內(nèi)容,但對設計性實驗往往能力不足,從而喪失實踐操作的興趣。如何組織實踐教學內(nèi)容及采取多樣化的實踐指導形式還有待于進一步研究。

1.4 課程考核有待多元化

課程考核形式較單一,大多采用平時成績和期末成績各占一定比例的形式,且考核內(nèi)容主要局限于教材和課堂教學中教師講授的范圍。側(cè)重于理論知識的記憶和掌握,缺乏對專業(yè)技能的考核,不利于學生實踐能力及創(chuàng)新能力的考核。

我校通信工程專業(yè)于2020年通過工程教育專業(yè)認證,2021年獲批國家一流本科專業(yè)建設點。“數(shù)字信號處理”作為通信工程專業(yè)的核心課程,需要以產(chǎn)教融合為背景,改進現(xiàn)有教學狀況,全方位提升學生的課程理論知識水平和實踐創(chuàng)新能力。

2 教學改革措施

2.1 面向新工科,更新教學內(nèi)容

新工科背景下,“產(chǎn)教融合”要求借助企業(yè)平臺優(yōu)勢,發(fā)揮企業(yè)在培養(yǎng)學生過程中的重要作用,并不是簡單地理解為減少理論教學內(nèi)容和課時,與此恰恰相反,應該根據(jù)教學大綱要求對課程教學內(nèi)容重新做出合理選擇與分類。

2.1.1 針對知識點特性,對課程教學內(nèi)容進行分類

“數(shù)字信號處理”課程主要講解離散傅里葉變換及濾波器設計,應根據(jù)教學內(nèi)容特性將其分為課堂精講部分和與實踐結(jié)合部分。針對相關理論,如Z變換、離散傅里葉變換等,需要在課堂上精講,結(jié)合數(shù)學推導,使學生深刻理解變換的原理及實現(xiàn)過程。而濾波器設計除了講解其設計方法和原理外,應重點與實踐相結(jié)合,通過動手實踐、編程調(diào)試,從而掌握濾波器設計的方法原理及應用。

2.1.2 擴充與實時更新教學內(nèi)容

“數(shù)字信號處理”課程是信息通信技術(shù)相關領域的基礎課程,課程內(nèi)容應跟上該領域的前沿技術(shù)發(fā)展。因此,授課要與時俱進,在講授對應章節(jié)時應該及時補充一些最新的方法及技術(shù),不能受限于教材本身內(nèi)容。重點加強教學內(nèi)容中的工程應用部分,適當補充教學案例,注重理論知識與實踐應用的有機結(jié)合。

2.2 設計分層實驗,提升實踐應用能力

在實踐教學中,根據(jù)課程知識的進度,分別設計驗證性實驗、設計性實驗以及綜合項目實驗。驗證性實驗在掌握每章基礎知識的基礎上可順利完成,設計性實驗需要綜合應用課程知識,而綜合項目實驗不僅包括了該門課程的相關理論,同時也與信號與系統(tǒng)、通信原理等課程相關,且能夠深度強化學生的編程應用能力。

以IIR、FIR數(shù)字濾波器相關內(nèi)容為基礎,設計綜合項目案例,如語音信號處理、圖像處理等綜合性實驗,在講解濾波器設計的方法原理時,不僅演示相關的數(shù)學推導過程,而且將涉及的Matlab函數(shù)融入項目設計的實踐過程中。綜合案例教學方法能夠充分激發(fā)學生的學習興趣,從而有效提升其實踐應用能力。

2.3 聯(lián)合ICT創(chuàng)新基地,強化實訓開發(fā)能力

“產(chǎn)教融合”要求與專業(yè)密切相關的企業(yè)同步參與到人才培養(yǎng)的全過程中,為學生提供更多的實踐機會,讓學生盡早認清自己的學習目標及學習內(nèi)容。“數(shù)字信號處理”課程作為通信工程類專業(yè)核心課程,可充分利用創(chuàng)新基地硬件資源,在實踐教學中適當引入實訓項目的開發(fā)講解,分類設計實驗項目,以小組為單位,指導學生完成項目內(nèi)容。結(jié)合項目需求優(yōu)化實踐授課內(nèi)容,引領學生創(chuàng)新實踐,這種將課程理論與實踐應用相結(jié)合的授課方式能夠激發(fā)學生課堂學習的積極性,帶著問題聽課,且能夠?qū)W到的理論及時用于項目設計,在深刻理解理論知識的同時,培養(yǎng)了解決工程問題的實踐能力。

2.4 依托網(wǎng)絡課堂,加強教學資源建設

“數(shù)字信號處理”課程作為我校校級優(yōu)秀課程,依托泛雅課堂網(wǎng)絡平臺,制作了一系列授課視頻及教學課件、電子教案等相關學習輔助資料,通過平臺實現(xiàn)發(fā)布作業(yè)、在線測試、師生互評等功能。尤其在線測試功能,可方便查看學生答題情況以及各知識點的掌握情況,從而實現(xiàn)教學效果的精準分析,有利于改進后續(xù)的教學環(huán)節(jié)。線上課程建設極大豐富了學生課后的學習資源,與課堂教學形成互補,逐漸形成了立體式全方位教與學的互動模式。

2.5 實施多元考核,注重綜合能力培養(yǎng)

在產(chǎn)教融合新形勢下,考核模式應當轉(zhuǎn)變思路,分別從理論考核及實驗考核兩方面做出相應改革。我?！皵?shù)字信號處理”課程考試在形式上采取筆試、實驗操作和課后作業(yè)相結(jié)合的形式,在考試內(nèi)容上減少以機械記憶作答的試題類型及數(shù)量,適當增加需要經(jīng)過分析、綜合、歸納才能解答的綜合類題目。另外,對實驗考核形式也做了相應改革。傳統(tǒng)的實驗考核多以實驗報告為準,這樣單一的考核方式導致出現(xiàn)了部分實驗報告雷同的情況,同時也會影響學生對實驗上機操作的積極性。該課程的實踐教學考核采用了答辯式考核、隨堂隨機抽簽操作考核以及獨立完成設計性實驗項目等多種方式。注重實驗態(tài)度、實驗過程和實驗結(jié)果,突出實驗教學的考評功能,優(yōu)化了實踐教學考評體系。

2.6 聚焦產(chǎn)教融合,打造雙師型教學團隊

“數(shù)字信號處理”課程在通信工程專業(yè)起著承上啟下的作用,在學生學完高等數(shù)學、信號與系統(tǒng)、模擬電路等基礎課程后,逐漸過渡到通信原理、嵌入式系統(tǒng)設計、數(shù)據(jù)通信等專業(yè)類課程的學習,而“數(shù)字信號處理”課程中的信號采集、信號濾波、信號恢復等內(nèi)容對后續(xù)課程學習起著重要的鋪墊作用。依據(jù)ICT產(chǎn)教融合平臺,教學團隊有計劃地參加企業(yè)選派專家所安排的技能培訓,只有教師自身實踐創(chuàng)新能力提高了,才能更有效地指導學生。為進一步強化學生對課程知識的掌握及應用,課程組聯(lián)合ICT創(chuàng)新基地的企業(yè)導師共同完成學生的課程實驗及綜合項目指導工作,雙師型教學團隊逐漸形成。

2.7 融入課程思政,落實立德樹人

高校的根本任務是立德樹人,專業(yè)課程也應當融入相應的思政內(nèi)容。依據(jù)“數(shù)字信號處理”課程的特點,可分別從宏觀視角和微觀視角設計相關的思政元素。宏觀視角可從應用實例引入課程相關理論,引導學生認真學習專業(yè)知識,培養(yǎng)其社會責任感和使命感。微觀視角則可分別結(jié)合時域采樣定理、循環(huán)卷積、濾波器設計等專題知識,深入挖掘思政元素,適當引入相關人文知識,并嵌入學科前言和行業(yè)發(fā)展趨勢,提升學習興趣,引導學生做到學以致用,知行合一。將教學小課堂和社會大課堂相結(jié)合,有機融入思政元素,進一步提升教學效果,更好地落實立德樹人根本任務。

3 教學改革成效

我校通信工程專業(yè)于2020年通過工程教育專業(yè)認證,根據(jù)工程教育認證的標準和要求,依據(jù)我校通信工程專業(yè)培養(yǎng)目標和數(shù)字信號處理課程定位,明確了該課程支撐的畢業(yè)要求和課程目標。課程目標主要有以下3個:

課程目標1:通過對數(shù)字信號處理基本理論、基本方法的學習,學生要熟悉序列的傅里葉變換FT、Z變換、離散傅里葉變換DFT及其快速算法FFT原理、IIR和FIR濾波器的設計原理等相關知識,并能用于數(shù)字信號處理系統(tǒng)中。

課程目標2:通過對基礎知識的學習,能對離散時間信號與系統(tǒng)進行基本性能分析,能夠利用DFT進行信號的頻譜分析,并能分析解決DFT應用中的問題。

課程目標3:通過學習IIR和FIR濾波器設計原理,能夠設計并實現(xiàn)滿足性能指標的數(shù)字濾波器,具備分析設計數(shù)字濾波器的基本能力。

以通信工程專業(yè)2019級學生為例(通信1192班),計算得到班級總體的課程目標達成情況如圖1所示,課程目標1、2和3的能力達成度平均值分別為0.85、0.77和0.66。繪制課程總評成績分布如圖2所示,多數(shù)學生成績高于75分,大概三分之一學生高于80分,課程平均分為76分。

圖1 課程目標總體達成情況

圖2 課程總評成績分布圖

學生對課程目標1的能力達成度為0.85,說明學生對于數(shù)字信號處理的基本理論與基本方法理解和掌握情況較好,包括:序列的傅里葉變換FT、Z變換、離散傅里葉變換DFT及其快速算法FFT原理、IIR和FIR濾波器的設計原理等相關知識,能夠?qū)镜碾x散時間信號和系統(tǒng)進行簡單分析及運算。

學生對課程目標2的能力達成度為0.77,稍低于課程目標1,這說明大多數(shù)學生對于離散時間信號與系統(tǒng)的性能分析、應用離散傅里葉變換DFT對信號進行頻譜分析等內(nèi)容的學習及應用掌握較好,但也有部分學生相對較弱,尤其是DFT頻譜分析部分,少數(shù)學生存在學習及理解困難,需要進行針對性輔導。

學生對課程目標3的達成度為0.66,達成度偏低,說明有部分同學沒有掌握好課程中的數(shù)字濾波器設計和應用相關內(nèi)容,對設計過程中的相關計算流程及計算方法不熟悉,或者對濾波器設計的Matlab編程方法沒有掌握。針對該部分能力的提升,在以后的教學過程中應開展針對性的專題輔導和能力訓練。

課程考核結(jié)果說明課程目標總體達成,可見大部分學生對課程相關理論知識掌握程度較好,實踐應用能力也得到了有效提升,但仍存在一些有待提高的地方,在以后的教學過程中應進行持續(xù)改進。

結(jié)語

在新工科背景下,依托我校ICT產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地,分別從教學內(nèi)容、實踐方式、網(wǎng)絡課堂、課程考核、師資隊伍、課程思政等方面開展了“數(shù)字信號處理”課程教學改革,重點探索了理論課堂與ICT創(chuàng)新基地之間的結(jié)合方法,以產(chǎn)教融合的方式著力提升學生的實踐應用能力。淮陰工學院作為地方應用型高校,對學生工程實踐能力的訓練是人才培養(yǎng)的重心,“數(shù)字信號處理”作為通信工程專業(yè)的核心課程,將進一步加強校企合作,深化產(chǎn)教融合,不斷提升學生的實踐創(chuàng)新能力,為社會培養(yǎng)更多的優(yōu)秀應用型人才。