基于CTE理念的數字信號處理課程改革

燕麗紅 ， 林志雄

（1.西安歐亞學院 信息工程學院，陜西 西安 710065；2.莆田學院 電子信息工程學系，福建 莆田 351100；3.中國科學院 西安光學精密機械研究所 瞬態光學與光子技術國家重點實驗室，陜西 西安 710119）

《數字信號處理》作為電子信息工程和通信工程專業重要的專業課，是一門基礎理論與工程實踐相結合的課程，文中作者在近四、五年的授課過程中，發現這門課在講授時很費力，但學生還感到枯燥、難懂。探其原因，其概念、原理和方法都包含較多的數學知識和復雜的數學推導，而民辦院?；虻胤叫栽盒５膶W生數學基本功底本身不到位，看見數學首先就很排斥、厭倦，再加上這門課又有很多的專業描述，更是讓學生感到畏懼，盡管老師也很辛苦，但教學效果卻不明顯。因此，作為大學階段的專業必修課又是很重要的專業知識課，要充分調動學生的積極性和主動性，使學生學有所成，轉變教學理念，改革教學方法和教學方法，提高教學質量是很有必要的[1-5]。

1 改革理念

傳統的教學方式更多地是注入式（灌輸式）的教育學生。對于數字信號處理這門課，主要采用以理論教學為主，實驗教學為輔的授課方式，盡管教師也采用了多媒體等現代化的教學手段，但課堂還是以教師為中心，學生學習的積極性和主動性很少被調動。西安歐亞學院與美國杜肯大學合作成立“卓越教學中心”（Center for Teaching Excellence，簡稱“CTE”）項目，致力于支持、提高、改進教與學。改革了傳統的教學方式，將以教師為中心的教學轉向以學生為中心，在教學設計環節、教學方法、教學質量評價等方面進行改革，旨在以學習者為中心，重視學生的參與度與主動性。該理念已在西安歐亞學院進行了多期的師資培訓，并已在該院大多數專業推廣，未來也可推廣到其他以應用型人才培養為目標的地方型本科院校。

在CTE理念中，更多地是強調學生的主動性。其中布魯姆的教學分類法則（Bloom’s Taxonomy）包括：知識（knowledge）、理解（comprehension）、應用（application）、分析（analysis）、評價（evaluation）、創造（creation）等 6 個方面，但更強調對學生的評價，有了好的評價體系，學生的主動性才能得到更好的發揮，因此制定課程的評價體系是至關重要的，而且一定要強調這些評價指標是會按實際執行的。

在這門課的教學改革中，除了采用板書與多媒體相結合的方式，更多的是采用新的教學理念和方法調動學生學習的積極性和主動性，如在課前通過BB（Blackboard）網絡輔助教學系統提前布置任務營造學習氛圍，在課中精心設計授課流程和問答層級，分組討論、交流分享等進行教學方法改革，課后通過大作業，資料消化等再學習的方式使學生對所有內容進行更深入的掌握，以提升教學效果。

2 改革措施

《數字信號處理》課程本身理論性強、公式推導較多、概念比較抽象，學生常感到枯燥難學。近幾年的教學中，作者也進行了相應的課程改革，但更多的是采用傳統的教學方式，改革輔以多媒體教學，但未強調學生的參與度，學生滿意度一般[6-7]。

對該課程的改革主要是以學生為中心，淡化枯燥的數學推導，將課堂教學一部分變為多媒體教學，盡量將一些理論分析用圖形或動畫的手段展示出來，以增強學生的感性認識。采用BB網絡教學手段，將課程相應的課件，視頻，學習資料等進行共享，提前布置任務等方式讓學生參與部分章節試講的方式，或專題分享的形式提高學生的參與度。并開設相應的實驗課，實驗課主要是以MATLAB為平臺，充分利用MATLAB[8-9]的數字信號處理工具箱提供的各種功能讓學生親自動手將課堂所學進行仿真實現。

結合CTE理念，采用精心制定符合CTE標準的課程大綱，優化教學內容，改革教學手段和實驗教學方式，設計切實可行的評價考核體系等方式對數字信號處理這門課進行改革。

2.1 教學大綱的制作

以往的教學大綱就是把這門課的主要知識點很籠統地羅列出來，再加上相應章節所用的課時和課程所用的參考書等內容。根據CTE要求，在制定新標準的課程大綱時，主要涉及課程描述、本課程與其他課程的關系、教師資料、課程設計思路、學完本課程學生能達到的行為目標、課程參考書目及相關閱讀資料，教學過程每章節的內容及給學生提供的閱讀材料和給學生期望目標、考核評價要求等8部分。其中通過課程描述學生可以了解這門課可以學到什么，有課程與其他課之間的聯系可以使老師和學生清楚這門課在這個專業中的地位，有教師資料學生就很方便平時和老師溝通與交流，提供大量的閱讀材料可以使學生更好地掌握這門課的知識，而詳實的評價體系能更好地將學生平時的表現展現出來，在教學過程中學生積極參與了教學環節，這樣就給教師上課帶來了很大的鼓舞，同時學生也能夠從中得到更多的知識。

2.2 優化教學內容

該課程主要講授的是基礎理論部分，工程算法部分，工程應用部分及系統設計等方面的內容，針對不同類型的知識單元，將：1）理論部分如離散時域信號與系統的時域分析、頻域分析、DFT等知識單元，通過學生參與，討論、對比的方法，讓學生重點加強對其物理概念的理解。2）工程算法部分如FFT算法等內容主要讓學生要理解其基本原理，能夠舉一反三，并可以分小組討論、交流。3）工程應用部分如利用DFT計算線性卷積、信號的抽樣與恢復等部分主要利用PPT，或動畫的形式給學生一個感性的認知，同時培養學生利用Matlab仿真軟件等將實際應用中的問題進行分析和解決的能力。4）系統設計如IIR濾波器的設計、FIR濾波器的設計等主要講授基本思想，通過討論比較，強調仿真的重要性，培養學生具備系統設計的思維和方法。

2.3 改革教學手段

在具體的教學中，采用傳統的教學手段展示重要理論的推導、分析，多媒體演示將復雜的波形及變換過程直觀地展現給學生，實驗內容的仿真實現更好地將所學的理論知識進行了應用，這3方面有機的結合使學生對基本概念和基本理論理解和掌握的同時，又提高了學生積極思維的主動性。

在教學過程中，除了采用以上手段進行教學改革外，更重要的是強調學生的參與度和主動性，即采用內容豐富的網絡教學系統，學生可以利用BB網絡教學系統隨時自學、交流和答疑，保證了較高的教學效果。其中BB系統中主要包括：任課教師信息、課程通知、課程文檔（教學大綱、教學計劃）、學習資料（跟課程相關的課外學習資料）、作業與測試、交流等部分，通過提前布置相應的任務，讓同學熟知下節課的任務，參與習題課或部分章節的講授，以培養學生主動學習的意識，引導學生積極地思考，充分調動了學生的積極性。同時老師在每位同學講授完后一定要進行點評和給予激勵，這樣能夠更好地保證課堂效果的有序進行。如圖1所示課程BB系統結構圖。

圖1 數字信號處理課程BB系統結構圖Fig.1 BB system structure of digital signal processor course

2.4 改革實驗教學方式

以往的實驗教學大部分都是老師在課堂上進行仿真演示，學生沒有更多地進行實踐，而且也不重視這樣一個環節，往往學期末了學生對其理論知識還是一知半解，考試成績也不理想。因此，在具體的授課過程中，部分為課堂授課演示，部分為機房上機實驗，這樣讓學生親自參與到數字信號處理的實踐中，通過理論驗證和系統設計的實踐環節，加強學生理論應用能力。

實驗部分的內容主要分為典型信號的實現，信號的頻域分析，數字濾波器的設計等，每部分的實驗分為驗證性或設計的內容，即有規定學生必做的內容，也會讓學生根據個人情況自己設計實驗內容。MATLAB強大的仿真功能是學生本科階段必須掌握的軟件，因此，實驗仍采用MATLAB作為平臺，讓每一位學生都能重視起來，不但可以對數字信號處理的理論有一個新的認識，而且對MATLAB信號處理工具箱的應用能力也得到提高。

針對目前學生大部分擁有計算機的情況，除了在機房統一進行實驗，畢竟課時有限，課后還會布置相應的實驗讓學生通過自學或討論，查閱相關資料來完成，根據學生完成情況，給予疑難問題的答疑。同時為了考查學生軟件的掌握情況，和理論應用的能力，期末考試采用上機操作的考試方式。

2.5 改革綜合評價體系

傳統的課程考核體系為平時占40%（課后作業和到課率各占20%），期末考試（筆試）占60%，學生平時的學習過程沒有考核。而CTE更強調學生的參與和給與學生的評價，以激勵學生學習的主動性和積極性。結合這門課程的特點，同時還會布置大作業，為了鼓勵同學了解數字信號處理技術的最新發展，寫一篇關于數字信號處理的綜述性論文，做到學以致用。具體考核評價如表1所示。

表1 數字信號處理課程考核情況表Tab.1 Evaluation form of digital signal processing course

3 結 論

文中基于CTE理念，對數字信號處理課程從制定教學大綱，課程內容，教學手段，實驗環節和考核體系等方面的改革進行了討論和研究，轉變傳統的教學觀念，以學生為中心，重視過程監控，旨在改變學生的學習態度，引導學生自主學習，積極有效地培養學生學習的興趣，更好地促進了教師教授過程的創新。目前CTE理念主要應于用文科類專業的教學中，如金融學、會計學、新聞傳播等多個專業相關課程上，理工科的教學改革嘗試尚較少見，但通過對該理論進行分析，由于該理論自有的特性，它也完全可以推廣到以應用型人才培養為目標的各類高校理工科專業各課程中。

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