新工科背景下構建多體系融合的信號處理類課程群教學新模式

劉慶玲 關立新

摘要：本文分析了信號處理類課程群的教學現狀，并在新工科背景下針對工程類人才培養的新要求，構建了多體系融合的信號處理類課程群的教學新模式——教導并舉互動融合的專業知識培養體系、“四平臺，一基地”多層遞進的實踐能力訓練體系、靈活多樣的課程考核評價體系，樹立學思結合的學習觀、學用結合的教育觀，真正實現了以提升學生能力為核心內容的培養目標，滿足了新工科以及應用型轉型的基本要求。

關鍵詞：新工科；信號處理類課程群；多體系融合；教學；改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）17-0086-04

引言

目前，工科類專業的人才培養存在很多弊端，集中表現為無法與實際接軌。因此，基于“面向需求，創新機制，強化實踐，協同育人”的理念和思路，筆者所在學校以信息工程專業信號處理類課程為突破口，提出構建以突出學生能力培養為核心內容的教學新模式，努力提升學生的工程實踐能力，滿足新工科以及應用型轉型對工程類人才的基本要求。[1-3]

信號處理類課程是信息類專業知識體系的核心組成部分，是本科生重要的專業基礎課。筆者結合所在學校信息工程專業的課程設置以及與相關課程的橫向聯系，提出“信號與系統”“數字信號處理”“DSP原理與應用”和“圖形圖像處理”四門課程構成信號處理類課程群。這四門課程知識點相互交叉覆蓋，但又有著不同的側重點與表述方式，構成了一個相互聯系的課程群體系。該體系不僅涉及到信號分析與處理的整套理論，而且更注重運用信號處理的相關理論解決工程領域中的實際問題，對其教學模式進行改革與探索，具有重要的意義與應用價值。

信號處理類課程群教學模式中存在的問題

信號處理類課程群具有承上啟下的作用，是聯系工程數學中相關理論與工程實踐的具體應用之間的橋梁，能夠培養學生的理論分析能力和實踐創新能力。分析目前的教學模式，問題集中表現在如下幾方面。

1.課程體系結構不完善

各門課程與學科內部的關聯性沒有得到很好的把握，致使各課程的內容過分獨立，課程體系在專業培養中的整體效應沒有得到充分發揮，使學生不能正確理解整個課程體系及其在實踐中的重要意義。

2.現有教學模式陳舊

目前通常是采取課堂理論講授為主的教學模式，不能有效地將新的教學方式、軟硬件資源（仿真方法）與課程內容進行有機結合，教學理念和教學設計思路落后，課程群各課程的知識得不到有效融合與貫通，難以達到預期的教學效果。[4-5]

3.實踐環節形式化

目前，大多數普通工科院校的實踐教學環節通常是以利用實驗箱實現基礎的驗證型實驗為主，訓練方法陳舊，實驗內容單一，趨于形式化，不能真正發揮實踐的真正作用，也很難調動學生的積極性，更不能發揮學生的創造性。[6-9]

4.課程考核形式單一

現有的考核方式通常采取期末閉卷的方式，平時成績雖然占一定的比例，但差距不大，造成學生只注重最后的理論考核成績，忽視平時的學習過程。另外，目前考核中幾乎沒有體現實踐環節。

解決措施

針對上述問題，不同地方工科院校針對信號處理類課程群的教學模式進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境與特點，因此，筆者所在學校根據自身特點，融入新工科教育的新理念，以培養學生實踐能力、提升創新創業能力為核心目標，對信息工程專業的信號處理類課程群的教學模式進行了探究與改革。

1.構建信號處理類課程群模塊化交織的課程體系

信號處理類課程群主要涉及四門課程，分別是“信號與系統”“數字信號處理”“DSP原理與應用”與“圖形圖像處理”。其中“信號與系統”“數字信號處理”是兩門聯系緊密的專業基礎課，是信息類專業重要的核心課程，構成信號處理類課程中的基礎模塊；“數字信號處理”與“DSP原理與應用”是課程相關理論實現的硬件平臺，構成信號處理類課程的實踐模塊；“圖形圖像處理”是信號處理理論與實踐的具體應用，組成應用模塊。高等數學、復變函數等數學類課程群以及電路分析基礎是信號處理類課程群的前期基礎課，為信號處理類課程群提供必要的理論支撐，Matlab程序設計與仿真系統講授建模和仿真的基本方法，能夠將連續、離散信號的系統處理過程與處理結果以直觀的形式展現在學生面前，為信號處理類課程群提供必要的軟件平臺。三個模塊以重視基礎理論、強化軟硬結合、突出實踐應用為主線，構成縱向傳承、橫向互補的模塊化交織的專業課程體系。

2.構建多體系融合的信號處理類課程群教學新模式

（1）構建教導并舉、互動融合的專業知識培養體系

①整合課程內容，優化教學資源。

信號處理類課程之間不同程度地存在交叉與聯系，任課教師通過集體研討，對課程的重疊部分做出科學合理的分配，避免重疊部分在不同課程授課中多次出現，造成教學資源的浪費，同時很好地協調了課程的銜接部分，使課程按照進度有序進行，確保取得好的教學效果。

②多種教學方式融合。

根據課程的特點或者是某個章節的內容，合理采用靈活多變的教學方式，如任務驅動法、問題導向法、項目教學法等，變教師為主體為學生為主體，變灌輸課堂為對話課堂，變繼承學習為創新學習，變知識獲取為能力培養，注重培養學生自主思考、自主探究、自主學習的學習習慣。

以“信號與系統”為例，在傳統講授的基礎上，可采用案例導入、專題討論的形式，引入日?？山佑|到的信號處理系統（如接打電話的過程），先讓學生對該過程有一定的認識和了解，接著組織學生分組討論，分析接打電話過程中涉及到哪些信號處理的基本過程，然后進行集中總結講授。通過這種形式，學生有了學習的興趣與求知的欲望，學習效率得到提高。

③理論教學與仿真融合。

“信號與系統”與“數字信號處理”課程涉及連續、離散信號與系統的基本概念以及時頻分析的基本理論，其特點是概念抽象、理論強、難理解，借助Matlab的平臺優勢，采取理論講授與Matlab仿真結果相融合的方式，能夠將很多抽象、枯燥的理論直觀地呈現給學生，彌補理論教學的不足。

以“數字信號處理”為例，離散傅里葉變換（DFT）一直以來都是該課程的重點和難點，在講述離散傅里葉變換在頻譜分析中的應用這部分內容時，學生總是難以理解計算分辨率、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，對信號不同的截短以及信號補零得到的頻譜仿真結果如下圖所示。

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

（2）構建“四平臺，一基地”多層遞進的實踐能力訓練體系

①四平臺建設。

基礎教學實驗平臺：主要完成每門課程的基礎型實驗，與課程的理論教學相呼應，加深學生對相關理論知識的理解與掌握，同時培養學生基本的實踐技能。

綜合實驗實訓平臺：完成一類課程的綜合設計型實驗（信號分析與處理綜合實訓）、相關課程設計（DSP原理及應用、圖形圖像處理）以及畢業設計等環節，要求學生在教師所給范圍內，完成自主選題、自主設計、自主實踐、自主展示的整體過程，培養學生發現問題、分析問題、運用所學知識解決問題的綜合能力。

學科競賽平臺：以校級、省級、國家級競賽為依托，建立專業基礎、學科特色、綜合素質相結合的學科競賽體系，著力培養學生的綜合實踐與創新能力。

科研創新平臺：選擇能力較強的優秀學生進入教師的科研團隊，進行個性化培養，接受較為嚴謹的科研工作訓練，參與大學生創新創業項目的申報、設計、實踐的整體過程，初步培養學生的科研素養以及從事科研工作的初步技能。

②實習基地建設。

校外實習實訓基地：依托企業，搭建校企聯動的創新創業實習實訓基地，讓學生走出去，深入到企業中，了解企業文化、項目運作和管理的模式，了解就業需求和崗位素質的基本要求，提高學生的專業技能，同時增強學生的就業競爭力。

以培養學生實踐創新能力為目標，同時融入CDIO工程教育的理念，搭建上述多層遞進的實踐教學體系，實施從單門課程實驗到課程群系統綜合設計，再到課外參與科研課題的階梯式推進，實現驗證型—設計型—綜合研究型實踐的多層面結合，完成從簡單到復雜、從單一到綜合的實踐教學過程，符合新工科人才培養的基本要求。

（3）構建靈活多樣的課程考核評價體系

考核是對課程建設及教學質量評價的重要手段，也是提高學生學習積極性和開展創新教育的重要手段。針對課程特點，實行課程考核方式的改革，是教學改革與實踐的重要內容。

①加強平時過程考核的具體化。

為了使學生注重平時的學習過程，提高學習質量，培養學生良好的學習習慣與自我管理能力，筆者所在學校加強了對平時成績的考核，做到考核的具體化，包括出勤、課上回答問題、課堂測試、作業完成情況等方面，每方面給出具體分數，定期總結，最終給出客觀真實的平時成績，真正反映學生平時的學習狀態。

②增加對實踐教學環節的考核。

信號處理類課程群是實踐性很強的課程，實踐能力的考核是對學生考核很重要的一方面，增加實踐考核環節，給出綜合設計型選題的方向，要求學生以組為單位，完成自主選題、自主設計、自主實現、自主報告的全過程，按照評分標準給出實踐成績，最終以一定的比例計入期末成績中。

③合理調整各項考核比例。

課程最終成績包括平時成績、期末成績以及實踐成績，根據課程特點及考核采取的具體形式，教師具有一定的調整各項成績比例的權限（在學校規定的各項比例的前提下），同時寫出調整理由的書面報告。這樣可以強化考核學生學習的過程性，淡化期末理論考核，可以充分調動學生自主學習的積極性，有利于教師深入開展教學活動，提高教學效率。

上述考核機制的改革，充分體現信號處理類課程群的教學特點，打破以往單一的理論考試的模式，實現能力化、多元化、過程化的課程考核新機制，不僅考查學生對理論知識的掌握與理解，更注重考查學生運用知識解決實際問題的基本能力、實踐操作能力以及文字表達與綜述的綜合能力，真正實現對學生綜合能力的評價與考核。

結束語

新工科背景下，基于應用型轉型對工科人才培養的基本要求，筆者所在學校對師范類院校信息工程專業信號處理類課程群的教學模式進行探究，充分考慮課程的特點，提出教學模式的改革。建立模塊化交織的信號處理類課程體系，構建多體系融合的教學新模式，更新教學手段，打破教育資源的局限性，突出實踐教學環節，實現考核的全面性。新的教學模式注重以學生為中心，教師為引導，注重學生個性化、多樣性的學習需求，形成了教學目標明確、層次結構合理、教學重點與特色突出的信號處理類課程群教學新模式，促進了教學質量的提高以及學生的工程實踐能力與創新創業能力的提升。

參考文獻：

[1]郭冬巖，申志永，袁素娟.基于創新型人才培養的工程教育實踐教學改革研究[J].工業技術與職業教育，2014，12（2）：53-55.

[2]仇大偉，劉靜，馬志慶.“信號與信息處理”課程群的建設實踐[J].信息技術與信息化，2017（6）：116-117.

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

[4]張安清，林洪文，陳洪泉.《數字信號處理》課程教學改革與方法研究[J].高等教育研究學報，2013，36（4）：113-115.

[5]郭建濤.“數字信號處理”課程的Matlab教學研究[J].電氣電子教學學報，2010，32（3）：117-119.

[6]王艷芬，張劍英，張曉光，等.信號處理課程群實驗教學體系的構建[J].實驗室研究與探索，2013，32（4）：132-134.

[7]趙東旭，孫立權，楊建梅，等.工科類綜合型專業實驗教學設計的新模式[J].實驗室研究與探索，2016，35（7）：214-217.

[8]朱金秀，張卓，朱昌平.數字信號處理課程實驗教學研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2008，27（5）：96-98.

[9]陳姿羽，喻德曠，楊豐，等.信號處理類課程教學實驗改革之探討與實踐[J].科教導刊，2017（22）：111-112.

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

基金項目：本文系河北省高等教育教學改革研究與實踐項目（編號：2017GJJG191）的研究成果。