新時代背景下的數(shù)字信號處理課程改革

李艷鳳 陳后金 黃琳琳

摘要：面向時代發(fā)展，課程組提出了“知而有識、學(xué)而善用”的教學(xué)理念，優(yōu)化了課程教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容。以“為什么、是什么、做什么”為主線，開展了“問題驅(qū)動”的案例教學(xué)和“問題引領(lǐng)”的探究性教學(xué)，建設(shè)了豐富的課程教學(xué)資源，如國家級視頻公開課、教育部英語授課品牌課程、國家級在線開放課程，出版了國家級規(guī)劃教材。課程建設(shè)成果獲得了北京市教學(xué)成果獎，發(fā)揮了積極的示范與輻射作用。

關(guān)鍵詞：課程改革;教學(xué)理念;數(shù)字信號處理

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）22-0200-02

一、引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，社會對電子信息類人才的需求也發(fā)生了改變[1]，社會需要具有深厚理論基礎(chǔ)、多學(xué)科綜合能力以及創(chuàng)新能力的優(yōu)秀人才。傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理課程在教學(xué)內(nèi)容上未能及時將教研和科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)素材，教學(xué)內(nèi)容相對滯后。在教學(xué)方法上，難以激發(fā)學(xué)生的探究興趣，未能充分鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實際解決復(fù)雜工程問題的能力。在教學(xué)資源上，面向工程實際的教學(xué)案例和在線開放課程較少，難以滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)需求。因此，需要深化數(shù)字信號處理課程改革，提高本科生課程的教學(xué)質(zhì)量。

本次課程改革以教學(xué)理念更新為先導(dǎo)，以課程體系內(nèi)容改革為核心，以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為目標，提出了“知而有識、學(xué)而善用”的教學(xué)理念，優(yōu)化了課程教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容，建設(shè)了國家級英語授課品牌課程、國家級視頻公開課以及國家級規(guī)劃教材;以“為什么、是什么、做什么”為主線，開展了“問題驅(qū)動”的案例教學(xué)和“問題引領(lǐng)”的探究性教學(xué);研發(fā)了面向工程實際應(yīng)用的教學(xué)案例，開播了數(shù)字信號處理MOOC課程。

二、面向時代發(fā)展，提出了新的課程教學(xué)理念

高等學(xué)校的根本任務(wù)是培養(yǎng)和造就適應(yīng)時代發(fā)展的優(yōu)秀人才，課程教學(xué)是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[2]，教學(xué)理念對教學(xué)過程和結(jié)果具有深刻影響。傳統(tǒng)的大學(xué)教育大多停留在讓學(xué)生“知”，而沒有引導(dǎo)學(xué)生由“知”內(nèi)化為“識”，進而付諸“行”，造成學(xué)生只知道一些書本上的定義、性質(zhì)和習(xí)題演算。人們獲取知識的主要目的是創(chuàng)造知識和應(yīng)用知識，創(chuàng)造知識需要“有識”，應(yīng)用知識需要“善用”。若學(xué)生僅滿足于記憶這些書本內(nèi)容，則難以獲得真知灼見，創(chuàng)新創(chuàng)造更無從談起，造成國家教育資源的浪費和人才培養(yǎng)的落后。因此，學(xué)生應(yīng)該在汲取現(xiàn)有知識基礎(chǔ)上深思熟慮，心領(lǐng)神會，學(xué)以致用，從而形成自己的學(xué)識和能力，努力成為“知而有識、學(xué)而善用”的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才[3]。

三、豐富教學(xué)內(nèi)涵，優(yōu)化了課程教學(xué)體系

數(shù)字信號處理是電子信息類相關(guān)專業(yè)的重要課程，既包含理論性知識又具有技術(shù)性內(nèi)容。積極吸收教研與科研成果，優(yōu)化了課程教學(xué)體系，豐富了課程教學(xué)內(nèi)涵。例如，更正了現(xiàn)有國內(nèi)外同類教材中普遍存在的關(guān)于“抽樣定理”的表述和結(jié)論[4]。重構(gòu)了信號抽樣模型，以全新的角度詮釋了信號時域抽樣定理的本質(zhì)內(nèi)容。剖析了FFT算法的內(nèi)在關(guān)系[5]，揭示了FFT算法蘊含的對稱之美，開闊了學(xué)生學(xué)習(xí)其他信號處理算法的視野。

面向信息技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合科研實踐，更新了教學(xué)內(nèi)容，如新增了多速率信號處理、多通道濾波器組、信號時頻分析等內(nèi)容。以夯實理論基礎(chǔ)、強化工程應(yīng)用為目標，形成了原理、方法、技術(shù)一體化的教學(xué)體系，建設(shè)了數(shù)字信號處理教育部來華留學(xué)英語授課品牌課程。物化課程教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容，編著出版了原理和方法為主的教材《數(shù)字信號處理》和技術(shù)為主的教材《DSP技術(shù)及其應(yīng)用》，兩部教材均入選國家級規(guī)劃教材，其中《數(shù)字信號處理》教材被評為國家級精品教材;出版了《信號分析與處理實驗》，該教材被評為北京市高等教育精品教材。應(yīng)邀翻譯的國外原版教材《數(shù)字信號處理及MATLAB仿真》，被評為最佳翻譯教材。新的課程教學(xué)體系和內(nèi)容體現(xiàn)了“厚理博術(shù)”的教學(xué)內(nèi)涵，有利于把學(xué)生培養(yǎng)為“知而有識、學(xué)而善用”的優(yōu)秀人才。

四、激發(fā)探究興趣，改革了課程教學(xué)方法

根據(jù)新的教學(xué)理念，大學(xué)教育應(yīng)從注重書本內(nèi)容的傳授，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐越虒W(xué)內(nèi)容為載體，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)中汲取知識的精華，在探究中領(lǐng)悟知識的真諦，在創(chuàng)新中感受知識的魅力。教師要以自己的學(xué)識來講解相關(guān)知識的來龍去脈，講解為什么要引入此知識，其本質(zhì)內(nèi)容是什么，如何去應(yīng)用，以及存在哪些工程局限等。本課程實施了以“為什么、是什么、做什么”為主線的教學(xué)方法。在引入新的理論和方法時，通過“為什么”，闡述此知識模塊與其他知識模塊之間的內(nèi)在關(guān)系，明晰知識模塊脈絡(luò);通過“是什么”，突出該知識模塊的本質(zhì)內(nèi)容，促使學(xué)生將“知”內(nèi)化為“識”;通過“做什么”，加深學(xué)生對知識原理的理解，促使學(xué)生由“識”付諸“行”。

通過問題的引入、問題的分析、問題的解決，開展了“問題驅(qū)動”的案例教學(xué)。基于課程重點，針對工程應(yīng)用，設(shè)計了教學(xué)案例。如“DFT在軌道交通控制信號識別中的應(yīng)用”案例，分析了機車信號識別實時性與有效性之間的約束，引導(dǎo)學(xué)生思考與掌握DFT參數(shù)的工程含義，理論聯(lián)系實際;“IIR濾波器在脈搏信號分析中的應(yīng)用”案例，分析了采集到的脈搏信號中各類噪聲的特點以及來源，引導(dǎo)學(xué)生思考與掌握如何合理選擇濾波器類型及設(shè)計指標。為了培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和應(yīng)用知識解決工程問題的能力，開展了“問題引領(lǐng)”的探究性教學(xué)。教師啟發(fā)學(xué)生綜合應(yīng)用課程的原理、方法和技術(shù)開展探究性學(xué)習(xí)與實踐，如“歌曲檢索器的設(shè)計與實現(xiàn)”“鋼琴校音器的設(shè)計與實現(xiàn)”。

案例教學(xué)和探究性教學(xué)激發(fā)了學(xué)生的探究興趣，學(xué)生由被動接受知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃雍突荧@取知識，由側(cè)重理解問題轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)重發(fā)現(xiàn)問題，由注重知識學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅刂R應(yīng)用，增強了學(xué)生的工程素質(zhì)和創(chuàng)新意識，鍛煉了學(xué)生理論聯(lián)系實際解決工程問題的能力。

五、轉(zhuǎn)化科教成果，建設(shè)了課程教學(xué)資源

團隊教師積極開展教學(xué)研究，將科研與教研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，建設(shè)了面向工程實際應(yīng)用，涵蓋課程核心知識點的教學(xué)案例。這些案例包括全通系統(tǒng)和最小相位系統(tǒng)的應(yīng)用案例;信號的時域抽樣與重建的應(yīng)用案例;回聲產(chǎn)生及消除的應(yīng)用案例;利用DFT分析信號頻譜的應(yīng)用案例;音樂電子記譜的應(yīng)用案例;IIR濾波器在脈搏信號分析中的應(yīng)用案例;FIR濾波器的應(yīng)用案例;多速率信號處理的應(yīng)用案例;基于小波域信號去噪與壓縮的應(yīng)用案例;電話撥號音產(chǎn)生與識別的應(yīng)用案例;聽音識曲系統(tǒng)的應(yīng)用案例;FFT在OFDM通信中的應(yīng)用案例;DFT在軌道交通控制信號識別中的應(yīng)用案例。目前案例已在課程教學(xué)中全部應(yīng)用，取得了積極效果，提高了課程質(zhì)量。

圍繞數(shù)字信號處理課程改革，建設(shè)了國家級視頻公開課“走近數(shù)字技術(shù)”、國家精品在線開放課程“數(shù)字信號處理”（中國大學(xué)MOOC網(wǎng)，http：//www.icourse163.org）。“走近數(shù)字技術(shù)”主要內(nèi)容包括數(shù)字化原理及數(shù)字化在聲音與圖像中的應(yīng)用。課程深入淺出、形象生動，可作為數(shù)字信號處理的先修課程。“數(shù)字信號處理”MOOC課程包括信號抽樣、信號頻譜分析、數(shù)字濾波器設(shè)計、多速率信號處理、小波時頻分析等。課程內(nèi)容緊跟學(xué)科發(fā)展，教學(xué)內(nèi)涵明晰，教學(xué)案例豐富，推進了課內(nèi)課外、線上線下教學(xué)，滿足了學(xué)生個性化學(xué)習(xí)需求，輻射了教學(xué)資源。

六、小結(jié)

該課程改革成果豐碩，發(fā)揮了示范與輻射作用。編著出版的國家級規(guī)劃教材《數(shù)字信號處理》已發(fā)行70000多冊。國家級視頻公開課“走近數(shù)字技術(shù)”自上線以來瀏覽量3800多人次。國家精品在線開放課程“數(shù)字信號處理”MOOC課程已在中國大學(xué)MOOC網(wǎng)開播五學(xué)期，累計學(xué)習(xí)者已超過3萬人。面向工程實踐的教學(xué)案例已全面應(yīng)用，增強了學(xué)生理論聯(lián)系實際解決工程問題的能力。

參考文獻：

[1]張干清，郭磊，向陽輝.新工科雙創(chuàng)人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)范式[J].高教探索，2018，（08）：55-60.

[2]李海芬，李丹青.提高我國高等院校本科基礎(chǔ)課程建設(shè)質(zhì)量的建議[J].高教探索，2008，（04）：68-71.

[3]陳后金.轉(zhuǎn)變教育觀念 造就知而有識學(xué)而善用的優(yōu)秀人才[J].中國大學(xué)教學(xué)，2013，（10）：10-11+15.

[4]薛健，陳后金，胡健，郝曉莉，錢滿義.信號時域抽樣的教學(xué)探索與研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，31（06）：99-101.

[5]李艷鳳，陳后金，胡健.淺析FFT算法中對稱關(guān)系[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2017，39（05）：78-80+84.

The Course Reform of Digital Signal Processing in the New Era

LI Yan-feng， CHEN Hou-jin， HUANG Lin-lin

（School of Electronic and Information Engineering， Beijing Jiaotong University，

Beijing 100044， China）

Abstract： Facing the development of the times， we put forward the teaching idea of "knowing and having knowledge， learning and making good use of knowledge" and optimize the course teaching system and content. Using "why-what-do" as the principle， the problem-driven case teaching and problem-led inquiry teaching are carried out. Rich teaching resources are constructed， including the national video open courses， Ministry of Education English brand courses， national-level MOOCs and nationally planned textbooks. The achievements of the course construction have won the Beijing teaching achievement award， which has played an active demonstration and radiation role.

Key words： course reform; teaching idea; Digital Signal Processing

收稿日期：2019-09-12

基金項目：2016年教育部國家級實驗教學(xué)示范中心項目“電工電子國家級實驗教學(xué)示范中心建設(shè)項目”（編號：351003535）;2018年北京交通大學(xué)教改項目“信號處理系列課程‘金課探索與實踐”（編號：133187522）;2017年北京交通大學(xué)教改項目“《近代數(shù)字信號處理》課程建設(shè)”（編號：134749522）;2019年北京交通大學(xué)教改項目“面向新經(jīng)濟的信息工程專業(yè)改造升級路徑探索與實踐”

作者簡介：李艷鳳（1988-），女（漢族），河北廊坊人，博士，副教授，研究方向：圖像處理與模式識別;陳后金（1965-），男（漢族），安徽馬鞍山人，博士，教授，研究方向：圖像處理與模式識別。