應用型本科數字信號處理混合式教學研究

任國鳳，付建梅，荀燕琴，史慧敏

應用型本科數字信號處理混合式教學研究

任國鳳，付建梅，荀燕琴，史慧敏

（忻州師范學院 電子系，山西 忻州 034000）

為了培養滿足國家經濟建設需求的應用型電子信息人才，適應信號處理學科在人工智能領域的應用實際，以培養學生自主學習能力和創新創業精神為引領，開展了數字信號處理課程的混合式教學模式探索．教學實踐表明，混合式教學模式的應用對提高學生成績和激發學生的學習興趣很有助益，可以更好地培養學生的創新實踐能力，滿足應用型人才的培養需求．

混合式教學模式；數字信號處理；應用型本科

伴隨著人工智能等現代信息技術的飛速發展，全球掀起了產業發展和創新創業的浪潮[1]．為了主動應對信息技術變革和產業技術革命，我國在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020）》中明確指出：高等教育要主動適應國家和區域經濟社會發展需要，建立動態調整機制，不斷優化高等教育結構；優化學科專業、類型、層次結構，促進多學科交叉和融合；重點擴大應用型、復合型、技能型人才培養規模[2]．因而，培養適應經濟社會需求和信息技術發展的應用型人才[3]成為高校應用型工科專業的重要目標．

數字信號處理是電子信息類相關專業理論與實踐并重的專業課程，它上承數學物理方法、信號與系統等專業基礎課程，下接語音信號處理、圖像信號處理等專業前沿課程，在整個專業體系中擁有舉足輕重的地位．因此，數字信號處理課程的教學模式必須滿足學生自主學習能力培養，順應應用型人才培養的大勢．

1 應用型本科數字信號處理課程的剖析

1.1 數字信號處理課程內容分析

數字信號處理是一門兼具信號處理理論知識和設計應用的課程，既要求學生深刻掌握時域離散信號的時頻域分析方法，還要求學生學會用時頻域分析的方法解決語音及圖像信號領域的簡單問題，其知識體系見圖1．

圖1 數字信號處理課程體系

由圖1可知，數字信號處理的內容由時域分析和頻域分析2部分組成．其中，頻域分析中涉及的傅里葉變換、Z變換以理論研究為主，離散傅里葉變換搭起了時域離散信號實際應用與理論研究之間的橋梁，快速傅里葉變換為信號處理的計算機實現提供了可能．

1.2 應用型人才培養對教學方法的要求

電子信息應用型人才的培養目標是培養適應信息產業發展和創新創業環境的創新型復合人才[4-5]，這對數字信號處理的教學方法提出了一定的要求：

（1）突破單一課程教學內容的桎梏，以學科知識體系及信號處理實際問題為落腳點，開展研究性教學；

（2）建立理論和實踐緊密銜接的教學體系，注重知識的外延性和應用性；

（3）結合信號處理的前沿技術，引入“線上+線下”的教學模式；

（4）靈活設計課程考核模式，突出過程性考核，培養學生的創新性．

2 數字信號處理混合式教學模式

2.1 混合式教學模式的理論

混合式教學模式是一種線上學習與線下學習相結合、多種教學方法融合的現代教學模式[6-7]．該模式以學生為中心，依據既定的教學目標，根據教學內容的不同特點，采用不同的教學方法，實現教學效果的最優化．

本文涉及的混合式教學模式為廣義教學模式，并非簡單的線上線下簡易疊加，其具體內容包括：（1）各類教學資源的優化組合，如PPT、音視頻、虛擬仿真實驗、硬件實驗平臺等；（2）多種教學方法的綜合應用，如項目式教學法、研究性教學法、探索性教學法和案例教學法等；（3）多種教育理論的融合與實踐，諸如建構主義、SPOC（Small Private Online Course，小規模限制性在線課程）[8]模式、CDIO[9]（Conceive，Design，Implement，Operate）模式和“互聯網+”等；（4）以過程性考核為重點的復合評價模式．

2.2 數字信號處理混合式教學的設計思路

作為理論與實踐并重，創新與應用兼修的課程，數字信號處理混合式教學的開展必須充分應用多種教學模式，遵循以學生自主學習能力培養為中心的理念，針對不同的教學內容采用不同的教學方法，具體思路：

（1）時域離散信號的時域分析部分采用以學生為主的探究性教學方法，結合信號與系統課程中的相關知識，對比研究．

（2）時域離散信號的頻域分析部分采用思維導圖的方式，充分培養學生的自主學習能力，在分別研究序列的傅里葉變換、周期序列的離散傅里葉級數和傅里葉變換及Z變換的同時，關注三者間的轉換關系，幫助學生建立頻域分析法的模型結構．

（3）將傅里葉變換-離散傅里葉變換-快速傅里葉變換作為信號處理問題計算機實現的理論架構，利用探究式學習方法，開拓學生的理論視野．

（4）以快速傅里葉變換、數字濾波器的算法研究為著力點，采用案例教學法+虛擬仿真實驗項目實現信號處理理論的實踐化．

（5）以解決圖像信號處理和語音信號處理的實際問題為依托，采用線上資源與線下理論并重的方法，培養學生的創新實踐能力．

同時，在整個教學過程中，適時引入線上資源，開拓學生視野．

3 面向應用型人才培養的混合式教學方法實踐

3.1 教學計劃

忻州師范學院電子系現有電子信息科學與技術和通信工程專業開設數字信號處理課程，分為理論課51課時和實踐課18學時，開設于第5學期．

3.2 傳統+現代的混合式教學

近年來，持續開展數字信號處理教學改革研究，先后將研究性教學和項目式教學方法引入到教學過程中，并對數字信號處理和信號與系統的一體化教學方法進行了實踐，效果良好．

在此基礎上，開展了“傳統+現代”的混合式教學實踐，具體為：

根據不同教學內容的特點，融合了研究性教學法、案例教學法、項目式教學法等傳統教學方法．傳統混合式教學方法的應用參照2.2的課程分析．同時，應用雨課堂APP為學生進行課前預習指導、課后內容鞏固及學科前沿拓展，從而形成尊重學生自主學習能力培養的開放式課堂模式．

3.3 開放式案例教學

本文以快速傅里葉變換算法為例，開展的混合式教學過程．

首先，利用雨課堂APP發布課前預習要求，要求學生利用思維導圖的模式構建傅里葉變換-Z變換-離散傅里葉變換的知識體系圖，梳理前期知識點間邏輯關系．

其次，在課上引導學生分析離散傅里葉變換的運算復雜度，指出離散傅里葉變換無法在信號處理實現算法中廣泛應用的不足，從而引出快速傅里葉變換這一知識點．

進而，為了加深學生對知識的掌握，拓展學生視野．從2個方面開展課后實踐：（1）利用8 192點FFT算法實現長度為16 384點序列的傅里葉變換；（2）突破完整序列的離散傅里葉變換，抽選部分序列進行頻域變換，研究ChirpZ算法和Goertzel算法及其應用．

在此，以分解序列并進行FFT運算為例，培養學生實踐能力．16 384點的原始信號見圖2，將其分為2條8 192點的時域離散信號（見圖3）．對信號作16 384點FFT和分解序列后進行FFT的結果對比（見圖4）．

圖2 16 384點原始時域離散信號

圖3 混合組合后的兩路8 192 點時域離散信號

圖4 直接計算FFT 和分解序列的FFT 之間的誤差

最后，利用雨課堂APP開放討論組功能，讓學生圍繞2個方向的應用展開討論，為后續將FFT應用于信號處理的實際問題中．

3.4 課程考核

為了夯實混合教學法的教學效果，改進了原有考核方式，將過程性考核占比從20%增加到30%．過程性考核內容包括FFT算法應用小論文、期中測試和單元小結3部分組成，分別占比10%．

3.5 實踐效果

經過電子信息科學與技術和通信工程專業198名學生的實踐，學生反響很好，期末成績的正態分布更加合理，及格率由75%提高到85%左右．而且，在畢業設計選題過程中，選擇信號處理類題目的學生大幅增多，題目的前沿性和難度也明顯提高．

4　結語

近20年來，信號處理的理論被廣泛應用于生物醫學、地質探測、遙感遙測，乃至人文領域，對整個社會發展產生著重要的影響，培養信號處理的應用型專業人才就顯得尤為重要．混合教學法的應用有助于更好地培養應用型電子信息人才，從而滿足我國經濟社會發展需要，進一步提高國家的創新競爭力．

[1] 姜濤．數字信號處理技術在電子信息工程中的應用[J]．電子測試，2019（19）：124-125

[2] 廖遠東，李洪，何穆．中外合作辦學背景下雙語教學實踐與探索——以數字信號處理課程為例[J]．教育觀察，2018， 7（9）：107-108，139

[3] 吳杰．卓越工程師“數字信號處理”課程群主題式教學探索[J]．中國電力教育，2014（8）：84-85

[4] 劉堯飛．基于產教融合的應用型本科高校實踐教學模式設計[J]．荊楚理工學院學報，2018，33（6）：46-51

[5] 王青林．關于創新應用型本科人才培養模式的若干思考[J]．中國大學教學，2013（6）：20-23

[6] 劉倩．混合式教學在數字信號處理課程中的應用[J]．電腦知識與技術，2019，15（26）：147-149

[7] 李丹丹．基于互聯網+的線上線下混合式教學模式研究[J]．通訊世界，2019，26（3）：209-210

[8] 孫愛晶，吉利萍．地方高?；凇癕OOC+SPOC”的混合式教學探索與實踐[J]．中國現代教育裝備，2018（19）：88-90

[9] 索麗敏，富爽，邸國輝．基于CDIO模式的研究生信號處理課程群的教學改革與實踐[J]．教育教學論壇，2015 （16）：145-146

Study on hybrid teaching of digital signal processing in application-oriented undergraduates

REN Guofeng，FU Jianmei，XUN Yanqin，SHI Huimin

（Department of Electronics，Xinzhou Teachers University，Xinzhou 034000，China）

In order to train application-oriented electronic information talents to meet the needs of national economic construction，adapt the application of signal processing in the field of artificial intelligence．Explored the hybrid teaching mode of digital signal processing in order to cultivate students′ independent learning ability and innovative and entrepreneurial spirit．The practical results show that the application of the hybrid teaching model is beneficial to improving students′ grades and stimulating students′ interest in learning，which can better cultivate students′ innovative and practical ability and meet the training needs of application-oriented talents．

hybrid teaching mode；digital signal processing；application-oriented undergraduates

TN911.7∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.06.016

1007-9831（2020）06-0073-05

2019-12-23

山西省高等學校教學改革創新項目（J2019174）；山西省教科規劃課題（GH-17053）；教育部“產學合作”項目（201702091017）；忻州師范學院教學改革研究項目（JG201311，JG201914）；忻州師范學院科研項目（2018KY15）

任國鳳（1979-），女，山西忻州人，副教授，博士，從事信號處理的理論與實踐研究．E-mail：renguofeng926@sina.com