《數字信號處理》線上線下混合式教學的探索與實踐

王立東 趙楠楠 高闖 李朔

摘要：《數字信號處理》是電子與信息工程類的專業課程。該課程涉及的內容多、概念抽象，學生很難理解一些抽象的理論及概念。針對這些問題，本文提出了對該課程的教學改革，主要從課前預習、課上采用線上和線下教學方式并且融入課程思政理念，課后采用師生互動，釋難答疑，補充課外資料，同時面向工程認證等方面進行的教學改革。最終能夠達到培養創新型、復合型人才的一流本科課程。

關鍵詞：信號處理 改革 創新型 工程認證

中圖分類號：TP911文獻標識碼：A

Exploration and Practice of Online and Offline Hybrid Teaching of Digital Signal Processing

WANG Lidong ?ZHAO Nannan? GAO Chang ?LI Shuo*

（School of Electronic and Information Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan， Liaoning Province， 114051 China）

Abstract： is a professional course of electronic and information engineering. The course involves a lot of contents， and the concepts are difficult to understand. It is difficult for students to understand some abstract theories and concepts. In view of these problems， this paper puts forward the teaching reform of the course， mainly from preview before class， online and offline teaching methods in class， and integrating the ideological and political concept of the course， using teacher-student interaction after class， explaining difficult questions and answering， supplementing extracurricular materials， and facing engineering certification. Finally， it can achieve the first-class undergraduate course of cultivating innovative and compound talents.

Key Words： Signal processing; Reformation; Innovative; Engineering certification

人類社會正逐步進入信息化階段，信息化的基礎是數字化，《數字信號處理》課程的基本概念與方法已經貫穿到信息與通信工程、生物醫藥、自動化工程與系統工程等眾多領域，成為很多學科的重要理論基礎與技術基礎^[1]。數字信號處理課程是大部分工科專業本科生三年級開設的必修專業基礎課，是重要的信息類的專業基礎課。數字信號處理這門課程在教學中存在以下問題：從教學內容來看，重理論輕實踐。相對我校的辦學定位，原先的教學偏重于理論的嚴密性，忽視工程背景，給學生造成課程脫離實際的現象，學習興趣不高;學生對學習有畏難情緒。數字信號處理課程是基于積分變換的較為完整的理論體系，理解難度大，入門困難。學生對自己的定位偏低，沒有認識到課程對自身能力提升的作用。

1課程現狀

由于該課程涉及的內容廣泛、概念抽象、設計復雜等特點，學生在學習這門課程時，常常會覺得枯燥乏味，感到概念不能理解，對其中的分析方法與基本理論不能很好地掌握。為了深入貫徹教育部對于一流本科課程建設要求的精神，結合 “堅持知識、能力、素質有機融合，培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維”的目標導向^[4]，“課程內容強調廣度和深度，突破習慣性認知模式，培養學生深度分析、大膽質疑、勇于創新的精神和能力”。 遵循當前所提倡的教學指導思想^[5]，幫助學生系統理解和掌握該課程中的基本理論和分析方法，培養綜合運用所學理論，能夠獨立解決實際問題的能力和工程實踐創新能力，結合自身多年科研和教學經驗，借鑒實際工作中的教學經歷，針對現有教學模式的不足，計劃對《數字信號處理》課程進行改革，在理論與實踐環節等方面進行改革與嘗試，旨在提高學生的各種能力^[6]。這次教學改革的實施對于培養具有明確的工程意識、強烈的實踐意識、全面的綜合意識和鮮明的創新意識的高質量工程技術人才， 對于提高信息類專業學生的專業技術水平具有重要意義。

2 教改模式

教學改革注重知識與技能的掌握、學習能力和綜合素養的提升以及科學精神和價值觀的培養，緊緊圍繞教學重點和難點，通過情景導入和問題驅動等方式將枯燥的理論知識與實際應用結合起來，在完成理論教育的同時，引導學生樹立正確的學習態度。

2.1教改原則

基于學生的分類教學。以學生為導向，面向全體同學，在加強知識學習的基礎上，注重實踐能力的培養，引導學有余力的同學加入電子協會、創新實踐班或科研團隊，以實踐激發學習熱情^[7];理論與實踐相融合。面向生產實際和科研實際，將生活、生產和科研實際中出現的較為成熟的案例融入教學，激發學生的學習興趣，鼓勵學以致用，參與科研;融入課程思政理念。將中國傳統文化思想、嚴謹務實的科學精神與課程知識緊密結合，引導學生接受正確的世界觀和工程倫理。

2.2教改目標

本課程是我校信息類專業的專業基礎課。結合我校的辦學定位和學生的具體情況，確定的建設目標為：（1）能夠建立求真務實的科學態度，建立個人與社會相統一的工程倫理和價值觀念，為更好地服務于我國信息產業和地方經濟建設打好基礎;（2）能夠建立數字信號處理系統中信號描述、穩定性分析、特征提取、數字濾波等相關概念，掌握數字信號基本的時頻域分析、研究方法，掌握常用數字濾波器的設計方法，理解各知識之間的邏輯內涵;（3）了解課程的研究對象和所能解決的生產、生活和社會問題的作用范疇，具有數字對象的時頻域系統分析能力，具有將所學知識綜合應用于實際工程的分析與設計能力，具備解決數字系統相關復雜問題的綜合能力和高級思維。

2.3教改內容

針對重理論輕實踐的問題，教學中提升案例教學的比例;內容上瞄準新工科，增加科研上的相關成果和案例內容，比如OFDM系統在5G通信中的應用等，引導學生理解專業概念、理念和工程倫理。針對學生的畏難情緒問題，采用基于知識點的分類教學，難易分開。利用線上預習、線下討論加講授的方式，強化重、難點問題的教學。將合作學習、工程和科研案例融入教學，從小處入手，循序漸進，逐漸提升學生的獲得感和自我認知，理解課程對于經濟和社會發展的促進作用。

如何提高學生學習的主動性，如何針對我校學生的實際情況開展卓有成效的教育是我們面臨的長期問題。我們將繼續按照學校培養“基礎扎實，工程能力強的應用性高級專門人才”的要求對課程進行持續地改革^[8]：課程內部建立督導機制，滿足學生自主化學習、個性化學習的需求，促進教師的教學能力提高;完善考核體系，適當增加平時和線上教學環節的考核比例，實現教學的“過程控制”，更好地引導學生自主學習、主動學習;合理地布置教、學節點，形成能夠“持續提高”的教學促進體系。

2.3.1優化教學方法

以學生為主，教師講授、學生自學、小組合作、課上匯報、撰寫學習報告等多種教學方式并用，培養學生的學習能力和工程素養。充分分析教學內容，根據以往教學經驗，將各個知識點進行分類，對于基礎性強、難于理解的知識點由教師進行課堂重點講解，并根據學生討論的反饋，不斷修正錯誤認識;對于重要且學生容易接受的知識點，安排學生通過線上學習，并在課堂上分組匯報，利用翻轉課堂的優勢充分討論，激發興趣，引導學生在頭腦中逐漸構建該課程的認知體系;對于一些容易理解的知識點，以學生線上學習為主，小組合作，線下課堂匯報，不占用過多的課堂時間。通過問題導向、合作探究、案例分析等教學方式，鼓勵學生自主思考，將概念的理解與實際問題相比較，不斷加強學生對系統的認知，強化能力的提高。

2.3.2增設自主學習環節

課程學習完成后進行研究性學習并提交學習報告， 完成一個較完整的數字信號處理領域的理論課題研究或仿真研究。

預習總結：由于數字信號處理這門課程理論性強，學生們很難理解，會感到枯燥無味，所以對于這門課程的學習來說，預習總結是非常重要的。學生們把要學的知識點羅列出來，找出難點和疑點，這樣學生會有針對性的學習，效果是非常好的。

對分課堂：首先學生通過預習，討論研究，找到這節課的問題。然后，老師針對這些問題進行一一的解決，之后對這節課的知識點進行梳理，講解。對重點，難點和疑點進行分析。最后對這節課的內容通過實驗進行驗證，可以使學生更深入的理解理論，同時使學生的興趣更加濃厚。

線上答疑：由于上課時間學生不能夠完全掌握所有的理論知識，所以通過課后作業和MATLAB仿真對知識點更一步的掌握和理解。教師通過線上答疑，使學生在任何時間有任何問題都能夠及時的得到解決。幫助學生及時的消化和理解知識點。

課后思考和總結：通過課后的消化和理解，可以使學生對當前所學的知識應用到實踐中，學生可以通過網絡查閱，把當前的知識應用到前沿中去，同時也鍛煉了學生的查閱資料的能力，為以后學生的畢業設計做好鋪墊。

2.3.3混合式教學設計

混合式教學方式靈活、易接受，有助于解決部分知識點學習困難的問題。將知識點進行梳理分類，一部分是基礎性強、難于理解的知識點，比如卷積、線性相位系統、快速離散傅里葉變換等內容，這些知識點學生如果不帶著問題去研究，采用傳統方式教學，很難理解其含義，甚至不知道為什么要引入這些概念。這部分知識點需要線上學習、預習，帶著問題在線下討論，教師重點講解，利用多媒體方式教學能夠形象地表述概念。對于重要但易接受的知識點如線性系統，系統的離散化、FIR濾波器等可采用MOOC線上學習，線下匯報，教師糾偏，以引導學生在頭腦中逐漸構建數字信號處理課程的知識體系為目標;對于容易理解的知識點如濾波器的結構等，以學生線上MOOC學習為主。

2.3.4面向工程教改方法

面向工程的教學方法，對數字信號處理基礎理論，通過數學分析 Matlab 軟件進行仿真和驗證，除了一些專業知識驗證性實驗。^，通過將具體的工程應用案例引入到課堂，充分鍛煉學生的綜合素養，從而減小人才培養與實際工程的差距。根據專業的不同，可以選擇具有不同專業背景的工程案例。例如，針對自動化專業，引入圖像處理、語音信號案例當中的信號處理，對其進行專門的研究與學習;而對通信專業，引入圖像處理、語音信號案例當中的通信過程，對其進行專門的研究和學習。

2.4教改組織過程

2.4.1課前教學

教師在平臺上發送資料、預習范圍和重難點等，并在課程微信群里進行輔導。對學生進行分組，指定課堂匯報小組。

2.4.2課堂教學

線上學習部分，觀看教學視頻，分組研討，融入科研案例研究式學習，師生互動等多種形式，防止線上學習流于形式。線下學習部分重在解決教學難點、突出重點，檢查線上學習效果，提升學生的參與度。線上學習效果測試、提問，學生對線上學習的知識點、研究課題的小組討論結果、數字系統類工程案例的研究結論等進行匯報講解。教師點評，突出重難點問題，注重知識體系的梳理。布置習題、綜合性作業，提出下次課的預習要求。對于學有余力的同學，依托教師的科研課題和創新實踐班的教學內容，指導他們學習一些拓展知識，并在線上討論或課后輔導。

2.4.3課后教學

群內師生互動，釋難答疑，點評作業，拓展課堂知識，補充課外資料。體現分類教學上，對相對后進的同學進行主動地單獨輔導，特別是一些較難理解的知識點，這些知識點相對比較集中，要主動過問他們的掌握程度。給學生適當提供一些有難度梯度的練習題，檢驗學習效果的同時，利用問題的實踐背景激發學生的學習興趣。

2.5教改效果

課程目標的完成情況可以為這門課程教學質量評價的一種手段，對課程目標的完成的分析是工程認證的要求，同時，也為教學活動的改進提供了依據。實踐證明通過上面的教學方式，提高了學生的實踐創新能力，培養了學生解決復雜問題的能力，為數字信號處理課程的教改提供了一個方案。通過線上線下學習內容的分析，知識點分析以及教學反饋找到線上教學與線下教學緊密結合的契合點，有效分配學時比例，盡可能最大化教學效果。適當結合最新科研成果，列舉數字信號處理理論在圖像處理、語音信號處理方面的具體應用以此加深學生理解， 提高學習興趣。選擇合適的設計題目是搞好數字信號處理課程設計環節的關鍵。根據課程設計的目的， 考慮數字信號處理的特點，精心選擇課程設計題目。設計的內容要考慮它的先進性、實踐性和實用性 ， 課題應取材于生產實際和生活中， 而且要基本具備實驗條件， 操作性強。

跟蹤學科的發展方向，能夠將新技術融入課堂，比如引入5G移動通信中的信道估計、飛行器姿態控制等內容，不斷豐富科研中發生的實例并融入教學，有助于將課程中的難點問題化解。注重培養學生的實踐能力，融合數字信號處理DSP編程與應用課程，引導學生參與科研課題，將理論知識與工程實踐相結合，提升學生的知識應用能力。

課程建設中的改革創新點為：

（1）基于知識點的分類教學，梳理、區分難易知識點，針對各知識點的特點采用不同的教學方式，解決卷積、快速傅里葉變換等概念難于接受的問題。

（2）基于學生的分類教學，解決培養層次不清的問題?；窘虒W面向全體同學;對于后進同學輔助課后輔導、線上答疑等手段，強化知識的理解;對于學有余力的同學，引導加入電子協會、創新實踐班或科研團隊，提高應用和創新能力。

（3）通過問題導向、合作探究、案例分析等教學方式，鼓勵學生自主思考，將概念的理解與實際問題相比較，不斷加強數字信號處理系統的認知，強化能力的提高。

以 2019和2020 級通信專業本科生“數字信號處理”課程達成度為例來衡量本次教學改革。其中課程達成度評價材料包括：評分表和數據表。其中評分表即對評分標準進行說明，數據表即提供學生課程具體數據，如表1和表2所示 。

根據表1和表2，實踐證明通過應用啟發式教學、線上線下的混合式教學以及在課堂中引入工程案例教學，提高了學生的實踐創新能力，為數字信號處理課程教學改革提供了一個解決方案。同時為了更加全面的對數字信號處理課程進行定量的評價，通過調查問卷進一步分析，其內容包括課程內容掌握程度、學生解決工程問題的能力、課堂體系評價。

在教學內容方面，110 人認為能夠通過課堂的學習，使學生能在課堂上較好掌握知識。所占比例為 92%。在解決工程問題方面，85人認為通過實驗建立模型，分析數據，能夠直觀的掌握內容所占比例為 83%。為了更好貫徹工程教育認證標準，在實驗報告收集以后讓學生進行交互式批閱，經由老師審核后下發^[9]。學生根據修改意見進行修改或補充，最后再上交，由此完成實驗報告。

3結語

本文主要從課前預習、課上采用線上和線下教學方式并且融入課程思政理念，課后采用師生互動，釋難答疑，補充課外資料，同時面向工程認證等方面進行的教學改革。實現了因材施教。發揮了線上和線下兩種教學的優勢，改進了傳統的教學方法，通過啟發，研討，總結等發法使學生掌握了理論知識，提供了學生的實踐創新能力。為數字信號處理課程的教學改革提供了一個解決方案。

參考文獻

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