面向過程考核的數(shù)字信號處理實驗教學(xué)方法

王秋生，富 立，崔 勇

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械與控制工程國家級（虛擬仿真）實驗教學(xué)中心，北京 100191）

0 引言

數(shù)字信號處理（Digital signal processing，DSP）技術(shù)在通信工程、電子信息、自動控制、生物醫(yī)學(xué)、人工智能、遙感遙測、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，是影響現(xiàn)代社會、經(jīng)濟(jì)、國防等領(lǐng)域發(fā)展的重要技術(shù)。數(shù)字信號處理課程受到國內(nèi)外高等院校的普遍重視，已經(jīng)成為理工科院校相關(guān)專業(yè)的必修課程或優(yōu)選課程。我校自動化學(xué)院于2017 年將數(shù)字信號處理作為核心課程，面向大學(xué)本科三年級學(xué)生開設(shè)（40 學(xué)時），并設(shè)置了硬件與軟件相結(jié)合的實驗課程（16 學(xué)時）。

數(shù)字信號處理課程具有基礎(chǔ)性、抽象性、系統(tǒng)性與實踐性的顯著特點。經(jīng)過國內(nèi)外高校教師的共同努力，目前擁有了比較完善的教材體系，且高質(zhì)量的教材與參考書不斷涌現(xiàn)［1-4］。與此同時，在教學(xué)探索與實踐上也卓有成效，主要包括：精品課程建設(shè)、課堂教學(xué)方法、實驗教學(xué)方法、仿真實驗教學(xué)、多媒體教學(xué)、MOOC建設(shè)、教學(xué)改革實踐等，豐富的教學(xué)成果推動著課程教學(xué)質(zhì)量不斷提高［5-12］。

作為教學(xué)活動的重要組成部分，數(shù)字信號處理實驗在鞏固基礎(chǔ)知識、培養(yǎng)實踐意識、提高創(chuàng)新能力等方面有著不可替代的作用。但是受到實驗條件、實驗內(nèi)容、管理模式等多種主觀與客觀因素制約，根據(jù)公開發(fā)表的教學(xué)文獻(xiàn)，對課程實驗教學(xué)方法探索仍然是薄弱環(huán)節(jié)，如何提高實驗教學(xué)質(zhì)量仍然是課程教學(xué)的熱點問題。

數(shù)字信號處理的實驗教學(xué)既要培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)性能力（包括知識理解、知識掌握與知識運(yùn)用等傳統(tǒng)能力），又要培養(yǎng)學(xué)生的非技術(shù)性能力（包括溝通交流、質(zhì)疑辯論等現(xiàn)代能力），以適應(yīng)新工科發(fā)展的客觀要求。以實驗結(jié)果為導(dǎo)向的傳統(tǒng)教學(xué)模式，無法協(xié)同提升學(xué)生的技術(shù)性能力與非技術(shù)性能力，因此探索嶄新的實驗教學(xué)方法勢在必行。

探索并實踐數(shù)字信號處理實驗教學(xué)方法，以期實現(xiàn)考核模式的轉(zhuǎn)變——從面向結(jié)果的考核轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蜻^程的考核。通過評價實驗過程與實驗結(jié)果，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，提高實驗課程的教學(xué)效率，以此面向第四次工業(yè)革命需求協(xié)同培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

1 基本思想

針對數(shù)字信號處理傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法的局限性，提出了面向過程考核的實驗教學(xué)方法，將實驗教學(xué)中面向單一目標(biāo)（實驗結(jié)果）的片面考核，轉(zhuǎn)化為面向多個目標(biāo)（階段過程與最終成果）的協(xié)同考核，協(xié)同培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，以適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)的未來發(fā)展需求，特別是第四次工業(yè)革命對創(chuàng)新型人才的需求，如圖1 所示。在學(xué)習(xí)工廠（Learning Factory）教學(xué)模式下，賦予傳統(tǒng)能力與現(xiàn)代能力嶄新內(nèi)涵，不再贅述。

圖1 面向過程考核的實驗教學(xué)目標(biāo)

為了實現(xiàn)圖1 所示的教學(xué)目標(biāo)，在實驗教學(xué)方法探索中遵循面向過程考核的思想：①將數(shù)字信號處理的每個實驗劃分為若干個組成部分，且每個部分都有可展示的階段性結(jié)果，并設(shè)定相應(yīng)的評分標(biāo)準(zhǔn)。②依據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)對每一部分的完成情況進(jìn)行現(xiàn)場考核（包括技術(shù)性與非技術(shù)性考核），并作為本次實驗成績；③加權(quán)處理所有實驗成績與實驗報告成績，作為課程實驗的最終成績。

與傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法不同，提出的面向過程考核的實驗教學(xué)方法，不僅考核每次實驗的階段性成果，而且考核學(xué)生課后提交的實驗報告。受實驗內(nèi)容限制，雖然受實驗內(nèi)容限制，很難全面覆蓋傳統(tǒng)能力與現(xiàn)代能力，但是通過檢查學(xué)生的階段性成果，可以實現(xiàn)技術(shù)能力的考核；通過教師與學(xué)生的交流，可以實現(xiàn)非技術(shù)能力考核；通過綜合評價個體完成與總體完成情況，可以實現(xiàn)多人實驗的協(xié)同考核，進(jìn)而確定每個學(xué)生的能力達(dá)成情況。

值得注意的是，面向過程考核的實驗教學(xué)方法必須解決兩個關(guān)鍵問題：①設(shè)計面向過程考核方法的工作流程；②教學(xué)方法要通過教學(xué)檢驗。

2 工作流程

根據(jù)數(shù)字信號處理實驗課程要求，結(jié)合上述教學(xué)思想，設(shè)計了面向過程考核的工作流程，如圖2 所示，它包含準(zhǔn)備實驗、指導(dǎo)實驗、實驗考核與確定成績等4個階段，覆蓋了課程實驗教學(xué)的全過程，其中陰影部分與面向過程考核直接相關(guān)。

圖2 面向過程考核的實驗教學(xué)方法

（1）實驗準(zhǔn)備階段。①按照實驗內(nèi)容的難度系數(shù)與實驗結(jié)果的可展示度，將每個實驗劃分為若干個組成部分，而每個部分有可展示的成果。②針對每個組成部分設(shè)置考核指標(biāo)，包括現(xiàn)場考核指標(biāo)與實驗報告指標(biāo)，分別用于現(xiàn)場考核成績與實驗報告成績評定。③將實驗內(nèi)容及其考核標(biāo)準(zhǔn)以電子郵件或教學(xué)網(wǎng)站方式提供給學(xué)生，要求學(xué)生預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容、知曉考核標(biāo)準(zhǔn)。

（2）指導(dǎo)實驗階段。①指導(dǎo)教師簡要地講解實驗背景與原理，給出注意問題及考核標(biāo)準(zhǔn)。②學(xué)生依據(jù)實驗內(nèi)容要求，按照既定順序開展DSP的硬件實驗或基于Matlab的軟件實驗。③指導(dǎo)教師巡視實驗，隨時解答學(xué)生的疑問，并對共性問題提出建議。指導(dǎo)教師的主要職責(zé)不是依據(jù)考核標(biāo)準(zhǔn)回答問題，而是啟發(fā)學(xué)生如何針對實驗要求提出有創(chuàng)造性的實驗方法。

（3）實驗考核階段。在進(jìn)行面向過程的實驗現(xiàn)場考核時，①要求學(xué)生對實驗內(nèi)容進(jìn)行分項陳述，包括實驗原理、參數(shù)設(shè)置、實驗方法、實驗結(jié)果等內(nèi)容；②針對學(xué)生的口頭陳述情況、匯報準(zhǔn)確度等方面，按照既定評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場打分；③指導(dǎo)教師指出實驗中存在的瑕疵或問題，給出改正的建議與意見，要求學(xué)生弄清問題所在，實現(xiàn)有針對性地持續(xù)改進(jìn)。

（4）確定成績階段。①針對學(xué)生提交的實驗報告，按照第1 階段的考核指標(biāo)進(jìn)行逐項考核，側(cè)重于實驗結(jié)果的分析與討論；②對實驗報告中出現(xiàn)的問題或瑕疵，進(jìn)行符號標(biāo)識，以便分析共性問題、實現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)；③將實驗現(xiàn)場考核成績與實驗報告成績加權(quán)求和，作為學(xué)生開展數(shù)字信號處理實驗的最終成績。

該過程考核的實驗教學(xué)方法，核心工作集中在“實驗現(xiàn)場考核”階段，既評定了學(xué)生的技術(shù)能力，又考核了學(xué)生的非技術(shù)能力。現(xiàn)場考核階段的權(quán)重占80%，而實驗報告部分只占20%，這與僅依靠實驗報告確定成績的傳統(tǒng)方法截然不同。圖2 所示的工作流程有如下特點：①對每項實驗進(jìn)行現(xiàn)場考核，避免只關(guān)注實驗報告中提供結(jié)果的片面性；②將技術(shù)性與非技術(shù)性考核相結(jié)合，實現(xiàn)對能力的綜合考核；③要求學(xué)生現(xiàn)場陳述實驗內(nèi)容與結(jié)果，有利于培養(yǎng)學(xué)生的非技術(shù)性能力；④以面向過程考核代替面向結(jié)果考核，使實驗成績更加客觀與公正。

3 實施流程

針對面向過程考核實驗教學(xué)方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計了圖3 所示的教學(xué)方法實施流程，它包括確定考核指標(biāo)、實驗現(xiàn)場考核、確定實驗成績等3 個模塊。

圖3 面向過程考核方法的實施流程

（1）確定考核指標(biāo)。將每個實驗分解為若干個組成部分，綜合考慮實現(xiàn)難度、所選方法、復(fù)雜程度、獨立程度等因素，確定每一部分可展示內(nèi)容的考核指標(biāo)，包括現(xiàn)場考核指標(biāo)與實驗報告指標(biāo)，前者用于實驗現(xiàn)場考核，而后者用于評定實驗報告。

（2）實驗現(xiàn)場考核。學(xué)生在考核階段陳述基本原理、實現(xiàn)方法、參數(shù)選擇、實驗結(jié)果等實驗內(nèi)容。指導(dǎo)教師針對陳述內(nèi)容與實驗結(jié)果，按照考核指標(biāo)給出實驗成績，同時指出實驗與陳述中存在的瑕疵與改進(jìn)建議，要求學(xué)生將改進(jìn)內(nèi)容寫入實驗報告。

（3）確定綜合成績。實驗成績包含現(xiàn)場考核成績與實驗報告成績兩部分。前者是學(xué)生陳述內(nèi)容、回答提問、實驗結(jié)果等成績的加權(quán)組合，后者是報告質(zhì)量、實驗結(jié)果、分析討論等成績的加權(quán)組合。特別地，前者在總成績中所占的比重遠(yuǎn)大于后者所占的比重。

圖3 所示的面向過程考核的實施流程，能夠協(xié)同培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力（包括技術(shù)能力與非技術(shù)能力）：①通過學(xué)生陳述實驗內(nèi)容并回答現(xiàn)場提問，培養(yǎng)學(xué)生利用科技語言表達(dá)與溝通能力；②通過學(xué)生按照分階段方式完成實驗內(nèi)容，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生分析復(fù)雜工程問題能力；③通過撰寫實驗報告，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科技語言的寫作能力與邏輯思維能力。

4 教學(xué)效果

基于面向過程考核的實驗教學(xué)方法，開展了為期2 年的教學(xué)實踐。數(shù)字信號處理實驗內(nèi)容包括4 個硬件與3 個軟件實驗，將每個實驗劃分為A、B、C、D、E 5個階段（部分實驗為4 個階段），考核成績分配如表1所示。指導(dǎo)教師依據(jù)考核標(biāo)準(zhǔn)對所有實驗進(jìn)行現(xiàn)場考核，其中現(xiàn)場考核成績占80 分、實驗報告成績占20分，所占比重為4∶1。

表1 面向過程考核的實驗成績分配情況

在為期2 年的教學(xué)實踐中，對比傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法，采用過程考核實驗教學(xué)方法取得了良好效果：①學(xué)生能夠自覺地開展課程實驗，拷貝他人實驗結(jié)果的現(xiàn)象很少；②學(xué)生能夠在實驗之前充分預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書，明顯地提高了實驗效率；③學(xué)生能夠在實驗之前復(fù)習(xí)相關(guān)章節(jié)，加深了所學(xué)知識的理解程度；④學(xué)生能夠系統(tǒng)地組織實驗素材與實驗結(jié)果，實驗報告質(zhì)量得到了明顯提高；⑤通過指導(dǎo)教師在實驗現(xiàn)場與學(xué)生溝通與交流，提高了學(xué)生的非技術(shù)能力。以第7 個實驗“數(shù)字心電圖信號的濾波技術(shù)”為例，由于實驗內(nèi)容較多且難度較高，在2017 年以前實驗報告雷同較多，但實施面向過程考核之后，很難再看到實驗報告雷同情況。

與此同時，學(xué)生對數(shù)字信號處理實驗的認(rèn)可度大幅提升。以2019 年春季學(xué)期的課程實驗為例，經(jīng)過問卷調(diào)查統(tǒng)計，學(xué)生對實驗課程的滿意度達(dá)到95%以上，學(xué)生通過課程實驗，既學(xué)習(xí)到了技術(shù)性能力，又學(xué)到了非技術(shù)性能力，各項能力的達(dá)成情況如圖4 所示，實現(xiàn)了多種能力的協(xié)同達(dá)成，面向過程考核的實驗教學(xué)方法成功得到了實驗教學(xué)檢驗。

圖4 面向過程考核實驗教學(xué)方法的能力達(dá)成情況

特別提出的是面向過程考核的實驗教學(xué)方法，其核心理念與教育部專業(yè)認(rèn)證的教學(xué)理念是一致的。①通過面向過程的實驗考核，提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力；②面向過程考核的實驗教學(xué)克服了單純依據(jù)實驗結(jié)果考核的片面性；③通過面向過程的考核環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師可以全面地掌握課程情況；④協(xié)同培養(yǎng)了學(xué)生的非技術(shù)性能力，特別是運(yùn)用科技語言交流能力；⑤指導(dǎo)教師可以及時獲得反饋信息，為課程持續(xù)改進(jìn)提供了客觀依據(jù)。

5 結(jié)語

針對數(shù)字信號處理課程傳統(tǒng)實驗教學(xué)的局限性，提出了面向過程考核的實驗教學(xué)方法，闡述了它的基本思想、工作流程及面向過程考核的實施過程；結(jié)合為期2 年的實驗教學(xué)工作，簡述了該教學(xué)方法取得的實際效果，調(diào)查結(jié)果表明，它可以實現(xiàn)各項能力的協(xié)同培養(yǎng)。面向過程考核的實驗教學(xué)方法與教育部專業(yè)認(rèn)證的理念完全一致。