數(shù)字信號處理課程的混合式教學方法探討

李永全 王圓妹 胡 林

（長江大學（東校區(qū)）電子信息學院 湖北·荊州 434023）

0 引言

數(shù)字信號處理是電子信息類的專業(yè)核心課程，具有很強的工程性和實踐性。數(shù)字信號處理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無線通信、雷達、自動控制、人工智能、模式識別、航空航天、地球探測、生物醫(yī)學等幾乎所有的工程領(lǐng)域。因此，無論是對學生今后的就業(yè)，還是繼續(xù)深造從事相關(guān)研究，學好數(shù)字信號處理這門課程都是至關(guān)重要的。通過本課程學習，學生能夠掌握信號與系統(tǒng)的時間域分析和頻率域分析、離散傅里葉變換、數(shù)字濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基本概念、基本理論，使學生了解IIR濾波器和FIR濾波器的設(shè)計原理和方法，具備根據(jù)信號處理目標確定濾波器系統(tǒng)的設(shè)計指標并進行系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)、最終達到信號處理目標的能力，為從事通信和信息處理等方面工作和研究打下基礎(chǔ)。

1 數(shù)字信號處理課程教學現(xiàn)狀

然而，本課程中大量的抽象概念以及離散傅里葉變換、時頻域分析、濾波器設(shè)計等復雜理論和公式推導，令人感覺枯燥難懂，學生大多對這樣的課程興趣不高，課堂效率較低。“數(shù)字信號處理”課程以往主要采用傳統(tǒng)教學模式，數(shù)字信號處理教學中存在以下問題：

（1）以教師教學為中心，導致學生缺乏主觀能動性。理論教學多采用教師上課教、學生下面聽的“滿堂灌”模式；實驗教學多為驗證性實驗，為知識傳授服務(wù)。教學活動中師生互動性不強，學生參與度不高，難以激發(fā)學生的學習興趣和主動性。

（2）以高等數(shù)學為基礎(chǔ)，使得學生難以理解透徹。課程內(nèi)容豐富、概念抽象，其中傅里葉級數(shù)、傅里葉變換、Z變換等內(nèi)容都有大量公式推導，很多學生面對繁雜抽象的數(shù)學公式會望而卻步，失去學習動力。

（3）以軟件編程為輔助，要求學生具有較強的動手能力。課程中的傅里葉變換、時域和頻域分析、濾波器設(shè)計等重點內(nèi)容，通過軟件仿真能夠更好地幫助學生理解并應(yīng)用，因此，需要學生掌握C、MATLAB、Java或Python等編程語言，而計算機編程能力也往往阻礙了一些同學的實踐應(yīng)用。

（4）以知識傳授為主導，對于學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)不足。在教學中知識被簡單地分割為一個個小單元，學生知識點學得多，系統(tǒng)概念少。脫離了整體任務(wù)和工程問題，學生不知為什么要學這些知識，工程實踐能力弱、缺乏創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

由此可知，如何提高學生的學習興趣和主動性，如何幫助學生融會貫通課程中的基本原理、概念、分析與設(shè)計方法，針對上述問題，作者精心設(shè)計教學內(nèi)容，嘗試采用混合式教學方法，在教學中體現(xiàn)學生的主體地位，它不僅能激發(fā)學生的學習積極性和主動性，還能培養(yǎng)學生的學習能力、實踐能力、合作能力和分析問題解決問題的能力，以達到提高學生的積極性和提升教學質(zhì)量的目的。

2 數(shù)字信號處理教學內(nèi)容設(shè)計

（1）融入思政元素，引領(lǐng)價值導向。依據(jù)本課程的教學規(guī)律和專業(yè)特點，對思政目標與知識技能目標進行設(shè)計與融合，滲入思政元素。以工程應(yīng)用中平凡人的偉大、計算思維理念和簡約思維方法論，引導學生樹立正確的價值觀，培養(yǎng)學生科學思維和科學方法，培養(yǎng)良好的學習態(tài)度和積極向上的科學創(chuàng)新精神。

（2）引入前沿技術(shù)，激發(fā)學習興趣。隨著電子技術(shù)以及計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，科學研究中DSP的新理論和新技術(shù)層出不窮，如人工智能、5G技術(shù)和星際探測等技術(shù)都是DSP的具體應(yīng)用。及時將這些前沿技術(shù)融入課堂，既豐富和拓展了教學內(nèi)容，也讓學生掌握了如何將所學的理論知識應(yīng)用于實際，激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

（3）重塑教學內(nèi)容，淡化理論推導。以培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才為核心，對教學內(nèi)容進行了重塑：精簡與先修課程聯(lián)系緊密的章節(jié)，簡化難以理解的理論內(nèi)容和數(shù)學推導過程，側(cè)重講解物理意義和實際應(yīng)用，理清數(shù)學模型之間的邏輯內(nèi)涵。

（4）科研教學互融，理論聯(lián)系實際。以工程應(yīng)用為導向，提煉科研成果為工程案例，搭建抽象理論與工程應(yīng)用的橋梁；將科研方法納入課堂，按照項目開發(fā)方式設(shè)計綜合性實驗項目；利用導師制、大創(chuàng)項目及畢業(yè)設(shè)計等，引導學生進入信息處理的科研領(lǐng)域，指導學生采用科學研究的方法和手段開展科學研究。

3 數(shù)字信號處理混合式教學方法改革實踐

混合式教學將課堂教學的核心由知識傳授轉(zhuǎn)換為知識獲取，將教學的主體由教師轉(zhuǎn)換為學生。混合式教學是教師知識傳遞和學生主動學習的混合，也是學生自主探究和協(xié)作互助的混合，既體現(xiàn)了教師的主導作用，也突出了學生的主體地位。采用多種教學法相結(jié)合的方式，針對不同的教學內(nèi)容采用不同的教學方法，引導學生積極參與課堂內(nèi)學習活動，主動開展課堂外拓展學習，積極開展理論驗證和創(chuàng)新實踐，從而真正實現(xiàn)對應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，構(gòu)建知識和技能的統(tǒng)一。

3.1 采用鼓勵式教學法

自信在學習中起到重要作用，自信能增強學生的學習興趣、激發(fā)主動學習和自主學習能力。對“數(shù)字信號處理”這門抽象難懂的課程而言，幫助學生建立對本門課程學習的自信尤為重要，因此在教學過程中采用鼓勵式教學法。

（1）建立課堂教學中理論部分的聽課自信。在緒論中分析為什么學DSP、學什么內(nèi)容、課程的應(yīng)用及發(fā)展前景等，使學生明確課程的優(yōu)越性，進而喜愛這門課程。

（2）進階式提問，幫助學生建立學習自信。在課堂提問時，根據(jù)學生的基礎(chǔ)和能力，把握所提問題由易到難的“度”。在問題由易到難、學生運用課程所學方法解決問題的過程中，讓學生體驗到克服困難、解決問題的成就感。

3.2 采用對比式教學法

在加強事物認識和理解的過程中，對比是一種非常有效的教學方法。

（1）與“信號與系統(tǒng)”知識進行對比，提高學習效率。課程中時域離散信號與系統(tǒng)的時域與頻域分析，與“信號與系統(tǒng)”課程中的時域連續(xù)信號與系統(tǒng)的時域與頻域分析幾乎是一一對應(yīng)的，因此在講解這些知識點的時候，可以采用對比教學，幫助學生快速理解掌握。

（2）與課程前后知識進行對比，構(gòu)建知識體系圖。課程中內(nèi)容多，且有大量容易混淆的相關(guān)概念，在授課過程中重視前后知識的比對和歸納總結(jié)，根據(jù)教學內(nèi)容和教學進度，逐步建立知識體系圖，使學生了解各知識點之間的關(guān)聯(lián)，深挖基本概念、定理和性質(zhì)的內(nèi)涵，掌握其分析方法和工程意義。

3.3 采用參與式教學法

本課程內(nèi)容枯燥，概念抽象，學生難以長時間集中注意力。課程組在設(shè)計案例時盡量讓學生能夠多參與其中，從而提高學生的學習興趣以及學習效果。例如，在DFT章節(jié)設(shè)計了一個“語音信號識別”案例，采集學生自己的語音信號進行處理，讓學生非常有代入感，學習積極性高，對知識點的理解也更深入。

3.4 采用啟發(fā)式教學法

教師在課堂上將知識的重點和難點講清講透，將一些相對簡單的內(nèi)容留給學生自學，并設(shè)置問題供學生思考。學生帶著問題進行學習，既能提高自學能力，也能加深對所學知識的理解，從而提高利用DSP的方法分析和解決問題的能力。例如，在所設(shè)計的“語音信號處理系統(tǒng)”案例中，設(shè)置的問題與對應(yīng)的知識點如表1所示。

表1：“語音信號處理系統(tǒng)”案例中問題設(shè)置

3.5 采用探究式教學法

一方面，教師在授課過程中引入學科前沿知識，以5G技術(shù)和無人駕駛為例，引導學生思考新經(jīng)濟、新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新商業(yè)模式的發(fā)展過程，啟發(fā)學生獨立提出、思考并試圖解決其中面臨的問題。另一方面，教師在授課過程中引入自己的科研項目，總結(jié)當下研究較多的科研問題并設(shè)定對應(yīng)題目，讓學生依據(jù)興趣進行選擇，并結(jié)合已經(jīng)學習的知識嘗試進行解決，鼓勵學生不拘泥于課堂學習的內(nèi)容，開闊學生解決問題的思路。在這個過程中，學生的自學能力和分析問題解決問題能力得到了很好的鍛煉，并激發(fā)了他們對于信號處理領(lǐng)域的探索欲和求知欲，同時有助于鍛煉學生文獻查閱總結(jié)等能力，培養(yǎng)學生科學研究能力和創(chuàng)新能力。

4 結(jié)束語

數(shù)字信號處理課程一直以來因其內(nèi)容抽象、復雜、枯燥等原因，其教學效果一直不太理想。作者從本校學生的實際情況出發(fā)，探索運用案例式、討論式、引導式、項目驅(qū)動式等教學方法，創(chuàng)造有利于師生雙向交流，教學相長的教學氣氛；合理運用雨課堂、MOOC等現(xiàn)代信息技術(shù)等教學手段，將課堂講解、課堂討論、網(wǎng)絡(luò)課堂、師生、生生互評等教學方式協(xié)調(diào)整合，培養(yǎng)學生學習和研究的習慣，形成新的教學評價方法。同時注意培養(yǎng)學生的良好學習習慣，提升學生學習的參與度和主動性，增加學生學習熱情和積極性，培養(yǎng)學生自主學習能力和團結(jié)合作精神，激發(fā)其潛能和創(chuàng)新精神。實踐表明，基于混合式教學方法實踐在調(diào)動學生的學習積極性、主動性方面發(fā)揮了積極的作用，也更有利于培養(yǎng)學生的分析問題、解決問題的能力。