“數字信號處理”課程線上教學模式的研究與實踐

沈荻帆 任佳 崔亞妮

[摘 要] 新工科教育的產出導向已經成為高等教育改革的趨勢。在突如其來的新冠肺炎疫情下，如何利用網絡資源，采用線上多平臺輔助混合教學模式，提高專業課程產出效果，實現課程目標，最終培養符合社會需求的高水平專業人才是高校教師亟待研究和解決的問題。“數字信號處理”課程作為電子信息類專業的一門重要專業理論課程，其抽象較難理解的特征使得課程教學難度較大。以“數字信號處理”課程為例，結合新工科教育要求，對線上多平臺輔助混合教學模式進行研究與實踐，取得了很好的教學效果。

[關鍵詞] 新工科教育;產出導向;數字信號處理

[基金項目] 2018年度海南省高等學校教育教學改革研究項目“產學研用合作人才培養模式的研究與實踐——以海南大學為例”（Hnjg2018ZD-6）;2018年度海南大學教育教學改革研究項目“產學研用合作人才培養模式的研究與實踐——以海南大學為例”（hdjy1822）;2020年度海南大學教育教學改革研究項目“多維化微項目在電子信息類專業課程教學中的應用——以‘C++程序設計課程為例”（hdjy2051）

[作者簡介] 沈荻帆（1975—），女，江蘇張家港人，碩士，海南大學信息與通信工程學院講師，主要從事教學改革與圖像處理研究;任 佳（1981—），男，新疆哈密人，博士，海南大學信息與通信工程學院教授，院長，主要從事人工智能研究;崔亞妮（1990—），女，河南焦作人，博士，海南大學信息與通信工程學院講師，主要從事多智能協同控制研究。

[中圖分類號] G648.4? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）38-0062-05? ? [收稿日期] 2021-02-20

一、研究背景

“數字信號處理”課程是工科電子信息類專業一門重要的專業理論課程[1]，一般院校均在學生先修高等數學、復變函數和信號與系統之后開設。這門課程的特點是理論性強，要求的知識儲備起點較高，涉及的知識面比較廣。海南大學作為地方一本院校，其信息與通信技術學院下的電子信息專業和通信工程專業均在第五學期開設本課程。從目前的教學反饋來看，學生普遍覺得理論推導和數學公式過多，內容煩瑣，且過于抽象，很難將理論聯系具體實際進行理解，因此很多情況下只能對其知識點死記硬背，結果導致學習效果不佳。我國于2016年成為國際工程教育學位互認協議《華盛頓協議》正式成員國，并于2017年啟動新工科建設[2]。新工科建設堅持問題導向，要求依據產業需求設置專業，根據技術發展優化教學內容，從學校主體推動改革，落實“以學生為中心”的課程教學理念，創新工程教育的方式與手段，從而改進學習效果。因此，在新工科教育指導下，對“數字信號處理”課程進行教學模式研究和實踐，是進一步提高課程學習成效、提高專業課教學質量，進而“由點到面”提升專業整體質量的迫切需求。

二、教學模式研究的理論基礎

美國著名課程理論家拉爾夫·維尼弗雷德·泰勒提出的課程原理和教學原理的理論體系主要圍繞以下四個方面展開：（1）教學目標;（2）為達到教學目標所需的教育經驗;（3）組織教育經驗;（4）評價結果[3]。確定教學目標時，要考慮課程后續實施中的四大要素——學習者、教育者、教育環境和學科特性，以保證目標之間、目標與產業需求之間、目標與學校宗旨之間的高度一致，以及與學生內部學習條件和外部教育環境相一致。選擇學習經驗時，不僅要看這類經驗是否可能達到教學目標，還要考慮學生與外部環境的相互作用，即選擇經驗時要考慮能否引發學生內部學習動力和期望。在接下來的組織經驗中，則要遵照連續性、順序性和整合性，以保證課程四大要素之間的橫向、縱向和層次性的聯系與整合。評價則是確定課程與教學計劃實現教育目標程度的問題，其本身不是目的，而是通過測驗或者其他方式來確定是否達到教學目標。

三、“數字信號處理”課程的教學模式探索與實踐

單個獨立課程的教學是為最終培養目標服務的。傳統的教學模式中，更強調知識結構的系統性，因此課程的教學目標多定位于知識的“教”與“授”，而對整個培養體系的貢獻考慮不多，這就導致課程定位不清，不能解決“為什么學”和“學完能解決什么”等問題，最終引起課程教學重點失當、教學與培養目標脫節。同時，在長期的教學過程中，傳統模式均以教育者為主體，缺乏學習者的參與，特別是對“數字信號處理”這樣理論性強的課程，傳統教學模式很難達到既定教學目標。另外，傳統教學模式更強調教學規范，但對課程的考核和總結改進要求不明確，因此不能形成閉環控制，導致結果不可控。

（一）教學目標

確定課程教學目標時，首先要確定畢業生應該具備的能力。對照2020年版工程教育認證標準中的12條畢業要求，電子工程專業對此進行具體化，一方面使其更為專業，符合本行業的發展需求;另一方面，明確對應學生的培養任務，并將具體任務細化到課程教學中去，構建符合電子工程專業的課程體系[4]。課程體系中的每個獨立課程對畢業要求形成支撐，作為電子專業核心專業理論課程的“數字信號處理”，其與畢業要求相關的支撐內容如表1所示。在此基礎上，具體化“數字信號處理”的學習目標要求，以此作為開課前教師和學生的約定與課程考評標準。該學習目標要求必須明確覆蓋表1中的支撐內容，如表2所示。

（二）教學經驗選擇與組織

1.課程內容組織和準備，明確教學任務。根據課程學習目標，安排課程內容，分清重點、難點，指出課程內容和學習目標要求之間的關系，使得教學活動目的明確，學生和教師都清楚自己的任務。在教學實踐中，根據課程目標選定清華大學出版社出版、程佩青編著的《數字信號處理教程》（MATLAB版）教材。表3給出了根據教材“數字信號處理”第二章教學內容組織的框架示例。

2.課程實施過程的時間分配和安排，合理調配學習節奏。課程教學實施前，先要根據經驗安排對應章節的大概學時，這個過程非常重要，決定了教師在教學過程中是不是能從容不迫地面對每個教學環節。以海南大學信息學院2019—2020學年度第二學期開設的對應2017級理科實驗班的“數字信號處理”課程為例，課程編號為B16191，總學時為48學時，其中42學時為課堂教學，另有6學時為課內實驗。在全面研究教材內容，結合以往教學經驗后可以判斷，在有限的課堂教學時間內要達成課程學習目標非常緊張。在結合新工科教育理念的基礎上，如何合理分配時間，安排教學重點和次重點，也是“數字信號處理”這門課程教學效果真正落到實處的必要環節。對教學大綱和對應教材進行仔細研究，結合課程對應章節的學習目標，分析教學對象的實際接受程度。在實施教學前，要對本課程實施過程的時間安排做好大致規劃。部分課程教學內容和時間安排大致規劃如表4所示。在實踐教學過程中，進度和內容基本與規劃一致，驗證了課時安排的合理性。