數(shù)字信號處理課程教學改革實踐

高月紅 李洪均 陳俊杰 趙靈冬 李蘊華

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.04.103

摘 要 數(shù)字信號處理是電子信息工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課程。針對目前數(shù)字信號處理課程教學中存在的問題，從教學模式、教學內容、考評方法等方面進行初步探索，以提高教學效率，培養(yǎng)學生的學習能動性。

關鍵詞 數(shù)字信號處理；混合式教學模式；MOOC；教學改

革；多元化考評方法

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）04-0103-04

Digital Signal Processing Course Teaching Reform//GAO Yuehong， LI Hongjun， CHEN Junjie， ZHAO Lingdong， LI Yunhua

Abstract Digital Signal Processing is an important compul-sory course for electronic information engineering major. According to the current problems in the teaching of Digital Signal Processing， in order to improve the teaching effect and train the students learning activity， this paper makes a preliminary exploration from the aspects of teaching mode， teaching content and evaluation method.

Key words digital signal processing; mixed teaching mode; MOOC; teaching reform; diversified evaluation methods

0 引言

2019年10月，教育部印發(fā)《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》（教高〔2019〕8號），提出全面開展一流本科課程建設，牢固樹立課程建設新理念，大力推進課程改革創(chuàng)新，淘汰“水課”，建設“金課”的總體目標。2019年，南通大學信息科學技術學院電子信息工程專業(yè)入選首批國家一級本科專業(yè)建設點，數(shù)字信號處理課程入選南通大學2019年一流本科課程建設項目。在這個背景下，面向一流本科課程建設的要求，加強專業(yè)課程建設，提升專業(yè)課程高階性、突出創(chuàng)新性、增加挑戰(zhàn)度，成為專業(yè)課程建設與教學的主要任務和目標。

數(shù)字信號處理是電子信息工程專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，以離散傅里葉變換和數(shù)字濾波器設計為重點，強調離散時間信號和系統(tǒng)的基本理論與分析方法，強調理論與實踐、原理與應用相結合。隨著計算機技術、微電子技術的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術在智能儀器儀表、智能傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理、航空電子、計算機控制系統(tǒng)等領域被廣泛應用，對于培養(yǎng)學生的理論分析和綜合應用能力有非常重要的作用。但是，當前數(shù)字信號處理課程教學大多沿襲固化的傳統(tǒng)模式，該課程在人才培養(yǎng)中的優(yōu)勢沒有得到很好的體現(xiàn)，數(shù)字信號處理課程建設與教學改革勢在必行。

1 數(shù)字信號處理課程現(xiàn)狀

數(shù)字信號處理以高等數(shù)學和信號與系統(tǒng)為基礎，課程理論性和實踐性均很強，概念抽象，數(shù)學變換公式多且推導復雜，學習難度大，大量的數(shù)學容易讓學生產(chǎn)生畏懼，感覺枯燥乏味，學習興趣不高。在多年的教學實踐中發(fā)現(xiàn)，數(shù)字信號處理課程教學中存在以下問題。

1）教學模式單一。在傳統(tǒng)的課堂教學中，教學手段往往以PPT教學為主，單一的授課模式導致學生學習興趣不高，對學生掌握基本原理和基本算法幫助甚少，無法滿足新形勢下對于創(chuàng)新型、應用型人才培養(yǎng)的需求。

2）教學內容多，學時少（總學時56學時，含4學時實驗），教師授課任務重，學生學習壓力大。教學中忽略學生實踐能力的培養(yǎng)，實驗內容偏向于驗證性，導致學生不會將所學理論知識用于實際問題的解決，遇到實際問題就會發(fā)蒙。

3）傳統(tǒng)的考評方法是期末考試成績占70%，平時成績占30%，無法調動學生的學習興趣，也不能真實評價學生的學習情況。

基于此，有必要以增強教學效果、培養(yǎng)學生學習能動性為目的，從課程教學模式、教學內容、考評方法等方面，對數(shù)字信號處理課程教學實踐改革進行深入研究。

2 線上線下混合式教學模式

傳統(tǒng)的教學模式一般采用PPT教學，以教師為主、學生為輔，重課堂，輕課前、課后，無法培養(yǎng)學生學習的主觀能動性。線上線下混合式教學模式將傳統(tǒng)的課堂教學與MOOC資源結合起來，強調課前、課中、課后全過程。線上線下混合式教學模式框圖如圖1所示[2]。

2.1 課前

學生觀看MOOC視頻及PPT完成預習工作，要求學生認真做好筆記，遇到問題，學生與教師可通過線上探討和討論區(qū)交流。同時，學生完成每個視頻后面的隨堂測驗，并在討論區(qū)發(fā)布自己的觀點和疑問。教師收集MOOC平臺上學生的測驗、問題等數(shù)據(jù)，了解學生學習情況，為更有效的課堂教學做準備。

2.2 課中

2.2.1 問題驅動，生生研討 學生按學號進行分組，每組3～5人。以教學目標為導向，圍繞問題進行小組研討。鼓勵學生暢所欲言，敢于表達、善于表達，通過小組研討激發(fā)學生的學習興趣，促進小組內的交流和協(xié)作。

設計意圖及教學手段：以學生為主體，以問題為驅動，通過自我的表達和學生間的思維碰撞，加深學生對知識點的理解和掌握，提高學生的表達能力、思辨能力以及團隊意識。

2.2.2 學生匯報展示，教師歸納總結 學生以小組為單位，匯報和展示研討成果；教師對學生的匯報和展示進行點評，在此基礎上對知識點進行歸納和總結，突出教學的重點和難點。

設計意圖及教學手段：通過匯報和展示，促進小組間的交流學習，提高學生自我展示的能力，通過教師的歸納總結，加深學生對教學重點和難點的理解和掌握。

2.2.3 理論與實踐相結合 以教師為主導，教師結合工程應用和科研實踐，介紹所學知識的實際應用，通過理論聯(lián)系實際，對知識點進行拓展和延伸，激發(fā)學生的學習興趣和科研熱情，促進學生知識的內化。

設計意圖及教學手段：通過理論與實踐相結

合，使學生了解理論知識的實際應用，激發(fā)學生的學習興趣和科研熱情，促進學生知識的內化。

2.3 課后

學生利用MOOC線上資源（視頻、作業(yè)及單元測試等）復習學習內容、檢測學習效果。教師關注學生學習數(shù)據(jù)，掌握學習動態(tài)，并不斷地總結經(jīng)驗、創(chuàng)新方法，從而形成教學相長的良性循環(huán)。

線上線下混合式教學模式，以學生為主、教師為輔，真正地把課堂交給學生。線上學習不受時間和地點的限制，學生可充分利用MOOC線上教學資源，實現(xiàn)學習過程的主動性。同時，學生在學習中遇到問題，與教師可通過線上探討和討論區(qū)交流，實現(xiàn)學習過程的互動。線下課堂，教師根據(jù)學生線上學習數(shù)據(jù)，掌握學生學習動態(tài)，有效主導課堂教學的內容和進度。通過問題驅動、生生研討，學生匯報展示、教師歸納總結，理論與實踐相結合等過程，有效增強學習效果，加深學生對教學重點和難點的理解與掌握，激發(fā)學生的學習興趣和科研熱情，能夠提高學生分析問題、解決問題的能力，使得學生的綜合應用能力得以增強。

3 優(yōu)化教學內容，培養(yǎng)實踐能力

數(shù)字信號處理主要包括離散信號分析和數(shù)字濾波器設計兩大部分，教學中要克服課程內容多、學時少（總學時56學時，含4學時實驗）的客觀約束，同時要注重學生實踐能力的培養(yǎng)。

3.1 優(yōu)化教學內容

數(shù)字信號處理的教學內容主要包括離散信號分析和數(shù)字濾波器設計兩大部分，如圖2所示。離散信號分析包括離散時間信號與系統(tǒng)、Z變換與離散時間傅里葉變換、離散傅里葉變換（DFT）及快速傅里葉變換（FFT）四方面內容。數(shù)字濾波器設計包括數(shù)字濾波器的結構、IIR數(shù)字濾波器的設計及FIR數(shù)字濾波器的設計三方面內容。其中，核心知識點離散時間信號與系統(tǒng)和Z變換是信號與系統(tǒng)與數(shù)字信號處理兩門課程的重疊知識點，信號與系統(tǒng)課程是數(shù)字信號處理課程的先修課，因此，數(shù)字信號處理課程教學中可減少該重疊知識點的教學學時，從而克服課程內容多、學時少的客觀約束。

同時，采用線上線下混合式教學模式，強調課前、課中、課后全過程，可利用有限的時間有效地完成課程教學任務。課前、課后以學生為主，課中以師生互動為主，根據(jù)教學模式特點，要將教學內容進行細化，分清哪些是基礎知識，哪些是重點、難點。學生自學以概念等基礎知識和重點知識為主，教師講授以難點和應用拓展為主[1]。分段錄制MOOC

視頻，每個視頻大約10分鐘，方便學生進行碎片化學習。

3.2 培養(yǎng)實踐能力

數(shù)字信號處理課程的實驗教學環(huán)節(jié)以培養(yǎng)學生的實踐能力、獨立思考等能力為目標，在課程教學中具有重要作用。數(shù)字信號處理之前的實驗內容偏向于驗證性實驗，為了培養(yǎng)學生的實踐能力，在數(shù)字信號處理課程的教學改革實踐中適當增加實驗內容，除驗證性實驗外，增加探究性實驗，鍛煉學生的創(chuàng)新能力。

驗證性實驗，教師已設定好實驗步驟、設計框架，學生嚴格按照設計步驟完成準確的操作要求，就可得到預想中正確的實驗結果。驗證性實驗以教師為主，這就導致學生在學習過程中學習興趣不高，不能積極主動地思考問題，學生的實踐能力、創(chuàng)新能力得不到有效提高。

探究性實驗以學生為主，教師在教學中采用開放性教學策略，實驗步驟、設計框架需要學生自主完成。在實驗過程中，學生必須積極主動地思考問題，采用什么樣的實驗步驟、什么樣的設計框架，取決于學生對實驗目的的理解程度以及對實驗結果的假想的細致程度。學生在自己的假設中通過創(chuàng)新思維活動設計出實驗步驟并完成操作，有效提高實踐能力和創(chuàng)新能力。

在數(shù)字信號處理課程的教學改革實踐中，實驗教學引入實際語音信號、圖像信號的處理，如說話人識別實驗、指紋識別實驗等，能夠有效激發(fā)學生的學習興趣，增強學生的實踐能力、獨立思考意識。

4 多元化考評方法

本課程更注重能力與知識考核并重，改變傳統(tǒng)的考評方法，采用線上線下教、學、研、考相結合的多元化考評方法，期末考試成績占40%，課內實驗占15%，平時占45%。其中，平時主要涉及線上各個環(huán)節(jié)成績，由作業(yè)成績、課程討論、單元測驗、線上期末考試四部分成績組成，具體分配為：平時總成績=作業(yè)成績（20%）+課程討論（10%）+單元測試（30%）+線上考試（40%）。

1）作業(yè)成績。要求完成1～8單元書面作業(yè)并拍照上傳手寫作業(yè)答案照片。

2）課程討論。學員參與討論區(qū)中的課堂交

流，跟帖（有質量回復，禁止水帖，10字以上）滿10帖者計滿分，未滿10帖的，按照“跟帖數(shù)/

10”比例得分。

3）單元測驗。第2～8單元內容設置單元測驗，測驗題型為單選題、多選題、填空和判斷題。

4）期末考試。期末考試為本課程教學最后一次的內容，學生需在指定時間內完成考核要求，并上傳考試答案。

多元化考評方法增加平時成績所占比重，將學生的學習效果、學習態(tài)度綜合考核；同時，增加實驗成績，更注重能力與知識考核并重，能夠激發(fā)學生學習熱情，調動學生自主學習的積極性。

5 結束語

從課程教學模式、教學內容、考評方法方面對數(shù)字信號處理課程進行教學改革，改革實踐能夠激發(fā)學生學習的積極性和主動性，鍛煉學生的創(chuàng)新能力，解決好教與學模式創(chuàng)新的問題，形成有效的授課方式和學習方法。

參考文獻

[1] 馮向榮，李琳芳，馮小燕，等.數(shù)字信號處理混合式

教學改革研究與探索[J].教科園地，2019，40（12）：

153-154，26.

[2] 王恩亮，李桂枝，黃世釗.基于慕課的數(shù)字信號處理

課程教學改革研究[J].集寧師范學院學報，2020，

42（3）：86-89，94.

*項目來源：南通大學教學改革研究課題“面向一流本科課程建設的《數(shù)字信號處理》教學改革”（基金編號：2020

B28）。

作者：高月紅、陳俊杰，南通大學信息科學技術學院，講師，研究方向為信號與信息處理；李洪均、李蘊華，南通大學信息科學技術學院，副教授，研究方向為信號處理、圖像處理等；趙靈冬，南通大學信息科學技術學院，副教授，研究方向為分數(shù)階非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性理論和控制（226019）。