“數字信號處理”課程教學目標達成改革與探索

江 漢，徐以濤，程云鵬，張玉明

（陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007）

一、重構教學目標的必要性

（一）課程性質與地位

“數字信號處理”是陸軍工程大學戰場機動通信技術與指揮（通信工程）專業機動骨干、機動接入方向本科生的一門專業背景必修考試課程。課程主要研究離散時間信號的獲取、變換、分析、濾波等基本原理、基本規律和方法手段。在整個人才培養方案的課程體系中處于承上啟下的關鍵地位，屬于人才培養方案中的大綱課程。通過本課程的學習，對于夯實信號處理基礎理論，培養學生的科學思維能力、分析計算能力和創新研究能力具有重要作用。

新工科發展戰略對我國高等工程教育提出了新要求，更加注重對學生創新思維、工程實踐等方面能力的塑造。以“數字信號處理”課程為例，其相關理論和技術近三十年來取得了飛躍性發展，已經滲透到生產和生活的各個領域。“數字信號處理”不僅是電子工程、通信工程、語音處理、圖像處理等傳統本科專業的核心課程，也成為大數據、人工智能、物聯網工程等新工科專業重要的基礎課程。傳統的課程教學目標已經不能滿足面向新工科人才培養的需求，因此，重構“數字信號處理”課程的教學目標，對探索達成教學目標的教學改革與實踐，適應新工科的發展變化需求具有重要意義。

（二）“數字信號處理”教學存在的問題

“數字信號處理”是一門理論性較強的專業基礎課程，包含了很多抽象的概念和理論，一些定理和結論的推導涉及復雜的數學過程，對學生的數學功底要求較高，與“高等數學”“復變函數”“信號與系統”“數字電路”等先修課程的相關內容聯系緊密。同時，“數字信號處理”是一門理論和應用結合非常密切的課程，教學內容在實際科研、工程中有著廣泛的應用場合。傳統教學存在重理論、輕實踐，理論知識灌輸多、綜合運用的工程案例少的不足，學生對算法工程實現過程理解不深，缺乏對課程知識點的整體把握，實際工程應用創新能力薄弱，導致該課程教學處于一種教師難教、學生難學的困境。

二、重構設計課程教學目標

通過本課程的學習，學生掌握了“數字信號處理”的基本概念、基本原理和基本方法，具備對離散時間信號與系統進行分析、設計和仿真驗證的能力，為后續課程奠定了必要的理論和實踐基礎。通過面向工程應用的數字信號與系統設計，將理論和實踐相結合，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的工程應用能力，適應專業任職崗位和職業發展需要，從知識、能力、情感三個維度對總目標進行了分解，具體的重構設計見表1。

表1 重構設計的課程教學目標

三、達成課程教學目標的舉措

（一）優化重組教學內容，支撐知識目標

著眼于達成改革后的教學目標，以共同性的基本概念、基本理論和基本方法的內容為基礎，以實踐環節的內容為橋梁，以典型應用的內容為牽引，對原有的教學內容進行了重組和優化。按離散時間信號與系統的時域分析、離散時間信號與系統的頻域分析、數字濾波器設計和多抽樣率信號處理等四個模塊重組及優化教學內容體系，建立了知識結構，如圖1所示。刪減與相關課程重疊、過時的內容，突出頻譜分析和數字濾波的具體應用，增加和實際工程關聯緊密的綜合應用案例，形成服務于培養學生綜合應用能力的課程內容體系。

圖1 “數字信號處理”課程知識結構

對于教學目標中的知識目標達成，主要采用以下措施：內容選取上注重物理概念和數學概念的相互結合，夯實數字信號處理的基本概念、基本原理和基本方法，體現專業背景課程重基礎、強素養的特征。

對于教學目標中的能力目標達成，主要采用以下措施：采用融合問題引導、前后內容有機關聯、現場實例演示的多樣化課堂教學方法，對ZT、DTFT、DFT、FFT和IIR、FIR數字濾波器的設計等知識點進行分類比較和歸納總結，揭示問題的本質，掌握知識的發展脈絡，促進學生對課程前后內容的融會貫通和實際應用能力的培養。采用以軍事運用為牽引的案例化教學模式，將譜分析、數字濾波等理論技術與戰場電磁頻譜管控、抗干擾等實際應用相結合，培養學生將理論知識和實踐工程相結合的應用能力，提高學生的信息化素養。

對于教學目標中的情感目標達成，主要采用以下措施：結合“數字信號處理”在通信保障、信息對抗、信號偵察等方面的應用，提高學生學習信號處理的緊迫感，激發學生的自豪感、使命感和責任感。對于課程中的FFT算法等重大理論和重大發現，引入科學大家解決重大問題的過程，讓知識點鮮活起來，讓學生感受到知識的溫度。結合DFT譜分析的誤差來源討論，引導學生提煉從多角度看待、分析、解決問題的方法論。

（二）開展“三位一體”的教學方法改革，支撐能力目標

圍繞課程教學目標，開展了精練課堂教學、強化實踐教學、線上線下混合教學“三位一體”的教學方法改革。

1.精煉課堂教學。緊緊圍繞“數字信號處理”課程標準的要求，精心選擇教學內容，充分利用多媒體教學手段，力爭做到在有限的教學課時內，使學生掌握數字信號處理的基本概念、基本原理和基本技術，培養學習能力，有效提高學生分析和解決實際問題的能力。

針對難以建立統一的物理概念、數學概念和工程概念而導致的難教和難學困境，我們充分挖掘現實生活中的數字信號處理問題，一方面采用圖片、動態影像和軟件模擬仿真等方式，對復雜、抽象的授課內容進行形象直觀的描述，創設問題意境；另一方面將MATLAB演示實驗融入課堂教學的案例中，以科學發展的實例或以科學家的發明思路引導學生獲取知識、拓展知識，探索出一種融合問題引導、前后內容有機關聯、現場實例演示的多樣化課堂教學方法，較好地解決了“數字信號處理”難教難學的問題，有效保證了課堂的教學效果。例如，為了提高學生的學習興趣，我們以MP3中的傅里葉變換為例，給出采用離散傅里葉變換（DFT）的巨大運算量問題，引導學生思考如何解決這一問題，然后再在DFT中利用對稱性減小運算量的例子點題，進而詳細講解時域抽取法的數學公式，使學生自然進入解決這一問題的進程中，不至于感到枯燥無味，培養學生主動思維的意識。

2.強化實踐教學。建成了集教學、實驗和電子競賽為一體的實踐教學平臺，開設了驗證性、設計性、綜合性和自主性等四個層次的實驗。其中，驗證性實驗主要用于驗證教科書中的基本理論和基本原理，如產生信號序列、進行有限長序列線性卷積、驗證卷積定理和采樣定理等。設計性實驗主要根據所給定的參數，完成某些信號設計或系統設計，如利用窗函數法及頻率采樣法設計FIR數字濾波器等。綜合性實驗指完成涉及主要數字信號處理環節的實驗，如通過對日常生活中最常用的聲音文件的產生、處理及分析，將所學理論及實驗串聯起來，進一步加深對數字信號處理技術的認識，為以后在實際中運用數字信號處理技術打下基礎。自主性實驗主要源于國家和軍隊的研究課題，將教學組成員參與研制的軍用通信裝備、未來移動通信實驗系統等項目中的子問題經過提煉后形成小課題，如短波電臺中的干擾濾波、OFDM信道估計、OFDM信道均衡等。這些科研實踐環節培養了學生的工程意識、動手能力和創新思維，使學生更好地理解了知識積累和知識創新的重要性。

3.線上線下混合式教學。通過構建的自建+優選模式的微課視頻課資源創建了線上學習環境，以傅里葉變換、濾波器設計等重點和難點內容為主，以線性卷積、因果穩定性判斷、典型窗函數等知識碎片為輔，建設微課、慕課資源庫，學生通過在線平臺和移動學習設備，可以實現在任何時間、任何地點和任何形式的學習活動。教師在線下理論授課的同時，按照課程的知識結構圖在基礎模塊、頻譜分析模塊、數字濾波器模塊中分別設置一個專題研討任務，對于基本的概念主題，小組分工后，協作查找資料，小組討論后直接給出結論；對于進階的辨析主題，除了分組討論數字信號處理的基本理論外，還需要發揮組內學生各自的特長，分別開展理論推導和仿真驗證；有些主題內容較深，則需進行線下全班集體討論，目的是讓學生在一個完整、真實的問題背景下產生學習的需求，通過學生間的互動交流，即合作學習，從而達到學習的目標。

四、改革初步成效

（一）學生評教反饋

課程組所在學院的教務機構每學期會組織學生從教學態度、目標、內容、方法、效果等五個方面對其所在班的任課教師進行獨立評價，形成評教數據。從評教數據可以看出，學生對授課教師的教學態度、教學內容、教學方法和對學生的認可度等方面均有很大程度的提高。

（二）考核成績對比

經過三年的教學實踐，優秀率（90分以上）和良好率（80～90分）都有了較大程度的提高，同時，不及格率逐年遞減。學生的綜合運用和創新能力得到了提高，依托課程的實踐教學體系，課程組教師指導20余名本科生、研究生參加了大學/全軍/全國各類科創競賽和電子設計競賽，獲得省級/軍隊級獎項5項，大學“卓越杯”競賽獎項2項。

結語

面向新工科的培養需求，按照教育部提出的“兩性一度”的精品課程建設標準，對課程的教學目標進行了重新設計，改革后的教學目標更加注重以學生為中心，以成果為導向，強化知識、能力和素養的有機融合，適應新工科背景下培養學生解決復雜工程問題的能力、高階思維方式及創新能力的時代需求。