基于產教融合的地方高校“數字信號處理”教學改革探索

王曉燕 季仁東 顧相平 唐永鋒

淮陰工學院電子信息工程學院 江蘇淮安 223001

2017年2月,教育部發布《關于開展新工科研究與實踐的通知》,積極推進新工科建設。與傳統的工科人才相比,“新工科”注重培養具備較強實踐能力和創新能力、具備國際競爭力的高素質復合型人才[1-2]。“新工科”建設需要依托產教融合、校企合作的方式,通過建立資源共享、合作共贏的校企協同機制,構建行業產業與學校之間的協同育人環境[3-4]。

ICT是信息、通信和技術相融合而形成的一個新的技術領域[5-6]。2016年,我校與北京華晟經世信息技術股份有限公司開展合作,簽署了校企合作與發展服務協議。基于ICT產教融合創新基地,校方與合作方可共同制定發展規劃、共同制訂培養方案、共同確定課程內容、共同實施課程教學、共同建設實踐平臺、共同進行質量評價。我校通信工程專業為ICT產教融合創新基地的主要合作專業,數字信號處理作為通信工程專業的核心課程,其在教學方面勢必要緊跟形式進行相應改革,從而助力新工科建設。

1 “數字信號處理”課程教學現狀

1.1 教學內容陳舊滯后

相比于通信及信息處理技術的飛速發展,通信設備的更新換代,課堂中“數字信號處理”課程的教學內容稍顯陳舊,滯后于當前通信及信息處理技術的發展實際。

1.2 教學方法及教學手段有待改進

課程教學中較多采用理論講授和案例分析的教學方法,以理論灌輸為主,對于重難點知識,學生會感覺理論內容枯燥無味,相關公式推導晦澀難懂,不能充分激發學生的學習興趣,以致無法有效提升教學質量。

1.3 實踐教學形式有待豐富

課程實驗多在實驗室通過上機編程仿真的形式完成,學生按照教師給定的實驗任務,按照既定的實驗步驟可完成驗證性的實驗內容,但對設計性實驗往往能力不足,從而喪失實踐操作的興趣。如何組織實踐教學內容及采取多樣化的實踐指導形式還有待于進一步研究。

1.4 課程考核有待多元化

課程考核形式較單一,大多采用平時成績和期末成績各占一定比例的形式,且考核內容主要局限于教材和課堂教學中教師講授的范圍。側重于理論知識的記憶和掌握,缺乏對專業技能的考核,不利于學生實踐能力及創新能力的考核。

我校通信工程專業于2020年通過工程教育專業認證,2021年獲批國家一流本科專業建設點。“數字信號處理”作為通信工程專業的核心課程,需要以產教融合為背景,改進現有教學狀況,全方位提升學生的課程理論知識水平和實踐創新能力。

2 教學改革措施

2.1 面向新工科,更新教學內容

新工科背景下,“產教融合”要求借助企業平臺優勢,發揮企業在培養學生過程中的重要作用,并不是簡單地理解為減少理論教學內容和課時,與此恰恰相反,應該根據教學大綱要求對課程教學內容重新做出合理選擇與分類。

2.1.1 針對知識點特性,對課程教學內容進行分類

“數字信號處理”課程主要講解離散傅里葉變換及濾波器設計,應根據教學內容特性將其分為課堂精講部分和與實踐結合部分。針對相關理論,如Z變換、離散傅里葉變換等,需要在課堂上精講,結合數學推導,使學生深刻理解變換的原理及實現過程。而濾波器設計除了講解其設計方法和原理外,應重點與實踐相結合,通過動手實踐、編程調試,從而掌握濾波器設計的方法原理及應用。

2.1.2 擴充與實時更新教學內容

“數字信號處理”課程是信息通信技術相關領域的基礎課程,課程內容應跟上該領域的前沿技術發展。因此,授課要與時俱進,在講授對應章節時應該及時補充一些最新的方法及技術,不能受限于教材本身內容。重點加強教學內容中的工程應用部分,適當補充教學案例,注重理論知識與實踐應用的有機結合。

2.2 設計分層實驗,提升實踐應用能力

在實踐教學中,根據課程知識的進度,分別設計驗證性實驗、設計性實驗以及綜合項目實驗。驗證性實驗在掌握每章基礎知識的基礎上可順利完成,設計性實驗需要綜合應用課程知識,而綜合項目實驗不僅包括了該門課程的相關理論,同時也與信號與系統、通信原理等課程相關,且能夠深度強化學生的編程應用能力。

以IIR、FIR數字濾波器相關內容為基礎,設計綜合項目案例,如語音信號處理、圖像處理等綜合性實驗,在講解濾波器設計的方法原理時,不僅演示相關的數學推導過程,而且將涉及的Matlab函數融入項目設計的實踐過程中。綜合案例教學方法能夠充分激發學生的學習興趣,從而有效提升其實踐應用能力。

2.3 聯合ICT創新基地,強化實訓開發能力

“產教融合”要求與專業密切相關的企業同步參與到人才培養的全過程中,為學生提供更多的實踐機會,讓學生盡早認清自己的學習目標及學習內容。“數字信號處理”課程作為通信工程類專業核心課程,可充分利用創新基地硬件資源,在實踐教學中適當引入實訓項目的開發講解,分類設計實驗項目,以小組為單位,指導學生完成項目內容。結合項目需求優化實踐授課內容,引領學生創新實踐,這種將課程理論與實踐應用相結合的授課方式能夠激發學生課堂學習的積極性,帶著問題聽課,且能夠將學到的理論及時用于項目設計,在深刻理解理論知識的同時,培養了解決工程問題的實踐能力。

2.4 依托網絡課堂,加強教學資源建設

“數字信號處理”課程作為我校校級優秀課程,依托泛雅課堂網絡平臺,制作了一系列授課視頻及教學課件、電子教案等相關學習輔助資料,通過平臺實現發布作業、在線測試、師生互評等功能。尤其在線測試功能,可方便查看學生答題情況以及各知識點的掌握情況,從而實現教學效果的精準分析,有利于改進后續的教學環節。線上課程建設極大豐富了學生課后的學習資源,與課堂教學形成互補,逐漸形成了立體式全方位教與學的互動模式。

2.5 實施多元考核,注重綜合能力培養

在產教融合新形勢下,考核模式應當轉變思路,分別從理論考核及實驗考核兩方面做出相應改革。我校“數字信號處理”課程考試在形式上采取筆試、實驗操作和課后作業相結合的形式,在考試內容上減少以機械記憶作答的試題類型及數量,適當增加需要經過分析、綜合、歸納才能解答的綜合類題目。另外,對實驗考核形式也做了相應改革。傳統的實驗考核多以實驗報告為準,這樣單一的考核方式導致出現了部分實驗報告雷同的情況,同時也會影響學生對實驗上機操作的積極性。該課程的實踐教學考核采用了答辯式考核、隨堂隨機抽簽操作考核以及獨立完成設計性實驗項目等多種方式。注重實驗態度、實驗過程和實驗結果,突出實驗教學的考評功能,優化了實踐教學考評體系。

2.6 聚焦產教融合,打造雙師型教學團隊

“數字信號處理”課程在通信工程專業起著承上啟下的作用,在學生學完高等數學、信號與系統、模擬電路等基礎課程后,逐漸過渡到通信原理、嵌入式系統設計、數據通信等專業類課程的學習,而“數字信號處理”課程中的信號采集、信號濾波、信號恢復等內容對后續課程學習起著重要的鋪墊作用。依據ICT產教融合平臺,教學團隊有計劃地參加企業選派專家所安排的技能培訓,只有教師自身實踐創新能力提高了,才能更有效地指導學生。為進一步強化學生對課程知識的掌握及應用,課程組聯合ICT創新基地的企業導師共同完成學生的課程實驗及綜合項目指導工作,雙師型教學團隊逐漸形成。

2.7 融入課程思政,落實立德樹人

高校的根本任務是立德樹人,專業課程也應當融入相應的思政內容。依據“數字信號處理”課程的特點,可分別從宏觀視角和微觀視角設計相關的思政元素。宏觀視角可從應用實例引入課程相關理論,引導學生認真學習專業知識,培養其社會責任感和使命感。微觀視角則可分別結合時域采樣定理、循環卷積、濾波器設計等專題知識,深入挖掘思政元素,適當引入相關人文知識,并嵌入學科前言和行業發展趨勢,提升學習興趣,引導學生做到學以致用,知行合一。將教學小課堂和社會大課堂相結合,有機融入思政元素,進一步提升教學效果,更好地落實立德樹人根本任務。

3 教學改革成效

我校通信工程專業于2020年通過工程教育專業認證,根據工程教育認證的標準和要求,依據我校通信工程專業培養目標和數字信號處理課程定位,明確了該課程支撐的畢業要求和課程目標。課程目標主要有以下3個:

課程目標1:通過對數字信號處理基本理論、基本方法的學習,學生要熟悉序列的傅里葉變換FT、Z變換、離散傅里葉變換DFT及其快速算法FFT原理、IIR和FIR濾波器的設計原理等相關知識,并能用于數字信號處理系統中。

課程目標2:通過對基礎知識的學習,能對離散時間信號與系統進行基本性能分析,能夠利用DFT進行信號的頻譜分析,并能分析解決DFT應用中的問題。

課程目標3:通過學習IIR和FIR濾波器設計原理,能夠設計并實現滿足性能指標的數字濾波器,具備分析設計數字濾波器的基本能力。

以通信工程專業2019級學生為例(通信1192班),計算得到班級總體的課程目標達成情況如圖1所示,課程目標1、2和3的能力達成度平均值分別為0.85、0.77和0.66。繪制課程總評成績分布如圖2所示,多數學生成績高于75分,大概三分之一學生高于80分,課程平均分為76分。

圖1 課程目標總體達成情況

圖2 課程總評成績分布圖

學生對課程目標1的能力達成度為0.85,說明學生對于數字信號處理的基本理論與基本方法理解和掌握情況較好,包括:序列的傅里葉變換FT、Z變換、離散傅里葉變換DFT及其快速算法FFT原理、IIR和FIR濾波器的設計原理等相關知識,能夠對基本的離散時間信號和系統進行簡單分析及運算。

學生對課程目標2的能力達成度為0.77,稍低于課程目標1,這說明大多數學生對于離散時間信號與系統的性能分析、應用離散傅里葉變換DFT對信號進行頻譜分析等內容的學習及應用掌握較好,但也有部分學生相對較弱,尤其是DFT頻譜分析部分,少數學生存在學習及理解困難,需要進行針對性輔導。

學生對課程目標3的達成度為0.66,達成度偏低,說明有部分同學沒有掌握好課程中的數字濾波器設計和應用相關內容,對設計過程中的相關計算流程及計算方法不熟悉,或者對濾波器設計的Matlab編程方法沒有掌握。針對該部分能力的提升,在以后的教學過程中應開展針對性的專題輔導和能力訓練。

課程考核結果說明課程目標總體達成,可見大部分學生對課程相關理論知識掌握程度較好,實踐應用能力也得到了有效提升,但仍存在一些有待提高的地方,在以后的教學過程中應進行持續改進。

結語

在新工科背景下,依托我校ICT產教融合創新基地,分別從教學內容、實踐方式、網絡課堂、課程考核、師資隊伍、課程思政等方面開展了“數字信號處理”課程教學改革,重點探索了理論課堂與ICT創新基地之間的結合方法,以產教融合的方式著力提升學生的實踐應用能力。淮陰工學院作為地方應用型高校,對學生工程實踐能力的訓練是人才培養的重心,“數字信號處理”作為通信工程專業的核心課程,將進一步加強校企合作,深化產教融合,不斷提升學生的實踐創新能力,為社會培養更多的優秀應用型人才。