一流課程“數字信號處理”課程目標達成情況分析

［摘 要］ 適用于工程教育專業認證的課程體系包括符合本專業畢業要求的工程基礎類課程、專業基礎類課程與專業類課程，“數字信號處理”課程是電子信息類專業的專業基礎課。列出了“數字信號處理”課程目標與畢業要求的支撐關系，課程目標分別支撐畢業要求指標點2-3與3-2，按照工程教育專業認證的要求，明確了課程的考核方式，分析了通信工程專業某教學班的課程目標達成情況，并以學生為中心提出了改進建議。改進之后，學生能夠根據性能需求進行數字濾波系統參數選擇和方案設計，具備使用現代工具進行系統仿真分析、優化系統性能和擴展系統功能等的能力。

［關鍵詞］ 數字信號處理；課程目標；畢業要求；一流課程

［基金項目］ 2022年度安徽省教育廳教育教學研究項目“面向信號類金課建設的‘134N’教學模式改革研究”（2022jyxm080）；2021年度安徽省教育廳“電子信息類專業信號類系列課程教學團隊”（2021jxtd014）；2020年度安徽省教育廳課程思政示范課程“數字信號處理”（2020szsfkc0078）

［作者簡介］ 朱 軍（1968—），女，安徽合肥人，博士，安徽大學電子信息工程學院副教授，主要從事信息與通信工程研究；蔣 芳（1981—），女，安徽績溪人，博士，安徽大學電子信息工程學院講師，主要從事信息與通信工程研究；郭曉靜（1978—），女，安徽宿州人，博士，安徽大學電子信息工程學院講師，主要從事信號與信息處理研究。

引言

“數字信號處理”課程是電子信息類專業的一門重要的專業必修課程，其在信號系列課程中承擔著從連續到離散、確定到隨機、一維到高維的承前啟后的重要功能，其先修課程包括“高等數學”“復變函數與數理方程”“信號與線性系統”等，同時也是后續多門課程如“數字圖像處理”“隨機信號處理”“移動通信”等的先修課程。在工程教育專業認證背景下，按照成果導向設計“數字信號處理”課程教學大綱，確定“數字信號處理”課程教學目標與畢業要求的支撐關系非常重要［1］，而教學目標與教學內容密切相關，課程內容主要包括Z變換、序列的傅里葉變換、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換、數字濾波器設計及應用［2］。安徽大學“數字信號處理”課程于2019年獲批為安徽省精品線下開放課程，2020年獲批為安徽省課程思政示范課程，2023年獲批為第二批國家級一流本科課程，在課程資源建設與教學改革上取得了一些成效［3］，因此，分析“數字信號處理”課程教學目標的達成情況，對電子信息類專業學生畢業要求的達成、學生解決復雜工程問題能力的培養具有重要意義［4］。

一、電子信息類專業畢業要求

電子信息類專業主要以“電子線路”“信號與線性系統”“數字信號處理”“通信原理”“信息論基礎”等專業課程為基礎，以通信系統設計及應用為方向，注重人文科學素質培養，旨在培養學生具有扎實、寬廣的理論基礎，以及較強的工程實踐和創新能力。通過本專業的學習，畢業生在知識、能力和素質方面應該具備以下12項畢業要求。

要求1：工程知識。能將數學、自然科學、電子信息類工程基礎、專業基礎和專業知識用于解決信息與通信工程領域復雜工程問題。

要求2：問題分析。能應用數學、自然科學和電子信息科學的基本原理，識別、表達并通過文獻研究分析通信復雜工程問題，獲得有效結論。

要求3：設計/開發解決方案。能夠設計針對通信復雜工程問題的解決方案，設計可滿足特定需求的電子器件、電路和系統，同時體現創新意識，并考慮社會、健康、安全、法律、文化及環境等因素。

要求4：研究。對通信領域復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數據，得到合理有效結論。

要求5：使用現代工具。能夠針對通信領域復雜工程問題，使用、開發相關儀器設備和仿真軟件，完成問題預測與模擬，理解其局限性。

要求6：工程與社會。能夠基于工程相關背景知識進行合理分析，評價通信工程專業的工程實踐和復雜工程問題解決方案對社會、健康、安全、法律以及文化的影響，并理解應承擔的責任。

要求7：環境和可持續發展。能夠理解、評價針對通信系統中復雜工程問題的工程實踐對環境、社會可持續發展的影響。

要求8：職業規范。樹立和踐行社會主義核心價值觀，具有社會責任感，遵守工程職業道德和規范，履行責任。

要求9：個人和團隊。能夠在多學科背景下的團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色。

要求10：溝通。能夠就通信領域復雜工程問題與業界同行及社會公眾進行有效溝通和交流，同時具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進行溝通和交流。

要求11：項目管理。理解并掌握與通信領域相關的工程管理原理與經濟決策方法，能在多學科環境中應用。

要求12：終身學習。具有自主學習、終身學習的主動意識和綜合能力。

二、課程目標與畢業要求的支撐關系

“數字信號處理”課程目標與畢業要求指標點的支撐關系如表1所示。其中，課程目標1支撐畢業要求指標點2-3，要求學生掌握離散時間信號的概念及常見離散時間信號的特點及相互轉換方法，掌握系統線性、移不變、因果和穩定性的判斷，掌握序列Z變換定義及基本性質，掌握Z變換與連續信號的拉普拉斯變換、傅里葉變換的關系，掌握序列DTFT定義及基本性質，掌握利用常系數線性差分方程及時域卷積定理分析系統輸出的方法；掌握Z變換分析系統和信號的頻域特性，能夠運用系統的頻率響應幾何確定法，適當地控制零極點分布，調整數字濾波器的頻響特性，達到預期的要求；能夠將相關數字信號知識用于推演、分析和建模有關通信領域相關工程問題，進行比較分析。

表1中的課程目標2支撐畢業要求指標點2-3，要求學生掌握周期序列及圓周卷積的定義、計算圓周卷積，掌握圓周卷積和線性卷積的關系，掌握DFT的定義及基本性質；掌握利用DFT分析模擬信號的傅里葉變換；掌握利用FFT及IFFT計算分析信號頻譜的方法；能夠運用數字信號處理的基本理論分析系統，獨立完成信號與系統的時域與變換域分析，掌握信號分析與信號處理的基本理論和方法，為解決復雜工程問題奠定專業基礎。課程目標3支撐畢業要求指標點3-2，要求學生掌握數字濾波器的分類、結構以及分析設計方法；掌握IIR和FIR濾波器的結構實現；掌握設計IIR數字濾波器的沖激響應不變法和雙線性變換法；掌握FIR線性相位數字濾波器的窗函數設計法，并能通過現代軟件工具仿真模擬并優化、改善、提高數字濾波器的頻率和相位性能，能夠綜合運用專業理論和技術，描述、分析并設計系統，形成結果。

三、課程目標達成情況分析

課程目標達成評價方法包括：各單項課程目標達成情況評價方法和總體課程目標達成情況評價方法。其中，單項課程目標達成情況評價值按照表1中給出的權重用于畢業要求相關指標點達成情況計算，總體課程目標達成情況評價值主要同單項課程目標達成情況評價值用于課程教學效果分析和持續改進。

1.課程單項教學目標達成情況評價方法。假設某課程有n個課程目標和m個考核環節，其第i個課程目標的達成評價值計算公式為：

2.課程總體教學目標達成情況評價方法。課程考核既要涵蓋知識要求，又能夠體現能力要素考核，并與課程目標要求的能力要素一致，培養學生解決復雜問題的綜合能力與高級思維［5］，考核應與教學內容相匹配。本課程考核采用期末考試、期中考試和平時成績相結合的方式。課程目標1和2的考核方式包括期末考試、期中考試和平時成績，主要考查學生對數字信號處理基礎知識、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換原理和應用的理解與掌握。課程目標3的考核方式包括期末考試和平時成績，主要考查學生對數字濾波器設計的理解和掌握。平時成績由課后作業和隨堂測試構成，涵蓋課程目標1、2和3，其中平時成績占30%（課后作業占24%、隨堂測試占6%），期中考試成績占20%，期末考試成績占50%。

“數字信號處理”的課程目標達成情況如圖1所示，課程目標1的達成度評價值為0.829，課程目標2的達成度評價值為0.832，課程目標3的達成度評價值為0.851。本課程所支撐的各個畢業要求指標點均達到期望值0.65的要求。課程目標1的達成度評價值略低于課程目標2和3，具體情況如下。

如圖1所示，課程目標1達成度評價值略低于課程目標2、3，表明學生在運用Z變換分析系統和信號的頻域特性、對系統的頻率響應進行幾何確定分析方面略顯薄弱。通過分析可知，學生對于課程學習還存在著部分問題，課程目標1主要涉及掌握Z變換分析系統和信號的頻域特性，運用系統的頻率響應幾何確定法，適當地控制零極點分布，調整數字濾波器的頻響特性，達到預期的要求。培養學生認識到解決問題有多種方案，學會主動搜集文獻資料，尋求可替代的解決方案。安排合適的自學內容及引入課后小組討論，同時充分利用安徽大學優慕課平臺、雨課堂、課程QQ群等進行師生互動，更加有效地幫助學生掌握知識，培養數字濾波器設計與分析應用能力。

通過對“數字信號處理”課程達成情況的分析和教學方式的調整與改進，使學生能夠掌握和理解一維數字信號的時域分析方法、Z變換、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換等相關知識，能夠根據性能需求進行數字系統參數選擇和方案設計，具備使用現代工具進行系統仿真分析、優化系統

性能和擴展系統功能等的能力，以及解決數字系統復雜工程問題的綜合能力。培養學生主動/終身學習意識、批判性思維和創新意識；落實立德樹人根本任務，在課程教學中注重介紹我國信號處理領域取得的科技成就，培養學生的家國情懷和社會責任意識。

結語

通過一流課程“數字信號處理”的指標點—課程矩陣，明確了課程目標與畢業要求的支撐關系，分析了學生的課程目標達成情況。課程組在今后的教學與實踐中將進一步深入研究探討，對學生的線上線下及考核數據進行分析和運用，持續改進并不斷完善教學效果，進一步培養學生針對特定需求，運用數字信號處理理論知識與實踐技能，完成通信系統中單元電路或關鍵部件設計的能力。

參考文獻

［1］高新勤，陸馨.以工程教育專業認證為抓手推進“一流專業”建設［J］.大學教育，2020（11）：63-66.

［2］朱軍，楊會成，李陽，等.數字信號處理［M］.合肥：合肥工業大學出版社，2009：130-186.

［3］朱軍，屈磊，張紅偉，等.“新工科”背景下“數字信號處理”課程教學改革［J］.工業和信息化教育，2022（110）：64-66.

［4］王世勇，董瑋，鄭俊生，等.基于工程教育專業認證標準的畢業生畢業要求達成度評估方法研究與實踐［J］.工業和信息化教育，2016（39）：15-22.

［5］楊長生，梁紅，曾向陽.基于“高階思維”理念的“數字信號處理”課程設計［J］.高等工程教育研究，2020（2）：160-164.

Analysis on Curriculum Objectives Achievement Status of First Class Curriculum

“Digital Signal Processing”

ZHU Jun ， JIANG Fang， GUO XIAO-Jing

（School of Electronicamp;Information Engineering， Anhui University， Hefei， Anhui 230601， China）

Abstract： The course system applicable to the certification of engineering education major includes the basic engineering courses， professional basic courses and professional courses that meet the graduation requirements of the major. “Digital Signal Processing” is a basic professional course for electronic information majors. This paper gives the supporting relationship between the course objectives of “Digital Signal Processing” and the course objectives， and the course objectives support the graduation requirements index points 2-3 and 3-2 respectively. According to the requirements of engineering education professional certification， the assessment method of the course is clearly defined， the achievement of curriculum objectives in a class of communication engineering majors is analyzed， and student-centered improvements are suggested. After the improvement， students can select the digital filtering system parameters and design the schemes according to the performance requirements， and have the ability to use modern tools to conduct system simulation analysis， optimize the system performance and expand the system functions.

Key words： digital signal processing; curriculum objectives; graduation requirements; first class curriculum