面向科研創新的“數字信號處理”實驗改革探索

韓素雅，朱政宇，郝萬明

（鄭州大學 電氣與信息工程學院，河南 鄭州 450001）

引言

近幾年來，新工科［1］概念受到了高等教育界的廣泛關注。新工科建設重點關注學生培養模式的創新，注重理論探索、教學實踐與科學研究的結合。以學生為中心，以科研探索為導向，以學生學習產出為指導方針，著重培養學生的創新精神和科學實踐能力。黨的二十大強調“科技強國”“人才強國”及“創新在我國現代化建設全局中的核心地位”［2］。創新引領發展，科研實現人才強國戰略。19世紀初，著名教育學家威廉·馮·洪堡（Wilhelm von Humboldt）提出了將教育與科研相結合的理念，科學研究以創新為導向，重在激發學生的專業興趣，從而提高教學質量［3］。然而，當前“科研與教學統一”的思想還處于理論嘗試階段，并未實際運用在課堂。工程教育以學生為中心，旨在引導學生運用理論知識解決實際問題，注重對學生解決復雜工程問題能力的培養［4］。眾多高校在各專業開展以教學促進科研、以科研反哺教學的嘗試［5-7］。

“數字信號處理”［8-9］是電氣信息類學科的一門專業基礎課，是“數字圖像處理”“計算機視覺”等課程的基礎，對促進數字化的發展有重要作用。實驗是“數字信號處理”課程的重要組成部分，是連接理論與實際的橋梁，目的是通過實驗培養學生運用理論知識解決實際問題的創新思維方式和獨立思考能力。

一、現狀分析

實驗課程的目的是使學生能夠掌握并應用數字信號處理技術解決實際問題。隨著全球數字化信息化的飛速發展，課程內容更新慢，實驗課程內容簡單，與理論發展和社會實踐脫節。簡單的課堂講解和實驗復刻導致學生課程參與度不高，分析和解決問題的能力沒有得到鍛煉，甚至有個別學生在課程結束后不能靈活使用MATLAB編程的基礎知識。課堂驗收無法做到精細化管理，較難把握學生的實際進度；實驗報告格式千篇一律，缺乏真正的實踐理解與總結，背離了開設實驗課的目的和初衷。綜上分析，主要原因有以下幾個方面。

1.實驗課程內容設置簡單。目前數字信號處理實驗內容和題目根據課程設計安排，以課程理論的驗證和簡單應用為主。簡單套路化的課程內容缺乏創新性和時效性，對學生理解、應用、獨立思考方面鍛煉不足。

2.實驗教學形式單一。實驗內容跟隨理論課程進度，方便學生對理論知識點的理解、驗證和應用。學生在實驗中可能遇到的絕大多數問題可以通過教師的講解和演示解決，還原實驗結果可參考教材，但降低了學生主動思考、學習的積極性。

3.考核方式固化。實驗課成績由三部分組成：出勤率、實驗完成情況和實驗報告。因實驗內容經久不變，學生可輕松地在網絡或教輔資料中獲取實驗代碼和結果。格式化的實驗報告，導致學生的自主學習能力和實驗操作水平較難評估。

4.實驗報告格式單一。傳統實驗報告主要包括：實驗目的、實驗原理、實驗內容及結果、實驗總結與思考。實驗課文件中有實驗目的、原理和內容，很大程度上降低了學生思考、實踐、學習以及總結的積極性。

本文以“數字信號處理”實驗課程為例，針對課程中存在的問題，提出面向科研創新的實驗課程改革方案。必須重視新工科工程教育背景下的實驗教學工作，以學生為中心，培養學生創新和獨立解決實際問題的能力。以簡單的實際科研應用為基礎新增實驗內容，培養學生應用理論知識解決實際問題的能力。引導學生對實驗內容進行創新，鼓勵學生閱讀相關研究論文。將科學研究的創新精神融入實驗教學，激發學生的專業興趣，增強學生的自主創新意識，提高教育教學質量。

二、改革內容

本文面向科研創新理念的“數字信號處理”實驗改革，按照新工科背景下工程教育對“數字信號處理”實驗課程質量的要求標準，響應黨的二十大科教興國、人才強國、創新驅動發展戰略，將教學實踐與科研創新相結合，培養學生應用研究、創新思考、分析總結的能力。分別針對當前存在的實驗課程的內容設計簡單、教學形式單一、考核方式固化以及實驗報告格式單一等四個問題進行改善，形成“數字信號處理”實驗管理框架，如圖1所示。

圖1 “數字信號處理”實驗管理框架

為有效培養學生獨立創新、工程實踐、國際交流能力和科研創新素養，根據實驗課程的基本情況，結合實際教學特點，具體的改革內容包括以下幾方面。

1.加強課程內容設計，避免出現內容過于簡單，導致學生參與度低的情況。近年來，課程多采用線上與線下結合的方式，這對于自律和自學能力強的學生影響較小，但無法保證積極性不高的學生的學習質量。對此，需要加強課程內容設計，提高學生的學習積極性，引導學生了解相關科研領域，鼓勵學生創新拓展。為不同層次學生設計不同的難易程度，避免出現簡單陳舊的內容。為避免線上學習或團隊實驗降低學生對課程的重視程度，設計了特殊的互動環節，提高學生的自我學習能力，加強學生對“數字信號處理”實驗課程的重視程度。

2.教學形式注重多樣化，避免枯燥授課。教學是教師向學生傳遞信息的重要途徑，為達到高質量的授課效果，對課程教學形式的多樣性和趣味性提出了更高的要求。在開展實驗課程前引導學生了解相關理論的國際新進展，鼓勵延伸實驗，充分調動學生創新的積極性。注重教學形式的多樣化，掙脫課程內容的枷鎖，圍繞知識點展開實際應用舉例，增加趣味小實驗，介紹國內外相關領域的研究現狀，將科研實踐融入教學活動，保證學生對知識點的理解和掌握，并積極引導學生創新應用。

3.多維度考核，注重實際教學產出。考核作為課程設計的重要環節，可以檢驗學生對課程內容的學習掌握情況，了解授課效果，總結授課經驗。現有的簡單固化的實驗課程考核方式，較難評判學生的實驗能力與實際掌握情況。因此，需要考慮進行多維度考核，可以在確保課堂實驗完成度的基礎之上增加互動驗收環節，在增強師生互動的同時，有助于教師深層了解學生的學習效果。另外，也需要注重實際教學成果的產出，提高學生運用實驗理論解決相關實際問題的能力。

4.重新設計實驗報告格式及內容，提升學生獨立思考和總結歸納能力。實驗報告是實驗課程的重要輸出物，固有的實驗報告中實驗目的與原理的內容已在課本中詳細給出，限制了學生的主觀能動性以及獨立思考能力。因此，需要在現有的實驗報告格式以及內容上進行改革，促使學生發揮主觀能動性，積極主動地解決問題。另外，可以添加對相關領域國內外研究現狀的了解并進行高質量的總結，學習整理歸納知識，有助于培養學生的科研能力和創新思維。

三、實踐探索

本文將根據“數字信號處理”實驗課程的具體要求，結合目前梳理出的改革內容，提出如下具體改革措施。

1.理論聯系實踐，培養學生的創新能力。電子信息類專業要求畢業生具備扎實的理論技術與突出的實踐創新能力，能適應社會相關行業的需求。課程內容設計直接影響學生創新實踐能力目標的達成，結合當下數字信號處理國內外研究現狀及在工程中的應用，加強課程內容與實際的聯系，添加難易適中的應用實例實驗。數字信號處理實驗主要包括采樣、頻譜分析、濾波器設計和綜合實驗等，課程內容以小實驗單獨呈現，缺乏連續性和承接性，不利于對模擬信號數字化處理過程的理解。可根據最常用的語音信號處理過程設計實驗內容，通過對語音信號的采樣、頻譜分析、加噪、去噪、檢測等實驗內容，使整個模擬信號的數字處理過程相聯系，加深學生對理論知識的理解及應用。也可以讓學生自己生成模擬信號并對其進行數字域處理，鼓勵學生實踐創新，實現更有意義的信號處理過程。整個實驗課程內容不僅增加了趣味性，還能夠提高學生對數字信號處理技術在工程應用中的認識。

2.增強師生互動，提升學生的課堂參與度。通常實驗課教學過程主要分為課前、課中與課后三個階段。課前教師可以先整理一到兩篇與課程實驗內容相關的小論文，提前一節課發給學生，讓他們嘗試閱讀理解并重現論文中相關理論的實際應用。引導學生根據實驗內容對理論知識解決現實問題的情況進行思考，并主動了解國內外相關理論的研究現狀，培養研究思維。在課上，學生根據預習思考的總結與教師討論實驗創新內容，在課上探索創新應用實驗，并將課堂實驗收獲與教師分享討論。

3.多維度考核，注重實際產出。現階段的各類實驗課考核指標主要由以下三個組成部分：出勤、實驗完成度、實驗報告。在信息高度共享的新時代，學生課前可通過網絡獲取所有課程內容所需代碼，直接運行即可完成課堂實驗驗收，在實驗結果相同的情況下，實驗報告總結內容區別甚微。據此，學生學習和實踐能力很難被評判，需要建立多維度考核標準。除舊的考核項目外，可添加課堂表現、拓展問答、實驗創新等環節，對思維比較活躍、對理論理解比較透徹、對研究現狀比較了解或創新產出較豐富的學生給予高分鼓勵。

4.重新設計實驗報告格式，提升學生獨立思考和總結歸納能力。獨立思考和總結歸納能力是科研能力中比較重要的兩個部分，需要長時間地投入和培養。通用的實驗報告包括實驗目的、實驗原理、實驗步驟與實驗結果等部分，一定程度上限制了學生獨立思考的能力。為鍛煉學生的總結歸納以及報告整理能力，實驗報告可借鑒科研小論文的形式，為畢業時的大論文及有興趣繼續從事科研的學生打好基礎。

結語

針對文中“數字信號處理”實驗課程存在的問題，本文提出面向科研創新的實驗改革方案。添加實際應用實驗內容，培養學生應用理論知識解決實際工程問題的能力；引導學生對實驗內容進行思考和創新，鼓勵學生閱讀相關研究論文，授課教師全程參與課內外指導交流；設計多維度的考核方案，加強學生對理論的思考，鍛煉學生的分析表達和思考總結能力。