基于目标驱动的数字信号处理课程模块化教学改革

李继猛　谢平　江国乾　林洪彬　杜义浩

[摘要]结合测控技术及仪器专业培养需求及教学改革现状，以学生创新实践能力综合培养为目标，针对测控专业数字信号处理课程教学活动中存在的问题与不足，基于CDIO理念提出了“基于目标驱动的数字信号处理课程模块化教学改革”新思路。该教学模式构建了由课堂讲解、MATLAB作业、综合实验、课堂讨论、项目设计等环节构成的模块化教学体系，通过建立课程培养目标能力需求，强化重点内容，引导学生进行自主探究式學习；通过设定问题和目标引导学生自主实践，培养其学习兴趣和主动学习能力。这种教学模式将理论教学和实践教学有机结合，以锻炼学生综合应用所学知识解决信号处理相关问题的能力，增强学生团队协作及合作交流能力，实现学生学术理论素养和创新实践能力的综合提升。通过两年的教学改革实践，在教学质量改善和学生综合能力提升等方面取得了良好效果。

[关键词]CDIO；模块化教学改革；项目式教学；数字信号处理

[中图分类号]G642.0；G420 [文献标识码]A [文章编号]1005-4634（2016）04-0061-05

0 引言

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，代表构思（Conceive）、设计（De-sign）、实现（Implement）及运作（Operate），以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式进行学习，培养学生解决实际工程问题的能力。目前，我国工科的教育实践尚存在以下问题：重理论轻实践、强调个人学术能力而忽视团队协作精神、重视知识学习而轻视开拓创新能力的培养等问题。因此，根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要》，教育部启动了工程教育改革“卓越工程师教育培养计划”，构建符合中国特色的工程人才培养模式。现在越来越多的工程院校开始关注应用性高层次工程技术人才的培养工作，并推行实施了一系列教学改革，取得了良好效果。

数字信号处理是为电子信息工程、测量与仪器仪表、自动化等专业学生开设的专业基础课，旨在使学生正确掌握测试信号的采集、变换、分析及处理等基本原理与方法，并应用于工程实际。而该课程理论性较强，基本原理与数学概念抽象，学生在被动接受的情况下不易理解、难以实现灵活运用；而且，实践教学作为该课程的重要组成环节，很多高校未能将理论教学与实践教学有机结合，而是单独设置，使得学生难以将理论应用于实践，实现专业知识的工程化。因此，数字信号处理作为理论性和实践性要求均较强的一门综合课程，如何有效组织理论教学内容并适当增加实践环节，使学生打好理论基础的同时提高应用技能，实现“做中学”是值得探讨和解决的关键问题。

为此，针对测控专业的授课体系和学生的知识架构，燕山大学自2003年起对该课程的教学手段和教学方式进行了系列改革，编写了配套教材，并结合多媒体教学和网络教学平台，丰富课堂教学内容和课下自主学习模式，提高教学质量和教学效率。2013年，随着CDIO教学模式的探索和相关教学改革项目的实施，提出了一种基于目标驱动的数字信号处理课程模块化教学模式，以满足测控技术与仪器专业的培养需求。这种教学模式将理论学习和实践训练有机结合，培养学生独立思考、分析和解决问题的能力，增强学生间合作和沟通技巧，锻炼综合实践能力和创新能力，从而提高学生的“CDIO”技能。

1 基于CDIO理念的教学改革直大力支持并推广开展工程教育改革与创新、CDIO教学模式的实践与探索等工作，工程教育课程体系中的核心课程均采用基于CDIO理念的项目式教学，将理论学习和项目实践有机结合，着重从工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力等4个层面培养高层次工程技术人才。在此背景下，针对燕山大学测控专业数字信号处理课程的教学现状，本文提出了基于目标驱动的数字信号处理课程模块化教学改革模型，如图1所示，即分别按照CDIO的不同阶段和完成设定任务的具体过程（调研、讨论与分解、设计与分析、实现与评价），搭建由“课堂理论教学一MATLAB作业”和“综合实验-课下查阅”和“课堂讨论一项目综合实践构成的模块化教学及实践模型”。基于该教改模型，数字信号处理课程将课堂教学与项目实践有机结合，为学生提供更多接触信号处理领域工程实际问题的机会，让学生运用所学理论知识去解决实际工程问题，并通过提问、讨论、分析和实践等方式使学生更好地理解掌握课程课堂教学内容，“学”为“做”提供指导，“做”为“学”提供验证，实现“学”与“做”的交叉互动。通过该课程的教学改革，培养学生自主学习和独立思考的能力、分析和解决信号处理相关实际问题的能力，锻炼学生的CDIO技能，提高学生的综合素质。

课程教改实施的首要前提是教学体系的构建，即教学内容组织和教学方式调整，基于图1中教学改革模型展开的数字信号处理课程模块化教学改革体系如图2所示，即将理论教学和实践环节有效统一于教学体系下，并与课程培养目标达成一致。

1.1 能力目标设定和教学体系构建

1.2 教学内容组织和教学方式调整

目标驱动式教学出发点是以专业能力培养的目标需求为导向，构建课程知识体系和实施方式，即分别以知识目标、能力目标和情感目标3方面构建本课程的教学目标和组织方式。在此基础上，按照模块化教学改革模型修订课程教学大纲及教学计划，完善教学体系和教学内容设置；以实践能力培养为导向，增加课程讨论、项目作业等实践环节学时，并与现有实践环节有机结合、统一调整，形成基于CDIO的模块化教学体系。

与通信工程等专业不同，测控专业数字信号处理课程的定位是：在学生没有“信号与系统”先修课程的基础上，以离散时间信号与系统分析及设计为主线，适当补充连续时间信号与系统的相关知识，并注重理论教学和工程实践能力培养的有机结合，实现知识到能力的整合及迁移。教学内容组织和教学方式改革遵循以下原则：（1）知识的系统性和对称性（如连续和离散、时域和频域、各种傅里叶变换等）；（2）理论和实践有机结合（理论讲解和工程实例、习题解答和大作业实践）；（3）课堂讲授和自主学习相结合（知识主线学习和项目实践）。基于上述原则确定各专业知识点和教学内容的组织方式，实现课堂讲授及讨论、课程实验和项目实践的灵活教学组织。同时，根据本课程教学重点及实际应用背景，确定符合专业背景的工程应用实例和学生实践题目，并按预定安排和实现方式予以实施。

1.3 模块化教学模式

基于CDIO的目标驱动式教学改革模式的核心是各教学模块的灵活实现及有效结合，教学过程体现为以理论教学和实践教学两条线索相互贯穿互为支撑，使学生在“学习一思考一实践”的有机结合中培养其分析问题和解决问题的综合能力。图3所示为模块化教学体系的组织方式。

1）理論教学。理论教学是课程的基础，针对数字信号处理课程教学内容的抽象性特点，在理论教学中采取以下教学方法。（1）突出知识线索：注重核心知识点的深入讲解，强调三个突出，即重点突出、线索突出、导引突出；注重知识对称性讲解（时-频、连续-离散）和连贯性讲解（不同FT变换及Z变换等）；（2）采用理论推导、实例分析及演示、案例教学和前沿介绍相结合的方法，帮助学生加深对信号处理关键知识点及应用方法的理解；（3）针对重点问题布置课下作业和讨论题目，引导学生针对某一任务目标进行课下查阅、MATLAB软件设计及自主学习，并为后续项目实践环节做铺垫。

2）项目式教学。在理论教学的同时，针对课程需要重点掌握的核心知识点，如信号的频域分析、数字滤波等问题，设定符合工程应用背景的典型应用问题和实践题目，并按照课下查阅、课堂讨论及汇报、项目设计等环节予以实施。针对教学内容中的重要理论知识，选取具有一定工程意义且普遍关注的问题作为讨论题目，例如：（1）MH370黑匣子与信号处理；（2）“因声辨人”中蕴含的信号处理知识及其相关原理等，以小组合作的方式开展课下查阅和分析，引导学生运用所学知识分析实际问题，通过汇报、答辩交流及教师点评等方式，加深对所学理论知识的理解，实现循序渐进式学习，同时培养学生分析和解决问题的能力、信息加工及语言表达能力和团队协作能力。在对信号处理某一应用问题及原理等相关题目进行分析研讨的基础上，将已经开展的MATLAB作业进一步扩展为项目设计，同时与实验环节有机衔接，构成本课程的项目实践环节。本课程开展的模块化教学改革及项目实践过程见图4。可见，该模块化教学方式既体现了“以学生为主体、以教师为辅助”的互动教学过程，又将构思、设计、实现及运作的CDIO理念有机整合于目标驱动式教学环节中。通过这种模块化项目教学方式的有效实施，学生初步掌握了运用所学知识解决信号处理相关问题的软件设计能力，具备对实验数据的分析和解释能力，也培养了学生解决工程问题的思维能力和合作交流能力。

3）教学考核方式。为提高学生的综合素质，培养创新精神，考核采用多环节综合评定的方式。本门课程的考核由6部分组成，分别为平时出勤成绩（5%）+作业成绩（10%）+讨论课成绩（0%）+三级项目成绩（15%）+实验成绩（10%）+结课考试成绩（50%），实验成绩由实验出勤（60%）+实验报告（20%）+实际操作（20%）组成。每个学生本门课程的总成绩为该生所得上述6部分成绩之和。试卷命题以教学大纲和教学要求为中心，以教学中的重点内容为主线，既注重基本内容及实际应用，又包含综合分析，覆盖每一章的知识重点，以体现学生的综合素质，提高了教学效果。同时，建立了一套基于调查问卷的反馈评价机制，针对教师的授课内容、授课方式、讨论课题目和组织方式、三级项目实施效果等进行问卷调查，归纳总结并及时修正教学改革中的不足，如实验成绩中出勤所占比重较大，弱化了学生动手操作和报告撰写能力在考核中的权重，所以，在后续教学活动中，将实验成绩分布调整为出勤（20%）+实验报告（40%）+实际操作（40%）。通过这种不断的总结和调整，逐步实现课程改革的最优化。

3 结论

为检验教学改革实施情况和实际效果，分别对教学改革前（测控技术与仪器专业2008、2009级各50人）和教学改革后（测控技术与仪器专业2010、2011级各50人）就数字信号处理课程的学习情况进行调查。调查结果如图5所示。结果表明，通过结合工程背景的理论教学，使学生对理论学习的满意程度由改革前的75%提高至改革后的85%：85%的学生认为这种教学方法有助于理解课程中的基本概念和方法：75%的学生认为这种教学方法中的课程实验加深了对理论学习内容的理解：80%的学生认为这种基于CDIO的实践教学方法对本课程的工程实践具有启发作用；75%的学生认为这种模块化的教学方法有助于学生对课程内容体系的理解；超过80%的学生认为自己发现问题、文献查阅与分析、解决问题、团队协作等能力得到了显著提升。

针对目前数字信号处理课程教学过程中存在的问题与不足，提出了一种基于目标驱动的数字信号处理课程模块化教学改革新模式，将数字信号处理课程中的理论教学与项目实践有机结合，建立了由课程培养目标、课堂讨论、综合实验和工程实践等构成的模块化教学和实践系统，在强调学生理论基础知识的同时，注重培养学生的理论应用能力、团队合作能力及工程系统能力，并取得了良好效果。这种教学改革模式将理论学习与实践训练相结合，培养学生独立思考、分析问题与解决问题的能力，加强合作和沟通技巧，促进综合实践与创新能力，有助于高层次工程技术人才的培养。