新工科背景下构建多体系融合的信号处理类课程群教学新模式

刘庆玲 关立新

摘要：本文分析了信号处理类课程群的教学现状，并在新工科背景下针对工程类人才培养的新要求，构建了多体系融合的信号处理类课程群的教学新模式——教导并举互动融合的专业知识培养体系、“四平台，一基地”多层递进的实践能力训练体系、灵活多样的课程考核评价体系，树立学思结合的学习观、学用结合的教育观，真正实现了以提升学生能力为核心内容的培养目标，满足了新工科以及应用型转型的基本要求。

关键词：新工科；信号处理类课程群；多体系融合；教学；改革

中图分类号：G642 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2018）17-0086-04

引言

目前，工科类专业的人才培养存在很多弊端，集中表现为无法与实际接轨。因此，基于“面向需求，创新机制，强化实践，协同育人”的理念和思路，笔者所在学校以信息工程专业信号处理类课程为突破口，提出构建以突出学生能力培养为核心内容的教学新模式，努力提升学生的工程实践能力，满足新工科以及应用型转型对工程类人才的基本要求。[1-3]

信号处理类课程是信息类专业知识体系的核心组成部分，是本科生重要的专业基础课。笔者结合所在学校信息工程专业的课程设置以及与相关课程的横向联系，提出“信号与系统”“数字信号处理”“DSP原理与应用”和“图形图像处理”四门课程构成信号处理类课程群。这四门课程知识点相互交叉覆盖，但又有着不同的侧重点与表述方式，构成了一个相互联系的课程群体系。该体系不仅涉及到信号分析与处理的整套理论，而且更注重运用信号处理的相关理论解决工程领域中的实际问题，对其教学模式进行改革与探索，具有重要的意义与应用价值。

信号处理类课程群教学模式中存在的问题

信号处理类课程群具有承上启下的作用，是联系工程数学中相关理论与工程实践的具体应用之间的桥梁，能够培养学生的理论分析能力和实践创新能力。分析目前的教学模式，问题集中表现在如下几方面。

1.课程体系结构不完善

各门课程与学科内部的关联性没有得到很好的把握，致使各课程的内容过分独立，课程体系在专业培养中的整体效应没有得到充分发挥，使学生不能正确理解整个课程体系及其在实践中的重要意义。

2.現有教学模式陈旧

目前通常是采取课堂理论讲授为主的教学模式，不能有效地将新的教学方式、软硬件资源（仿真方法）与课程内容进行有机结合，教学理念和教学设计思路落后，课程群各课程的知识得不到有效融合与贯通，难以达到预期的教学效果。[4-5]

3.实践环节形式化

目前，大多数普通工科院校的实践教学环节通常是以利用实验箱实现基础的验证型实验为主，训练方法陈旧，实验内容单一，趋于形式化，不能真正发挥实践的真正作用，也很难调动学生的积极性，更不能发挥学生的创造性。[6-9]

4.课程考核形式单一

现有的考核方式通常采取期末闭卷的方式，平时成绩虽然占一定的比例，但差距不大，造成学生只注重最后的理论考核成绩，忽视平时的学习过程。另外，目前考核中几乎没有体现实践环节。

解决措施

针对上述问题，不同地方工科院校针对信号处理类课程群的教学模式进行了不同形式的改革与探索，地方普通师范类院校有着不同于工科院校的环境与特点，因此，笔者所在学校根据自身特点，融入新工科教育的新理念，以培养学生实践能力、提升创新创业能力为核心目标，对信息工程专业的信号处理类课程群的教学模式进行了探究与改革。

1.构建信号处理类课程群模块化交织的课程体系

信号处理类课程群主要涉及四门课程，分别是“信号与系统”“数字信号处理”“DSP原理与应用”与“图形图像处理”。其中“信号与系统”“数字信号处理”是两门联系紧密的专业基础课，是信息类专业重要的核心课程，构成信号处理类课程中的基础模块；“数字信号处理”与“DSP原理与应用”是课程相关理论实现的硬件平台，构成信号处理类课程的实践模块；“图形图像处理”是信号处理理论与实践的具体应用，组成应用模块。高等数学、复变函数等数学类课程群以及电路分析基础是信号处理类课程群的前期基础课，为信号处理类课程群提供必要的理论支撑，Matlab程序设计与仿真系统讲授建模和仿真的基本方法，能够将连续、离散信号的系统处理过程与处理结果以直观的形式展现在学生面前，为信号处理类课程群提供必要的软件平台。三个模块以重视基础理论、强化软硬结合、突出实践应用为主线，构成纵向传承、横向互补的模块化交织的专业课程体系。

2.构建多体系融合的信号处理类课程群教学新模式

（1）构建教导并举、互动融合的专业知识培养体系

①整合课程内容，优化教学资源。

信号处理类课程之间不同程度地存在交叉与联系，任课教师通过集体研讨，对课程的重叠部分做出科学合理的分配，避免重叠部分在不同课程授课中多次出现，造成教学资源的浪费，同时很好地协调了课程的衔接部分，使课程按照进度有序进行，确保取得好的教学效果。

②多种教学方式融合。

根据课程的特点或者是某个章节的内容，合理采用灵活多变的教学方式，如任务驱动法、问题导向法、项目教学法等，变教师为主体为学生为主体，变灌输课堂为对话课堂，变继承学习为创新学习，变知识获取为能力培养，注重培养学生自主思考、自主探究、自主学习的学习习惯。

以“信号与系统”为例，在传统讲授的基础上，可采用案例导入、专题讨论的形式，引入日常可接触到的信号处理系统（如接打电话的过程），先让学生对该过程有一定的认识和了解，接着组织学生分组讨论，分析接打电话过程中涉及到哪些信号处理的基本过程，然后进行集中总结讲授。通过这种形式，学生有了学习的兴趣与求知的欲望，学习效率得到提高。

③理论教学与仿真融合。

“信号与系统”与“数字信号处理”课程涉及连续、离散信号与系统的基本概念以及时频分析的基本理论，其特点是概念抽象、理论强、难理解，借助Matlab的平台优势，采取理论讲授与Matlab仿真结果相融合的方式，能够将很多抽象、枯燥的理论直观地呈现给学生，弥补理论教学的不足。

以“数字信号处理”为例，离散傅里叶变换（DFT）一直以来都是该课程的重点和难点，在讲述离散傅里叶变换在频谱分析中的应用这部分内容时，学生总是难以理解计算分辨率、物理分辨率的概念，将Matlab仿真引入课堂，能够起到事半功倍的效果。

例如，采用Matlab，对信号不同的截短以及信号补零得到的频谱仿真结果如下图所示。

Matlab仿真与理论教学相融合，使原本很抽象的问题变得清楚、易懂。同时在演示过程中，能够增强教师与学生之间的互动，使学生由被动变主动，大大改善了教学效果。

（2）构建“四平台，一基地”多层递进的实践能力训练体系

①四平台建设。

基础教学实验平台：主要完成每门课程的基础型实验，与课程的理论教学相呼应，加深学生对相关理论知识的理解与掌握，同时培养学生基本的实践技能。

综合实验实训平台：完成一类课程的综合设计型实验（信号分析与处理综合实训）、相关课程设计（DSP原理及应用、图形图像处理）以及毕业设计等环节，要求学生在教师所给范围内，完成自主选题、自主设计、自主实践、自主展示的整体过程，培养学生发现问题、分析问题、运用所学知识解决问题的综合能力。

学科竞赛平台：以校级、省级、国家级竞赛为依托，建立专业基础、学科特色、综合素质相结合的学科竞赛体系，着力培养学生的综合实践与创新能力。

科研创新平台：选择能力较强的优秀学生进入教师的科研团队，进行个性化培养，接受较为严谨的科研工作训练，参与大学生创新创业项目的申报、设计、实践的整体过程，初步培养学生的科研素养以及从事科研工作的初步技能。

②实习基地建设。

校外实习实训基地：依托企业，搭建校企联动的创新创业实习实训基地，让学生走出去，深入到企业中，了解企业文化、项目运作和管理的模式，了解就业需求和岗位素质的基本要求，提高学生的专业技能，同时增强学生的就业竞争力。

以培养学生实践创新能力为目标，同时融入CDIO工程教育的理念，搭建上述多层递进的实践教学体系，实施从单门课程实验到课程群系统综合设计，再到课外参与科研课题的阶梯式推进，实现验证型—设计型—综合研究型实践的多层面结合，完成从简单到复杂、从单一到综合的实践教学过程，符合新工科人才培养的基本要求。

（3）構建灵活多样的课程考核评价体系

考核是对课程建设及教学质量评价的重要手段，也是提高学生学习积极性和开展创新教育的重要手段。针对课程特点，实行课程考核方式的改革，是教学改革与实践的重要内容。

①加强平时过程考核的具体化。

为了使学生注重平时的学习过程，提高学习质量，培养学生良好的学习习惯与自我管理能力，笔者所在学校加强了对平时成绩的考核，做到考核的具体化，包括出勤、课上回答问题、课堂测试、作业完成情况等方面，每方面给出具体分数，定期总结，最终给出客观真实的平时成绩，真正反映学生平时的学习状态。

②增加对实践教学环节的考核。

信号处理类课程群是实践性很强的课程，实践能力的考核是对学生考核很重要的一方面，增加实践考核环节，给出综合设计型选题的方向，要求学生以组为单位，完成自主选题、自主设计、自主实现、自主报告的全过程，按照评分标准给出实践成绩，最终以一定的比例计入期末成绩中。

③合理调整各项考核比例。

课程最终成绩包括平时成绩、期末成绩以及实践成绩，根据课程特点及考核采取的具体形式，教师具有一定的调整各项成绩比例的权限（在学校规定的各项比例的前提下），同时写出调整理由的书面报告。这样可以强化考核学生学习的过程性，淡化期末理论考核，可以充分调动学生自主学习的积极性，有利于教师深入开展教学活动，提高教学效率。

上述考核机制的改革，充分体现信号处理类课程群的教学特点，打破以往单一的理论考试的模式，实现能力化、多元化、过程化的课程考核新机制，不仅考查学生对理论知识的掌握与理解，更注重考查学生运用知识解决实际问题的基本能力、实践操作能力以及文字表达与综述的综合能力，真正实现对学生综合能力的评价与考核。

结束语

新工科背景下，基于应用型转型对工科人才培养的基本要求，笔者所在学校对师范类院校信息工程专业信号处理类课程群的教学模式进行探究，充分考虑课程的特点，提出教学模式的改革。建立模块化交织的信号处理类课程体系，构建多体系融合的教学新模式，更新教学手段，打破教育资源的局限性，突出实践教学环节，实现考核的全面性。新的教学模式注重以学生为中心，教师为引导，注重学生个性化、多样性的学习需求，形成了教学目标明确、层次结构合理、教学重点与特色突出的信号处理类课程群教学新模式，促进了教学质量的提高以及学生的工程实践能力与创新创业能力的提升。

参考文献：

[1]郭冬岩，申志永，袁素娟.基于创新型人才培养的工程教育实践教学改革研究[J].工业技术与职业教育，2014，12（2）：53-55.

[2]仇大伟，刘静，马志庆.“信号与信息处理”课程群的建设实践[J].信息技术与信息化，2017（6）：116-117.

[3]李敏通，赵继政，吴婷婷，等.信号处理类课程群课程体系建设与教学改革探讨[J].高教学刊，2015（14）：90-91.

[4]张安清，林洪文，陈洪泉.《数字信号处理》课程教学改革与方法研究[J].高等教育研究学报，2013，36（4）：113-115.

[5]郭建涛.“数字信号处理”课程的Matlab教学研究[J].电气电子教学学报，2010，32（3）：117-119.

[6]王艳芬，张剑英，张晓光，等.信号处理课程群实验教学体系的构建[J].实验室研究与探索，2013，32（4）：132-134.

[7]赵东旭，孙立权，杨建梅，等.工科类综合型专业实验教学设计的新模式[J].实验室研究与探索，2016，35（7）：214-217.

[8]朱金秀，张卓，朱昌平.数字信号处理课程实验教学研究与实践[J].实验室研究与探索，2008，27（5）：96-98.

[9]陈姿羽，喻德旷，杨丰，等.信号处理类课程教学实验改革之探讨与实践[J].科教导刊，2017（22）：111-112.

作者简介：刘庆玲（1970.12—），女，河北唐山人，教授，博士，主要从事信号处理类课程的教学与研究。

基金项目：本文系河北省高等教育教学改革研究与实践项目（编号：2017GJJG191）的研究成果。