应用型本科数字信号处理混合式教学研究

任国凤，付建梅，荀燕琴，史慧敏

应用型本科数字信号处理混合式教学研究

任国凤，付建梅，荀燕琴，史慧敏

（忻州师范学院 电子系，山西 忻州 034000）

为了培养满足国家经济建设需求的应用型电子信息人才，适应信号处理学科在人工智能领域的应用实际，以培养学生自主学习能力和创新创业精神为引领，开展了数字信号处理课程的混合式教学模式探索．教学实践表明，混合式教学模式的应用对提高学生成绩和激发学生的学习兴趣很有助益，可以更好地培养学生的创新实践能力，满足应用型人才的培养需求．

混合式教学模式；数字信号处理；应用型本科

伴随着人工智能等现代信息技术的飞速发展，全球掀起了产业发展和创新创业的浪潮[1]．为了主动应对信息技术变革和产业技术革命，我国在《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020）》中明确指出：高等教育要主动适应国家和区域经济社会发展需要，建立动态调整机制，不断优化高等教育结构；优化学科专业、类型、层次结构，促进多学科交叉和融合；重点扩大应用型、复合型、技能型人才培养规模[2]．因而，培养适应经济社会需求和信息技术发展的应用型人才[3]成为高校应用型工科专业的重要目标．

数字信号处理是电子信息类相关专业理论与实践并重的专业课程，它上承数学物理方法、信号与系统等专业基础课程，下接语音信号处理、图像信号处理等专业前沿课程，在整个专业体系中拥有举足轻重的地位．因此，数字信号处理课程的教学模式必须满足学生自主学习能力培养，顺应应用型人才培养的大势．

1 应用型本科数字信号处理课程的剖析

1.1 数字信号处理课程内容分析

数字信号处理是一门兼具信号处理理论知识和设计应用的课程，既要求学生深刻掌握时域离散信号的时频域分析方法，还要求学生学会用时频域分析的方法解决语音及图像信号领域的简单问题，其知识体系见图1．

图1 数字信号处理课程体系

由图1可知，数字信号处理的内容由时域分析和频域分析2部分组成．其中，频域分析中涉及的傅里叶变换、Z变换以理论研究为主，离散傅里叶变换搭起了时域离散信号实际应用与理论研究之间的桥梁，快速傅里叶变换为信号处理的计算机实现提供了可能．

1.2 应用型人才培养对教学方法的要求

电子信息应用型人才的培养目标是培养适应信息产业发展和创新创业环境的创新型复合人才[4-5]，这对数字信号处理的教学方法提出了一定的要求：

（1）突破单一课程教学内容的桎梏，以学科知识体系及信号处理实际问题为落脚点，开展研究性教学；

（2）建立理论和实践紧密衔接的教学体系，注重知识的外延性和应用性；

（3）结合信号处理的前沿技术，引入“线上+线下”的教学模式；

（4）灵活设计课程考核模式，突出过程性考核，培养学生的创新性．

2 数字信号处理混合式教学模式

2.1 混合式教学模式的理论

混合式教学模式是一种线上学习与线下学习相结合、多种教学方法融合的现代教学模式[6-7]．该模式以学生为中心，依据既定的教学目标，根据教学内容的不同特点，采用不同的教学方法，实现教学效果的最优化．

本文涉及的混合式教学模式为广义教学模式，并非简单的线上线下简易叠加，其具体内容包括：（1）各类教学资源的优化组合，如PPT、音视频、虚拟仿真实验、硬件实验平台等；（2）多种教学方法的综合应用，如项目式教学法、研究性教学法、探索性教学法和案例教学法等；（3）多种教育理论的融合与实践，诸如建构主义、SPOC（Small Private Online Course，小规模限制性在线课程）[8]模式、CDIO[9]（Conceive，Design，Implement，Operate）模式和“互联网+”等；（4）以过程性考核为重点的复合评价模式．

2.2 数字信号处理混合式教学的设计思路

作为理论与实践并重，创新与应用兼修的课程，数字信号处理混合式教学的开展必须充分应用多种教学模式，遵循以学生自主学习能力培养为中心的理念，针对不同的教学内容采用不同的教学方法，具体思路：

（1）时域离散信号的时域分析部分采用以学生为主的探究性教学方法，结合信号与系统课程中的相关知识，对比研究．

（2）时域离散信号的频域分析部分采用思维导图的方式，充分培养学生的自主学习能力，在分别研究序列的傅里叶变换、周期序列的离散傅里叶级数和傅里叶变换及Z变换的同时，关注三者间的转换关系，帮助学生建立频域分析法的模型结构．

（3）将傅里叶变换-离散傅里叶变换-快速傅里叶变换作为信号处理问题计算机实现的理论架构，利用探究式学习方法，开拓学生的理论视野．

（4）以快速傅里叶变换、数字滤波器的算法研究为着力点，采用案例教学法+虚拟仿真实验项目实现信号处理理论的实践化．

（5）以解决图像信号处理和语音信号处理的实际问题为依托，采用线上资源与线下理论并重的方法，培养学生的创新实践能力．

同时，在整个教学过程中，适时引入线上资源，开拓学生视野．

3 面向应用型人才培养的混合式教学方法实践

3.1 教学计划

忻州师范学院电子系现有电子信息科学与技术和通信工程专业开设数字信号处理课程，分为理论课51课时和实践课18学时，开设于第5学期．

3.2 传统+现代的混合式教学

近年来，持续开展数字信号处理教学改革研究，先后将研究性教学和项目式教学方法引入到教学过程中，并对数字信号处理和信号与系统的一体化教学方法进行了实践，效果良好．

在此基础上，开展了“传统+现代”的混合式教学实践，具体为：

根据不同教学内容的特点，融合了研究性教学法、案例教学法、项目式教学法等传统教学方法．传统混合式教学方法的应用参照2.2的课程分析．同时，应用雨课堂APP为学生进行课前预习指导、课后内容巩固及学科前沿拓展，从而形成尊重学生自主学习能力培养的开放式课堂模式．

3.3 开放式案例教学

本文以快速傅里叶变换算法为例，开展的混合式教学过程．

首先，利用雨课堂APP发布课前预习要求，要求学生利用思维导图的模式构建傅里叶变换-Z变换-离散傅里叶变换的知识体系图，梳理前期知识点间逻辑关系．

其次，在课上引导学生分析离散傅里叶变换的运算复杂度，指出离散傅里叶变换无法在信号处理实现算法中广泛应用的不足，从而引出快速傅里叶变换这一知识点．

进而，为了加深学生对知识的掌握，拓展学生视野．从2个方面开展课后实践：（1）利用8 192点FFT算法实现长度为16 384点序列的傅里叶变换；（2）突破完整序列的离散傅里叶变换，抽选部分序列进行频域变换，研究ChirpZ算法和Goertzel算法及其应用．

在此，以分解序列并进行FFT运算为例，培养学生实践能力．16 384点的原始信号见图2，将其分为2条8 192点的时域离散信号（见图3）．对信号作16 384点FFT和分解序列后进行FFT的结果对比（见图4）．

图2 16 384点原始时域离散信号

图3 混合组合后的两路8 192 点时域离散信号

图4 直接计算FFT 和分解序列的FFT 之间的误差

最后，利用雨课堂APP开放讨论组功能，让学生围绕2个方向的应用展开讨论，为后续将FFT应用于信号处理的实际问题中．

3.4 课程考核

为了夯实混合教学法的教学效果，改进了原有考核方式，将过程性考核占比从20%增加到30%．过程性考核内容包括FFT算法应用小论文、期中测试和单元小结3部分组成，分别占比10%．

3.5 实践效果

经过电子信息科学与技术和通信工程专业198名学生的实践，学生反响很好，期末成绩的正态分布更加合理，及格率由75%提高到85%左右．而且，在毕业设计选题过程中，选择信号处理类题目的学生大幅增多，题目的前沿性和难度也明显提高．

4　结语

近20年来，信号处理的理论被广泛应用于生物医学、地质探测、遥感遥测，乃至人文领域，对整个社会发展产生着重要的影响，培养信号处理的应用型专业人才就显得尤为重要．混合教学法的应用有助于更好地培养应用型电子信息人才，从而满足我国经济社会发展需要，进一步提高国家的创新竞争力．

[1] 姜涛．数字信号处理技术在电子信息工程中的应用[J]．电子测试，2019（19）：124-125

[2] 廖远东，李洪，何穆．中外合作办学背景下双语教学实践与探索——以数字信号处理课程为例[J]．教育观察，2018， 7（9）：107-108，139

[3] 吴杰．卓越工程师“数字信号处理”课程群主题式教学探索[J]．中国电力教育，2014（8）：84-85

[4] 刘尧飞．基于产教融合的应用型本科高校实践教学模式设计[J]．荆楚理工学院学报，2018，33（6）：46-51

[5] 王青林．关于创新应用型本科人才培养模式的若干思考[J]．中国大学教学，2013（6）：20-23

[6] 刘倩．混合式教学在数字信号处理课程中的应用[J]．电脑知识与技术，2019，15（26）：147-149

[7] 李丹丹．基于互联网+的线上线下混合式教学模式研究[J]．通讯世界，2019，26（3）：209-210

[8] 孙爱晶，吉利萍．地方高校基于“MOOC+SPOC”的混合式教学探索与实践[J]．中国现代教育装备，2018（19）：88-90

[9] 索丽敏，富爽，邸国辉．基于CDIO模式的研究生信号处理课程群的教学改革与实践[J]．教育教学论坛，2015 （16）：145-146

Study on hybrid teaching of digital signal processing in application-oriented undergraduates

REN Guofeng，FU Jianmei，XUN Yanqin，SHI Huimin

（Department of Electronics，Xinzhou Teachers University，Xinzhou 034000，China）

In order to train application-oriented electronic information talents to meet the needs of national economic construction，adapt the application of signal processing in the field of artificial intelligence．Explored the hybrid teaching mode of digital signal processing in order to cultivate students′ independent learning ability and innovative and entrepreneurial spirit．The practical results show that the application of the hybrid teaching model is beneficial to improving students′ grades and stimulating students′ interest in learning，which can better cultivate students′ innovative and practical ability and meet the training needs of application-oriented talents．

hybrid teaching mode；digital signal processing；application-oriented undergraduates

TN911.7∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.06.016

1007-9831（2020）06-0073-05

2019-12-23

山西省高等学校教学改革创新项目（J2019174）；山西省教科规划课题（GH-17053）；教育部“产学合作”项目（201702091017）；忻州师范学院教学改革研究项目（JG201311，JG201914）；忻州师范学院科研项目（2018KY15）

任国凤（1979-），女，山西忻州人，副教授，博士，从事信号处理的理论与实践研究．E-mail：renguofeng926@sina.com