信号检测与估计的混合教学模式研究

龚树凤，覃亚丽

信号检测与估计的混合教学模式研究

龚树凤，覃亚丽

（浙江工业大学 信息工程学院，浙江 杭州 310012）

分析了信号检测与估计课程教学中存在的若干问题，从强化应用、教学内容、教学方法以及全面考核等角度出发，探索了可用于信号检测与估计的混合教学模式．教学实践反馈表明，精简授课内容后，学生通过分组讨论、调研，再结合Matlab软件实验仿真的混合教学模式，不但使学生对知识点的理解更加透彻，还调动了学生的积极性．

信号检测与估计；混合教学；Matlab软件

信号检测与估计理论作为现代信息理论的一个重要分支，以信号与系统、随机过程、概率论与数理统计、滤波理论等数学工具为基础，融合通信、信号处理、信息传输于一体，已成为一门极具专业特色、理论性较强的学科，并为雷达系统、光纤通信系统、无线通信系统以及所有接收部分的系统设计提供必备的理论基础[1]．以该理论为主要内容的信号检测与估计理论课程已成为各高校通信与信息工程学科本科生/研究生的重点专业课程．相比其他信号类课程，该课程理论性更强、概念更抽象，而且数学公式既多又复杂，导致学生难以理解某些理论的内涵，对所学内容似懂非懂，而将信号检测与估计理论应用到实际中解决问题更无从谈起．形成这种情况的因素较多，但比较重要的原因是受理论课学时的压缩，教学过程中教师更偏重概念的讲解、公式的推导证明、数学实例计算等方面，却忽略了对其实用性方面的实践教学．因此，在有限的学时内，如何改进教学方法与手段，提高授课质量，优化课程内容，调动学生积极性，已成为本门课程急需解决的重要问题[2-6]．

1 教学过程中存在的若干问题

信号检测与估计理论课程是通信与信息工程专业的研究生学位课，根据多年的教学经验，总结出当前课程教学过程中存在的若干问题．

1.1 教学内容侧重理论

教学内容过于抽象，缺乏与工程、实践的结合，学生积极性差，学的结果似懂非懂，一些概念模糊，应用混淆，无法解决实际工程中的问题．根据教学大纲的要求，本课程的主要内容涵盖了信号检测与信号估计两大板块，其中信号检测包含了基本的判决准则以及判决准则在高斯白/色噪声中的应用，还有匹配滤波器理论；而信号估计包含了估计理论准则及其在高斯白/色噪声中的应用，还有波形估计理论[7]．以信号检测为例，教学中发现一部分学生对一系列准则无法做到灵活运用，教材中的若干实例只是表面上做到了理解，换了说法改了参数就无法实现；还有一种情况就是缺乏真正的理论联系实际，当给定具体的雷达信号检测、通信信号检测时，学生不能灵活运用正确的准则，教学效果可想而知．

1.2 教学手段单一

教学手段枯燥，仍以课堂讲授为主，缺乏实验、调研、报告等环节，学生的积极性、参与度低，教学效果差．如何创新研究生的教学手段、改革教学模式，激发学生的学习兴趣和自主性，培养学生的工程应用能力，提高学生的动手能力和解决复杂工程问题的能力，也是本课程教学探索的重要目的．

1.3 课程考核方式单一

课程考核主要以期末考试为主，占总成绩70%，另外的30%则为课后作业和学生课堂表现，基本以教师评价为主．这样的考核大大限制了学生的发展，不能全面体现学生的学习效果及积极性，降低了学生的课堂参与度，不利于人才的培养．

2 采取的措施及效果

浙江工业大学信息工程学院信号检测与估计理论教学团队在多年实际教学的基础上，针对课程教学中存在的问题，对本课程的授课方式、授课内容、考核手段等进行了改革和实践，探索出了一套混合学习教学模式，收到了一定的效果．信号检测与估计理论课程教学改革的内容及实践途径见图1．

图1 信号检测与估计理论课程教学改革的内容及实践途径

2.1 弱化理论，突出重点内容，强化基础应用

较强的理论、复杂的公式，让不少学生对本门课程畏首畏尾，无从深入其中．因此，在实际教学中，一方面讲解经典理论，用教材上的知识点巩固学生的知识体系；另一方面结合实际案例，强调理论在实践中的应用，做到“理论指导实践，实践检验理论”（见图2）．在讲到经典检测理论中的奈曼-皮尔逊准则时，除了教材上的数学例题，还特意将其应用到雷达信号检测中．由于雷达在进行目标探测时，通常在给定虚警率的情况下，使得检测概率尽可能大，和奈曼-皮尔逊准则的应用条件一致．因此，引导学生利用奈曼-皮尔逊准则，应用Matlab仿真软件实现雷达探测目标的有无，实现“理论指导实践”．同时，对雷达的检测性能进行验证[8-9]，用探测性能的好坏来检验所使用的准则是否得当，实现“实践检验理论”，最终做到理论与实践知行合一．

图2 信号检测理论与工程实例结合示意图

在讲课过程中，还要对重点内容加以强调．信号检测理论的主要内容可以划分为信号检测、信号估计两大部分．其中，信号检测部分的重点内容是信号检测的基本准则以及在白噪声背景中的应用；信号估计的重点内容是估计理论的基本准则以及白噪声背景中的信号估计．因此，在讲课的过程中要突出这些重点内容．

为了让学生们真正理解各种检测、估计准则及其应用，匹配滤波理论的应用，课程中增设了课外实验验证部分，要求学生用Matlab软件编写相关程序验证各种准则以及滤波理论在检测中的性能．具体增设的课外实验内容见表1．

表1 Matlab实验内容

2.2 网络教学平台+部分翻转课堂

混合式教学是网络化教学和传统教学互补的一种教育模式，诸多的教学实践表明，采用线上线下有机融合的混合式教学，通过多种形式的交流和互动可以充分发挥学生的主体作用，提高学生的课堂积极性．为了加深学生对各知识点的掌握和理解，利用学校超星网络教学平台建设了信号检测与估计理论的线上课程．线上课程包含各种学习资料、测验、讨论及作业布置等各模块．具体内容以及在课程中的使用情况见表2．

表2 信号检测与估计线上课程设计及应用

由表2可以看出，线上学习资料板块包含各种学习视频，课程PPT资料，以及搜集的一些应用案例介绍等，以便学生课前预习和课后复习用；测试题板块主要是针对各个知识点设置了一些选择题、判断题和填空题等，分为章节测验和随堂测验，以检验学生当前课堂以及整个章节知识点的掌握程度；讨论专区主要是针对一些知识难点，大家在课上或课下开展一些讨论，加深对知识点的理解；作业模块包括随堂布置的作业、Matalb仿真实验任务的介绍以及报告的提交与批改等，用于对学生学习成果的考核．

除了很好地利用线上教学网络平台，线下教学还采取了部分翻转课堂的形式．每个章节结束后，要求学生以小组的形式对本章内容知识点进行总结，然后每个小组针对本章节未明白的地方提出问题，小组和教师展开线下讨论，以便让学生真正掌握各知识点．

2.3 突出科研，自学为主

研究生作为高校科研的主力军之一，对研究生课程的要求除了厚基础、宽口径之外，课程更应该要培养研究生的研究能力、研究兴趣和科研素养．因此，以小组为单位，针对课程中的重点内容，检测和估计两大模块，组织学生前期调研信号检测与估计理论在工程中的实际应用，并进行相应的项目仿真，完成调研、仿真报告，并制作PPT，以小组形式展开集体汇报、讨论，以激发学生的科研兴趣，培养其科研素养．

2.4 全面性考核

针对以往考核存在的问题，再结合课程的改革举措，对该课程考核也进行了修改和补充，以体现对学生公平、公开、公正的考核[10]．从考核主体、考核形式、考核内容等部分出发建立了过程性、全面性课程考核体系．

2.4.1 考核形式多样化 将原来的成绩构成，即期末考试70%+课后作业20%+课堂表现10%，修改为期末考试50%+平时成绩50%，其中平时成绩由章节测验、章节讨论、课堂表现、翻转课堂表现、课后作业、调研报告和Matlab仿真实验等组成，具体考核分值见表3，据此全面对学生进行考核．其中，章节测验、章节讨论、课堂表现、翻转课堂表现和课后作业等都属于巩固理论环节，占最终成绩的30%；调研报告和实验仿真属于实践环节，占最终成绩的20%，这样可有效降低期末考试的随机性和局限性．

2.4.2 考核主体多元化 打破只有教师考核的方式，在翻转课堂表现、调研报告和Matlab仿真实验的考核环节中，将学生也作为考核主体之一参与到考核环节中来．学生可以自评和互评，充分体现以“学生为中心”的教学理念以调动学生积极性．

表3 信号检测与估计综合评价考核体系

2.4.3 考核内容标准化 考核内容是考核体系构建过程中的重要组成部分，由于考核主体的多元化以及考核形式的多样化，制定标准化的考核内容关系到考核结果的合理、公正、客观，也关系到考核的效果和效率．考虑到本课程学生参与自评和互评的考核环节主要有翻转课堂、调研报告和仿真实验３个环节，特设置了这些环节的具体考核内容（见表４）．每个环节考核总分为100分，按照教师考核占比50%，学生自评20%，学生互评30%分别考核．由此可见，学生参与到考核中，并明确具体的考核内容后，可以让学生更有针对性地去完成各个任务，小组间取长补短，协同合作，调动学生学习的积极性．

表4　课程考核内容

3　结语

围绕应用创新人才培养目标，从教学内容、教学模式、实践调研和实验仿真、建立课程全面考核体系等方面对信号检测与估计研究生课程进行了不同程度的改革建设．不仅注重基础知识的与时俱进，还进行了一系列改革建设的尝试，突出重点内容，采用新颖的教学方法，加强实践环节，探索了一套适合研究生信号检测与估计理论课程的混合教学模式．

[1] 赵树杰，赵建勋．信号检测与估值理论[M]．北京：清华大学出版社，2012

[2] 冯鹏，魏彪，何鹏，等．研究生专业课程《信号检测理论》教学改革的探讨与实践[J]．教育教学论坛，2016（39）： 140-141

[3] 代少升，杜智慧．对信号检测与估计课程设置的构想[J]．实验科学与技术，2013，11（6）：314-316

[4] 单洁，卢光跃，包志强．提高课堂教学效果的工科专业课教学法的研究与探索[J]．高教学刊，2015（18）：112-113

[5] 单洁，杨刚，王军选，等．《信号检测与估值》课程建设的探索[J]．高教学刊，2018（1）：53-55

[6] 丛玉良，赵晓晖，周求湛．信号检测与处理系列课程的建设与改革实践研究[J]，2013，34（3）：75-76

[7] 曲长文，周强，苏峰，等．信号检测与估计教材编写的体会与思考[J]．教育教学论坛，2017（25）：256-257

[8] 景小荣，李强，陈前斌，等．基于Matlab的信号检测与估计课程教学改革[J]．实验科学与技术，2012，10（2）：55-57

[9] 曲长文，李炳荣，张韫．基于MatLab仿真开展信号检测与估计课程的课堂教学[J]．中国现代教育装备，2019（7）：60-61

[10] 张玲玲，梅忠义．对学生成绩评价指标体系中一些问题的思考[J]．合肥工业大学学报：社会科学版，2006，20（2）： 19-21

Study on mixed learning mode in the teaching of signal detection and estimation

GONG Shufeng，QIN Yali

（School of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310012，China）

Analyzes some problems existing in the teaching of signal detection and estimation．Then，probes into the mixed teaching mode which can be used in signal detection and estimation from the perspectives of strengthening application，teaching content，teaching method and comprehensive examination．The teaching contents were simplified，group discussion and investigation were used among students，and MATLAB software experiments simulation were applied．These measures can not only help students to understand the knowledge more thoroughly，but also mobilize the enthusiasm of students and improve the teaching effect effectively．

signal detection and estimation；mixed teaching mode；Matlab software

TP391.9∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.10.018

1007-9831（2020）10-0082-04

2020-06-03

浙江工业大学2018年校级课堂教学改革建设项目（PX-61181504）

龚树凤（1985-），女，河北唐山人，讲师，博士，从事阵列信号处理、信号检测研究．E-mail：gongsf@zjut.edu.cn