《数字信号处理》线上线下混合式教学的探索与实践
2021-03-21王立东赵楠楠高闯李朔
王立东 赵楠楠 高闯 李朔
摘要：《数字信号处理》是电子与信息工程类的专业课程。该课程涉及的内容多、概念抽象，学生很难理解一些抽象的理论及概念。针对这些问题，本文提出了对该课程的教学改革，主要从课前预习、课上采用线上和线下教学方式并且融入课程思政理念，课后采用师生互动，释难答疑，补充课外资料，同时面向工程认证等方面进行的教学改革。最终能够达到培养创新型、复合型人才的一流本科课程。
关键词：信号处理 改革 创新型 工程认证
中图分类号：TP911文献标识码：A
Exploration and Practice of Online and Offline Hybrid Teaching of Digital Signal Processing
WANG Lidong ZHAO Nannan GAO Chang LI Shuo*
（School of Electronic and Information Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan， Liaoning Province， 114051 China）
Abstract：
Key Words： Signal processing; Reformation; Innovative; Engineering certification
人类社会正逐步进入信息化阶段，信息化的基础是数字化，《数字信号处理》课程的基本概念与方法已经贯穿到信息与通信工程、生物医药、自动化工程与系统工程等众多领域，成为很多学科的重要理论基础与技术基础[1]。数字信号处理课程是大部分工科专业本科生三年级开设的必修专业基础课，是重要的信息类的专业基础课。数字信号处理这门课程在教学中存在以下问题：从教学内容来看，重理论轻实践。相对我校的办学定位，原先的教学偏重于理论的严密性，忽视工程背景，给学生造成课程脱离实际的现象，学习兴趣不高;学生对学习有畏难情绪。数字信号处理课程是基于积分变换的较为完整的理论体系，理解难度大，入门困难。学生对自己的定位偏低，没有认识到课程对自身能力提升的作用。
1课程现状
由于该课程涉及的内容广泛、概念抽象、设计复杂等特点，学生在学习这门课程时，常常会觉得枯燥乏味，感到概念不能理解，对其中的分析方法与基本理论不能很好地掌握。为了深入贯彻教育部对于一流本科课程建设要求的精神，结合 “坚持知识、能力、素质有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维”的目标导向[4]，“课程内容强调广度和深度，突破习惯性认知模式，培养学生深度分析、大胆质疑、勇于创新的精神和能力”。 遵循当前所提倡的教学指导思想[5]，帮助学生系统理解和掌握该课程中的基本理论和分析方法，培养综合运用所学理论，能够独立解决实际问题的能力和工程实践创新能力，结合自身多年科研和教学经验，借鉴实际工作中的教学经历，针对现有教学模式的不足，计划对《数字信号处理》课程进行改革，在理论与实践环节等方面进行改革与尝试，旨在提高学生的各种能力[6]。这次教学改革的实施对于培养具有明确的工程意识、强烈的实践意识、全面的综合意识和鲜明的创新意识的高质量工程技术人才， 对于提高信息类专业学生的专业技术水平具有重要意义。
2 教改模式
教学改革注重知识与技能的掌握、学习能力和综合素养的提升以及科學精神和价值观的培养，紧紧围绕教学重点和难点，通过情景导入和问题驱动等方式将枯燥的理论知识与实际应用结合起来，在完成理论教育的同时，引导学生树立正确的学习态度。
2.1教改原则
基于学生的分类教学。以学生为导向，面向全体同学，在加强知识学习的基础上，注重实践能力的培养，引导学有余力的同学加入电子协会、创新实践班或科研团队，以实践激发学习热情[7];理论与实践相融合。面向生产实际和科研实际，将生活、生产和科研实际中出现的较为成熟的案例融入教学，激发学生的学习兴趣，鼓励学以致用，参与科研;融入课程思政理念。将中国传统文化思想、严谨务实的科学精神与课程知识紧密结合，引导学生接受正确的世界观和工程伦理。
2.2教改目标
本课程是我校信息类专业的专业基础课。结合我校的办学定位和学生的具体情况，确定的建设目標为：（1）能够建立求真务实的科学态度，建立个人与社会相统一的工程伦理和价值观念，为更好地服务于我国信息产业和地方经济建设打好基础;（2）能够建立数字信号处理系统中信号描述、稳定性分析、特征提取、数字滤波等相关概念，掌握数字信号基本的时频域分析、研究方法，掌握常用数字滤波器的设计方法，理解各知识之间的逻辑内涵;（3）了解课程的研究对象和所能解决的生产、生活和社会问题的作用范畴，具有数字对象的时频域系统分析能力，具有将所学知识综合应用于实际工程的分析与设计能力，具备解决数字系统相关复杂问题的综合能力和高级思维。
2.3教改内容
针对重理论轻实践的问题，教学中提升案例教学的比例;内容上瞄准新工科，增加科研上的相关成果和案例内容，比如OFDM系统在5G通信中的应用等，引导学生理解专业概念、理念和工程伦理。针对学生的畏难情绪问题，采用基于知识点的分类教学，难易分开。利用线上预习、线下讨论加讲授的方式，强化重、难点问题的教学。将合作学习、工程和科研案例融入教学，从小处入手，循序渐进，逐渐提升学生的获得感和自我认知，理解课程对于经济和社会发展的促进作用。
如何提高学生学习的主动性，如何针对我校学生的实际情况开展卓有成效的教育是我们面临的长期问题。我们将继续按照学校培养“基础扎实，工程能力强的应用性高级专门人才”的要求对课程进行持续地改革[8]：课程内部建立督导机制，满足学生自主化学习、个性化学习的需求，促进教师的教学能力提高;完善考核体系，适当增加平时和线上教学环节的考核比例，实现教学的“过程控制”，更好地引导学生自主学习、主动学习;合理地布置教、学节点，形成能够“持续提高”的教学促进体系。
2.3.1优化教学方法
以学生为主，教师讲授、学生自学、小组合作、课上汇报、撰写学习报告等多种教学方式并用，培养学生的学习能力和工程素养。充分分析教学内容，根据以往教学经验，将各个知识点进行分类，对于基础性强、难于理解的知识点由教师进行课堂重点讲解，并根据学生讨论的反馈，不断修正错误认识;对于重要且学生容易接受的知识点，安排学生通过线上学习，并在课堂上分组汇报，利用翻转课堂的优势充分讨论，激发兴趣，引导学生在头脑中逐渐构建该课程的认知体系;对于一些容易理解的知识点，以学生线上学习为主，小组合作，线下课堂汇报，不占用过多的课堂时间。通过问题导向、合作探究、案例分析等教学方式，鼓励学生自主思考，将概念的理解与实际问题相比较，不断加强学生对系统的认知，强化能力的提高。
2.3.2增设自主学习环节
课程学习完成后进行研究性学习并提交学习报告， 完成一个较完整的数字信号处理领域的理论课题研究或仿真研究。
预习总结：由于数字信号处理这门课程理论性强，学生们很难理解，会感到枯燥无味，所以对于这门课程的学习来说，预习总结是非常重要的。学生们把要学的知识点罗列出来，找出难点和疑点，这样学生会有针对性的学习，效果是非常好的。
对分课堂：首先学生通过预习，讨论研究，找到这节课的问题。然后，老师针对这些问题进行一一的解决，之后对这节课的知识点进行梳理，讲解。对重点，难点和疑点进行分析。最后对这节课的内容通过实验进行验证，可以使学生更深入的理解理论，同时使学生的兴趣更加浓厚。
线上答疑：由于上课时间学生不能够完全掌握所有的理论知识，所以通过课后作业和MATLAB仿真对知识点更一步的掌握和理解。教师通过线上答疑，使学生在任何时间有任何问题都能够及时的得到解决。帮助学生及时的消化和理解知识点。
课后思考和总结：通过课后的消化和理解，可以使学生对当前所学的知识应用到实践中，学生可以通过网络查阅，把当前的知识应用到前沿中去，同时也锻炼了学生的查阅资料的能力，为以后学生的毕业设计做好铺垫。
2.3.3混合式教学设计
混合式教学方式灵活、易接受，有助于解决部分知识点学习困难的问题。将知识点进行梳理分类，一部分是基础性强、难于理解的知识点，比如卷积、线性相位系统、快速离散傅里叶变换等内容，这些知识点学生如果不带着问题去研究，采用传统方式教学，很难理解其含义，甚至不知道为什么要引入这些概念。这部分知识点需要线上学习、预习，带着问题在线下讨论，教师重点讲解，利用多媒体方式教学能够形象地表述概念。对于重要但易接受的知识点如线性系统，系统的离散化、FIR滤波器等可采用MOOC线上学习，线下汇报，教师纠偏，以引导学生在头脑中逐渐构建数字信号处理课程的知识体系为目标;对于容易理解的知识点如滤波器的结构等，以学生线上MOOC学习为主。
2.3.4面向工程教改方法
面向工程的教学方法，对数字信号处理基础理论，通过数学分析 Matlab 软件进行仿真和验证，除了一些专业知识验证性实验。，通过将具体的工程应用案例引入到课堂，充分锻炼学生的综合素养，从而减小人才培养与实际工程的差距。根据专业的不同，可以选择具有不同专业背景的工程案例。例如，针对自动化专业，引入图像处理、语音信号案例当中的信号处理，对其进行专门的研究与学习;而对通信专业，引入图像处理、语音信号案例当中的通信过程，对其进行专门的研究和学习。
2.4教改组织过程
2.4.1课前教学
教师在平台上发送资料、预习范围和重难点等，并在课程微信群里进行辅导。对学生进行分组，指定课堂汇报小组。
2.4.2课堂教学
线上学习部分，观看教学视频，分组研讨，融入科研案例研究式学习，师生互动等多种形式，防止线上学习流于形式。线下学习部分重在解决教学难点、突出重点，检查线上学习效果，提升学生的参与度。线上学习效果测试、提问，学生对线上学习的知识点、研究课题的小组讨论结果、数字系统类工程案例的研究结论等进行汇报讲解。教师点评，突出重难点问题，注重知识体系的梳理。布置习题、综合性作业，提出下次课的预习要求。对于学有余力的同学，依托教师的科研课题和创新实践班的教学内容，指導他们学习一些拓展知识，并在线上讨论或课后辅导。
2.4.3课后教学
群内师生互动，释难答疑，点评作业，拓展课堂知识，补充课外资料。体现分类教学上，对相对后进的同学进行主动地单独辅导，特别是一些较难理解的知识点，这些知识点相对比较集中，要主动过问他们的掌握程度。给学生适当提供一些有难度梯度的练习题，检验学习效果的同时，利用问题的实践背景激发学生的学习兴趣。
2.5教改效果
课程目标的完成情况可以为这门课程教学质量评价的一种手段，对课程目标的完成的分析是工程认证的要求，同时，也为教学活动的改进提供了依据。实践证明通过上面的教学方式，提高了学生的实践创新能力，培养了学生解决复杂问题的能力，为数字信号处理课程的教改提供了一个方案。通过线上线下学习内容的分析，知识点分析以及教学反馈找到线上教学与线下教学紧密结合的契合点，有效分配学时比例，尽可能最大化教学效果。适当结合最新科研成果，列举数字信号处理理论在图像处理、语音信号处理方面的具体应用以此加深学生理解， 提高学习兴趣。选择合适的设计题目是搞好数字信号处理课程设计环节的关键。根据课程设计的目的， 考虑数字信号处理的特点，精心选择课程设计题目。设计的内容要考虑它的先进性、实践性和实用性 ， 课题应取材于生产实际和生活中， 而且要基本具备实验条件， 操作性强。
跟踪学科的发展方向，能够将新技术融入课堂，比如引入5G移动通信中的信道估计、飞行器姿态控制等内容，不断丰富科研中发生的实例并融入教学，有助于将课程中的难点问题化解。注重培养学生的实践能力，融合数字信号处理DSP编程与应用课程，引导学生参与科研课题，将理论知识与工程实践相结合，提升学生的知识应用能力。
课程建设中的改革创新点为：
（1）基于知识点的分类教学，梳理、区分难易知识点，针对各知识点的特点采用不同的教学方式，解决卷积、快速傅里叶变换等概念难于接受的问题。
（2）基于学生的分类教学，解决培养层次不清的问题。基本教学面向全体同学;对于后进同学辅助课后辅导、线上答疑等手段，强化知识的理解;对于学有余力的同学，引导加入电子协会、创新实践班或科研团队，提高应用和创新能力。
（3）通过问题导向、合作探究、案例分析等教学方式，鼓励学生自主思考，将概念的理解与实际问题相比较，不断加强数字信号处理系统的认知，强化能力的提高。
以 2019和2020 级通信专业本科生“数字信号处理”课程达成度为例来衡量本次教学改革。其中课程达成度评价材料包括：评分表和数据表。其中评分表即对评分标准进行说明，数据表即提供学生课程具体数据，如表1和表2所示 。
根据表1和表2，实践证明通过应用启发式教学、线上线下的混合式教学以及在课堂中引入工程案例教学，提高了学生的实践创新能力，为数字信号处理课程教学改革提供了一个解决方案。同时为了更加全面的对数字信号处理课程进行定量的评价，通过调查问卷进一步分析，其内容包括课程内容掌握程度、学生解决工程问题的能力、课堂体系评价。
在教学内容方面，110 人认为能够通过课堂的学习，使学生能在课堂上较好掌握知识。所占比例为 92%。在解决工程问题方面，85人认为通过实验建立模型，分析数据，能够直观的掌握内容所占比例为 83%。为了更好贯彻工程教育认证标准，在实验报告收集以后让学生进行交互式批阅，经由老师审核后下发[9]。学生根据修改意见进行修改或补充，最后再上交，由此完成实验报告。
3结语
本文主要从课前预习、课上采用线上和线下教学方式并且融入课程思政理念，课后采用师生互动，释难答疑，补充课外资料，同时面向工程认证等方面进行的教学改革。实现了因材施教。发挥了线上和线下两种教学的优势，改进了传统的教学方法，通过启发，研讨，总结等发法使学生掌握了理论知识，提供了学生的实践创新能力。为数字信号处理课程的教学改革提供了一个解决方案。
参考文献
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