面向过程考核的数字信号处理实验教学方法

2021-05-29王秋生

实验室研究与探索 2021年4期

王秋生，富立，崔勇

（北京航空航天大学机械与控制工程国家级（虚拟仿真）实验教学中心，北京 100191）

0 引言

数字信号处理（Digital signal processing，DSP）技术在通信工程、电子信息、自动控制、生物医学、人工智能、遥感遥测、航空航天等领域得到了广泛应用，是影响现代社会、经济、国防等领域发展的重要技术。数字信号处理课程受到国内外高等院校的普遍重视，已经成为理工科院校相关专业的必修课程或优选课程。我校自动化学院于2017 年将数字信号处理作为核心课程，面向大学本科三年级学生开设（40 学时），并设置了硬件与软件相结合的实验课程（16 学时）。

数字信号处理课程具有基础性、抽象性、系统性与实践性的显著特点。经过国内外高校教师的共同努力，目前拥有了比较完善的教材体系，且高质量的教材与参考书不断涌现［1-4］。与此同时，在教学探索与实践上也卓有成效，主要包括：精品课程建设、课堂教学方法、实验教学方法、仿真实验教学、多媒体教学、MOOC建设、教学改革实践等，丰富的教学成果推动着课程教学质量不断提高［5-12］。

作为教学活动的重要组成部分，数字信号处理实验在巩固基础知识、培养实践意识、提高创新能力等方面有着不可替代的作用。但是受到实验条件、实验内容、管理模式等多种主观与客观因素制约，根据公开发表的教学文献，对课程实验教学方法探索仍然是薄弱环节，如何提高实验教学质量仍然是课程教学的热点问题。

数字信号处理的实验教学既要培养学生的技术性能力（包括知识理解、知识掌握与知识运用等传统能力），又要培养学生的非技术性能力（包括沟通交流、质疑辩论等现代能力），以适应新工科发展的客观要求。以实验结果为导向的传统教学模式，无法协同提升学生的技术性能力与非技术性能力，因此探索崭新的实验教学方法势在必行。

探索并实践数字信号处理实验教学方法，以期实现考核模式的转变——从面向结果的考核转变为面向过程的考核。通过评价实验过程与实验结果，调动了学生学习的主动性，提高实验课程的教学效率，以此面向第四次工业革命需求协同培养学生的综合能力。

1 基本思想

针对数字信号处理传统实验教学方法的局限性，提出了面向过程考核的实验教学方法，将实验教学中面向单一目标（实验结果）的片面考核，转化为面向多个目标（阶段过程与最终成果）的协同考核，协同培养学生的综合能力，以适应现代企业的未来发展需求，特别是第四次工业革命对创新型人才的需求，如图1 所示。在学习工厂（Learning Factory）教学模式下，赋予传统能力与现代能力崭新内涵，不再赘述。

图1 面向过程考核的实验教学目标

为了实现图1 所示的教学目标，在实验教学方法探索中遵循面向过程考核的思想：①将数字信号处理的每个实验划分为若干个组成部分，且每个部分都有可展示的阶段性结果，并设定相应的评分标准。②依据评分标准对每一部分的完成情况进行现场考核（包括技术性与非技术性考核），并作为本次实验成绩；③加权处理所有实验成绩与实验报告成绩，作为课程实验的最终成绩。

与传统的实验教学方法不同，提出的面向过程考核的实验教学方法，不仅考核每次实验的阶段性成果，而且考核学生课后提交的实验报告。受实验内容限制，虽然受实验内容限制，很难全面覆盖传统能力与现代能力，但是通过检查学生的阶段性成果，可以实现技术能力的考核；通过教师与学生的交流，可以实现非技术能力考核；通过综合评价个体完成与总体完成情况，可以实现多人实验的协同考核，进而确定每个学生的能力达成情况。

值得注意的是，面向过程考核的实验教学方法必须解决两个关键问题：①设计面向过程考核方法的工作流程；②教学方法要通过教学检验。

2 工作流程

根据数字信号处理实验课程要求，结合上述教学思想，设计了面向过程考核的工作流程，如图2 所示，它包含准备实验、指导实验、实验考核与确定成绩等4个阶段，覆盖了课程实验教学的全过程，其中阴影部分与面向过程考核直接相关。

图2 面向过程考核的实验教学方法

（1）实验准备阶段。①按照实验内容的难度系数与实验结果的可展示度，将每个实验划分为若干个组成部分，而每个部分有可展示的成果。②针对每个组成部分设置考核指标，包括现场考核指标与实验报告指标，分别用于现场考核成绩与实验报告成绩评定。③将实验内容及其考核标准以电子邮件或教学网站方式提供给学生，要求学生预习实验内容、知晓考核标准。

（2）指导实验阶段。①指导教师简要地讲解实验背景与原理，给出注意问题及考核标准。②学生依据实验内容要求，按照既定顺序开展DSP的硬件实验或基于Matlab的软件实验。③指导教师巡视实验，随时解答学生的疑问，并对共性问题提出建议。指导教师的主要职责不是依据考核标准回答问题，而是启发学生如何针对实验要求提出有创造性的实验方法。

（3）实验考核阶段。在进行面向过程的实验现场考核时，①要求学生对实验内容进行分项陈述，包括实验原理、参数设置、实验方法、实验结果等内容；②针对学生的口头陈述情况、汇报准确度等方面，按照既定评分标准进行现场打分；③指导教师指出实验中存在的瑕疵或问题，给出改正的建议与意见，要求学生弄清问题所在，实现有针对性地持续改进。

（4）确定成绩阶段。①针对学生提交的实验报告，按照第1 阶段的考核指标进行逐项考核，侧重于实验结果的分析与讨论；②对实验报告中出现的问题或瑕疵，进行符号标识，以便分析共性问题、实现持续改进；③将实验现场考核成绩与实验报告成绩加权求和，作为学生开展数字信号处理实验的最终成绩。

该过程考核的实验教学方法，核心工作集中在“实验现场考核”阶段，既评定了学生的技术能力，又考核了学生的非技术能力。现场考核阶段的权重占80%，而实验报告部分只占20%，这与仅依靠实验报告确定成绩的传统方法截然不同。图2 所示的工作流程有如下特点：①对每项实验进行现场考核，避免只关注实验报告中提供结果的片面性；②将技术性与非技术性考核相结合，实现对能力的综合考核；③要求学生现场陈述实验内容与结果，有利于培养学生的非技术性能力；④以面向过程考核代替面向结果考核，使实验成绩更加客观与公正。

3 实施流程

针对面向过程考核实验教学方法的关键环节，设计了图3 所示的教学方法实施流程，它包括确定考核指标、实验现场考核、确定实验成绩等3 个模块。

图3 面向过程考核方法的实施流程

（1）确定考核指标。将每个实验分解为若干个组成部分，综合考虑实现难度、所选方法、复杂程度、独立程度等因素，确定每一部分可展示内容的考核指标，包括现场考核指标与实验报告指标，前者用于实验现场考核，而后者用于评定实验报告。

（2）实验现场考核。学生在考核阶段陈述基本原理、实现方法、参数选择、实验结果等实验内容。指导教师针对陈述内容与实验结果，按照考核指标给出实验成绩，同时指出实验与陈述中存在的瑕疵与改进建议，要求学生将改进内容写入实验报告。

（3）确定综合成绩。实验成绩包含现场考核成绩与实验报告成绩两部分。前者是学生陈述内容、回答提问、实验结果等成绩的加权组合，后者是报告质量、实验结果、分析讨论等成绩的加权组合。特别地，前者在总成绩中所占的比重远大于后者所占的比重。

图3 所示的面向过程考核的实施流程，能够协同培养学生的综合能力（包括技术能力与非技术能力）：①通过学生陈述实验内容并回答现场提问，培养学生利用科技语言表达与沟通能力；②通过学生按照分阶段方式完成实验内容，侧重培养学生分析复杂工程问题能力；③通过撰写实验报告，侧重培养学生运用科技语言的写作能力与逻辑思维能力。

4 教学效果

基于面向过程考核的实验教学方法，开展了为期2 年的教学实践。数字信号处理实验内容包括4 个硬件与3 个软件实验，将每个实验划分为A、B、C、D、E 5个阶段（部分实验为4 个阶段），考核成绩分配如表1所示。指导教师依据考核标准对所有实验进行现场考核，其中现场考核成绩占80 分、实验报告成绩占20分，所占比重为4∶1。

表1 面向过程考核的实验成绩分配情况

在为期2 年的教学实践中，对比传统实验教学方法，采用过程考核实验教学方法取得了良好效果：①学生能够自觉地开展课程实验，拷贝他人实验结果的现象很少；②学生能够在实验之前充分预习实验指导书，明显地提高了实验效率；③学生能够在实验之前复习相关章节，加深了所学知识的理解程度；④学生能够系统地组织实验素材与实验结果，实验报告质量得到了明显提高；⑤通过指导教师在实验现场与学生沟通与交流，提高了学生的非技术能力。以第7 个实验“数字心电图信号的滤波技术”为例，由于实验内容较多且难度较高，在2017 年以前实验报告雷同较多，但实施面向过程考核之后，很难再看到实验报告雷同情况。

与此同时，学生对数字信号处理实验的认可度大幅提升。以2019 年春季学期的课程实验为例，经过问卷调查统计，学生对实验课程的满意度达到95%以上，学生通过课程实验，既学习到了技术性能力，又学到了非技术性能力，各项能力的达成情况如图4 所示，实现了多种能力的协同达成，面向过程考核的实验教学方法成功得到了实验教学检验。

图4 面向过程考核实验教学方法的能力达成情况

特别提出的是面向过程考核的实验教学方法，其核心理念与教育部专业认证的教学理念是一致的。①通过面向过程的实验考核，提高了学生解决复杂工程问题能力；②面向过程考核的实验教学克服了单纯依据实验结果考核的片面性；③通过面向过程的考核环节，指导教师可以全面地掌握课程情况；④协同培养了学生的非技术性能力，特别是运用科技语言交流能力；⑤指导教师可以及时获得反馈信息，为课程持续改进提供了客观依据。