基于UBL模式的《数字信号处理》教学改革与实践研究

2022-12-10郝慧丽

电子元器件与信息技术 2022年8期

郝慧丽

绵阳城市学院，四川绵阳，622651

0 引言

随着云计算、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术的发展，信息产业早已成为我国国民经济发展的支柱产业，而对信息的载体——信号进行分析和处理的研究，也日益重要，影响着新一轮科技革命和产业变革。信号处理及相关技术涉及电子信息工程、通信工程、自动化、测控等专业，尤其以《数字信号处理》为主干课程，是各专业的核心专业课。

《数字信号处理》以时域离散信号的分析和处理算法研究为主线，突出探究性学习方法，是理论知识和实践应用的双重结合体；主要授课内容：时域离散信号和系统的频域分析、离散傅里叶变换（DFT）、快速傅里叶变换（FFT）、滤波器设计（IIR和FIR）、多频率采样信号的处理等，可以利用计算机Matlab平台仿真或 DSP专用处理芯片设备，对信号进行获取、分析、变换、估算等处理，对所涉及的系统进行时域与频域分析，达到提取信号特征和利于系统应用进行分析的目的。

随着信息技术的发展，专业课程的教学内容和教学方式也应进行变革，采用合适的教学方式，引入新兴的信息与技术，扩大学生视野。

1 《数字信号处理》教学现状

近年来，特别是应用型院校对课程课时进行了大幅度缩减，在缺乏最基本的系统调研论证、未考虑到专业的特点的情况下，就大刀阔斧地把一些专业基础课和一些专业能力课进行了删减。因此任课老师只能大幅度压缩课堂内容，这样既影响了学生专业知识积累，也减少了对行业应用的认知，电子信息类专业的专业基础课和专业核心课也深受“创伤”。

针对《数字信号处理》及相关课程，一部分老师采用传统的授课方式，学习过程中以填鸭式向学生灌输大量的公式推导和抽象的理论；很多学生不能接受，更难将其用于今后的学习工作中，无法达到教学目的；实践课程安排，均以验证性实验居多，缺乏灵活性和创造性，缺少具有实际工程应用背景的设计内容，无法达到希望的效果。

另一部分老师采取一种新兴的教学方式——项目任务式教学，将课程知识点划分为几个项目案例。每个项目案例由老师发布任务，列出基本的知识点，课上课下由学生自主去查询资料，自主学习，在老师的协助下，在规定的时间内完成任务目标。这种放养式的教学方式，对于数理课程掌握比较好且有高度自觉性的学生来说，可以自主、灵活地安排学习时间和内容，具有一定的优势。但是《数字信号处理》课程具有理论性强且较抽象、数学公式推导较多、难的特点，且若授课对象为一般院校的普通学生，由于其数理基础相对薄弱，自我管理能力很差，很容易对该课程产生恐学、厌学的情绪。这导致学生又走向了另一个极端。

现在的大学生思维活跃，想学但是不能静心于枯燥、设计单一的课堂，如何调动学生的积极性和如何约束学生的思路同样重要；部分同学有想学好的意识只是底子薄，跟不上老师的课堂教学节奏，自学、练习不知道如何入手，因此如何因材施教，对这部分同学进行基础知识的补充很重要；有的同学理论强，实践能力差，有的同学是理论学得飘，动手能力却很强，因此如何将二者结合起来，扬长避短很重要。笔者也不断尝试新的教学模式，比如采取参考文献[1]中的模式，不断总结经验和教学心得，提出基于UBL教学模式的《数字信号处理》课程教学改革和实践。

2 《数字信号处理》课程教学改革

2.1 引入UBL培养模式

人才是发展壮大新兴产业的首要资源，也是地方产业发展、结构调整和转型升级的关键因素。然而，人才培养供给则和产业需求侧在结构、质量、水平上还不能完全适应，“两张皮”问题仍然存在，毕业生就业难，企业招聘难。UBL（Ultrawise Blended Link）模式应运而生，它是以改革创新为动力的新型教学模式。

现有的UBL培养模式分为以下四个人才培养阶段。

阶段一：强调“学”，重点完善知识，从“静态结构”到“动态转换”。

阶段二：以仿真项目来加强动手能力的培养。

阶段三：引入实训，通过真实项目、实战演练锻炼学生能力和职业素养。

阶段四：“学做”结合，重点保证就业。

UBL模式是以OBE理念为核心，以学生为中心，以结果为导向，在执行过程中是持续改进完善的，已有成功的案例应用于教学[2]。UBL教学最终目标是培养学生的就业可迁移能力[3]。《数字信号处理》课程不只是简单地掌握课程知识，在课程开展过程中，更要加强对学生学习能力、职业道德素养的培养，从团队协作能力，发现、解决问题的能力，创新能力，社会适应能力等方面提高学生的就业可迁移能力[3-4]。

2.2 理论和实践齐头并进

在课程开始之前，按照学生的学习方式和课程接受程度进行分组；小组长轮流担任，对小组成员的学习态度和学习情况进行负责；加强对团队协作能力的培养。根据课程的性质[5]和学生掌握数理知识薄弱的情况进行对症分析，补充相关基本知识；将课程中的理论知识、公式推导过程进行系统化、模块化；将二者的内容细化后以文档形式提前发给学生作为预习内容。学生以组为单位进行预习，提前提出疑问和困惑的知识点反馈给老师。

在安排课堂内容时候，避免“老师讲，学生听”“老师讲得口干舌燥，学生听得晕头转向”的局面。课堂以学生为主，老师只是个指挥，起引领作用，课堂的合奏曲是由全体学生的合力创作的。课堂组织，教师首先将生活例子项目化后引入，然后将梳理后的理论知识点详略得当地进行讲解；在讲述理论知识点的同时，将相关案例或小项目在Matlab平台上进行实践仿真[6-7]，引领学生动脑思考理论分析、公式推导，动手做仿真、练习；疑问和困惑当堂解决；以理论和实践穿插进行的授课方式取代传统满堂的公式推导和理论分析。

课程结束后，还是由小组长负责监督，安排小组成员开展讨论会、完成课后练习留有的学习文档。

在“理论课”授课过程中将理论传授和实践仿真环节并存，完成UBL教学的阶段一和阶段二培养目标；将案例项目化引入“实践课”中，学以致用，对应完成UBL教学的阶段三培养目标；在后续的实训或者毕设过程中，引入合作企业的实战项目，提前进入“就业”工作状态，保障了阶段四的培养目标，为就业做实力支撑。

2.3 拓展《数字信号处理》课程视野

按照现有的人才培养方案，在课程课时精简的情况下，减课时不减内容，将多种深层次的研究元素和新技术的应用引入现有的基本课程内容中，将理论知识和实践课程往宽处扩展，扩大课程学习的视野，做到深入浅出、面面俱到地开展授课，又能包罗万象、旁征博引，将课程丰富起来，将学生的学习兴趣激发出来。

本课程教学改革计划将引入通信领域（如语音信号处理）、物联网智能家居与智能电子领域（如语音控制系统设计）、自动检测领域（如传感器信息处理）、人工智能机器人领域（如机器视觉研究）、电气自动化领域（如控制信号处理）、基于DSP技术的三维光学测量（如海量数据滤波技术）等领域的[8-12]高新技术来拓宽课程的研究视野，将相关的技术、应用、产品及新思想融入到课程建设中，学习、借鉴新技术、新研究，丰富课堂内容；课程内容将结合相应的新技术实现模块化，并将其梳理成小项目和大项目，融入课堂，理论课堂和实践课堂将不断地穿插小项目和仿真演练；在实训课进行仿真演练或者实战训练。

2.4 多角度激发学生，多途径提高学习兴趣

传统课堂上，老师台上款款而谈；台下学生昏昏欲睡。这种割裂的课堂氛围长此以往，形成恶性循环。再者，本课程对应学习内容与数学知识关联紧密，涉及一堆堆公式推导，极其枯燥；电子信息类专业课程对学生的数学等自然科学学课要求比较高，但学生的数学基础普遍不好。各方面原因导致学生畏难情绪比较严重，想学又没有坚持研究下去的动力。

本教学设计采用很小例子，淡化数学和理论知识点在课程中的难度，用matlab语言或者其他语言进行仿真，让学生得到比较直观的感受，激发他们进行深入研究的兴趣，增强他们的自驱力。

现将小案例引入课堂教学的展示如下。

音乐信号在录制过程中通常会受到各种噪声的干扰，如啸叫噪声、随机噪声等，使人无法听清音乐旋律,为此可采用数字信号处理手段，对含有噪声的音乐信号进行滤波消噪[6]。

老师先播放一段受到强烈啸叫噪声干扰的音乐信号，讲解含噪音频信号的去噪背景和意义；向学生提出疑问，如何处理掉这个啸叫噪声。老师对学生的见解，做个小总结；接着甩出本案例研究内容和目标：在仿真平台上试听含噪音乐信号，对其进行时域和频域分析，利用频域置零法消除该信号中的啸叫噪声，恢复出信号，对恢复信号进行时域和频域分析，读取并保存消噪后的信号。

在研究目标的指引下，老师和学生一起编程仿真，画出含噪信号的时域波形和频域波形，直观性比较强，便于分析，得出音乐信号和噪声分属于不同频段；接着对时域分析和频域分析理论知识进行讲解和讨论；然后使用频域置零法进行编程仿真，完成消除噪声的操作，试听恢复出的信号；最后做总结，同时引导学生进行扩展思考，这种频域分析法还有哪些应用。查阅相关信息，进行独立思考，撰写一个小的实训报告作为作业。到此，一个小案例的实训项目完结。实训环节可以加强对学生自驱力的培养，激发他们学习的兴趣。

在课程进展到一定深度后，让学生参与到案例项目的搜集及设计过程，比如将参考文献[8-12]中的智能家居、航拍图像处理、立体视觉等诸如此类的技术研讨引入到课堂内外的知识补充中。学生可以根据学习倾向和兴趣，搜集大量的论文或者著作以及网上信息，规划小课题作为创新项目补充到案例集中。老师将实训内容选择的部分权力给学生，调动学生的积极性。

在课程学习过展中，若是有自主开发的项目或产品，比较新颖，具有实践意义，且能够系统化、完整化，则可以将其打包，开发成产品，或参与国家省市校级的各类竞赛，或者寻求产业化，与校企合作单位一起完成成果转化。这些实践实战的应用，对学生来说不光是知识能力、兴趣点的提升，也是眼界和视野的开阔过程。当然对任课老师也是挑战，后续会有更多的科研成果和教学设计新思路诞生。

前期小范围的课程改革实践结束，学生给出“这种上课方法很新奇！这堂课内容深深吸引了我”的评价。

实践出真知，调动学生的内驱力，勇于用脑、勤于动手，方式方法很重要。