基于“PBL+翻转课堂”的自适应信号处理课程改革与实践

摘要：面向声呐设计与研究领域创新型人才自主培养的重大需求，结合自适应信号处理课程的特点，本文提出了基于“PBL+翻转课堂”的自适应信号处理课程改革方法。以科研项目中的实际工程问题为导向，以“翻转课堂”的教学方法为途径，实现了理论教学与工程实践教学的有机结合，取得了更好的教学效果。本文提出的自适应信号处理课程改革思路对于其他院校的同类课程具有一定的借鉴意义。

关键词：自适应信号处理；PBL；翻转课堂；问题导向

一、概述

伴随着信号处理研究领域的蓬勃发展与计算能力的显著提升，自主化与智能化成为现代声呐的发展趋势［1］。目前，我国声呐设备的整体水平仍然落后于发达国家，尤其是自主化和智能化水平还远不能满足需求。“自适应”是声呐自主化与智能化的核心特点，主要指声呐能够以海洋环境特征、搭载平台特征、目标特征等信息为输入，自动地实现工作模式、工作参数的调整与优化，以更好地完成其任务使命。哈尔滨工程大学水声工程学院是我国高水平水声科研与技术人才的摇篮，承载着培养我国声呐设计与研究领域创新人才的重要使命。面向国家重大战略需求，基于现代声呐的发展趋势，水声工程学院在新版本科生课程设置中，开设了自适应信号处理本科生专业课，重点讲授经典的自适应信号处理理论、自适应信号处理领域的最新研究成果以及自适应信号处理在声呐设备中的应用，培养学生利用新技术、新方法和新思路解决具体工程问题的能力。

自适应信号处理课程作为一门信号处理类课程，具有以下的特点：

（1）自适应信号处理课程的理论性很强，公式推导严密，需要学生具备扎实的数学背景，以及对多学科知识的整合和运用能力。

（2）自适应信号处理课程的实践性很强，课程学习不应拘泥于公式推导，而是应服务于实践应用，要求学生在完成课程学习后具备解决实际科研问题的能力。

（3）自适应信号处理课程内容发展迅速、时效性强。随着人工智能、深度学习、数据挖掘等典型应用的大量普及，自适应信号处理课程的知识体系一直在快速迭代更新。

基于此，要求学生除了要掌握扎实的理论基础外，还有具备一定的创新思维，能够快速吸收消化该领域内的最新研究成果，并把所学的知识灵活应用。

基于以上的课程特点，在进行自适应信号处理课程教学时主要面临以下问题：首先，由于该课程具有较强的理论性，公式推导晦涩难懂，容易造成学生对该课程过早地失去学习兴趣，进而造成学习积极性不高，学习效率显著下降，教学效果不佳。此外，学生在完成该课程理论学习后，仍无法将所学到的理论知识有效应用于工程实践中，难以做到知行合一，课程未能起到培养学生自主创新能力的目的。以上的问题在其他信号处理类课程教学中也常出现。针对上述问题，张晓光等人提出将案例式教学融入信号处理类课程教学中，并从课前案例准备、课中案例教学和课后案例总结三个方面介绍了相应的案例设计方法［2］；苗丹等人提出了以项目为驱动的教学改革方法，充分发挥了问题对教学过程的指导作用，充分调动了学生的学习主动性和积极性［3］；李建龙等人通过实际应用案例的讲解和训练以及前沿知识的扩展，有效提升了学生的动手能力及解决实际问题的能力，激发了学生的学习热情和积极性［4］；马雷等人从信号处理课程的分层教学设计、实验的分层设计和分层课程设计三个方面对课程的层次化教学设计进行了深入的研究，显著提升了学生学习兴趣和教师教学效果［5］。

二、“PBL+翻转课堂”教学模式的提出

自适应信号处理课程教学的目的不是让学生记住复杂的公式推导与晦涩的理论，而是指导学生能够将理论知识有效吸收和消化，并用于解决实际的工程问题，以有效提升学生的综合素质和创新能力。传统的以教师为中心、以教材为主导的教学模式已经难以满足自适应信号处理课程教学的需求。

“翻转课堂”是当今教学研究的热点，将教学大纲内容分为课前自主学习、课堂教学设计、课后知识巩固三个部分，现已被逐渐应用于教学中，成为推动教学改革的重点之一［68］。“翻转课堂”一般是指，将传统的教学过程进行翻转，让学生通过在课外观看视频、查阅和调研文献等途径获取一些理论知识，然后进行课堂上的讨论、汇报、答疑等互动。但其实，这种教学方法难以使学生对实际问题进行深入的思考研究。如何在保证课程授课内容的前提下，显著提高同学们的自学能力、独立思考能力和团队协作能力是自适应信号处理课程“翻转课堂”教学模式需要重点关注的问题。

问题式教学法（ProblemBasedLearning，PBL）是一种以问题为导向的教学方法，它强调学生在解决实际问题的过程中，通过自主学习、合作学习等手段，掌握知识，培养技能，并学习思考和创造［9］。问题式教学法通过以真实的工程问题为切入点，将学生置身于实际工作场景中。这种学习模式能够显著激发学生的学习兴趣，培养他们的问题解决和团队协作能力。

本文提出将“问题式教学法”和“翻转课程”教学理念相结合，形成一种新的教学模式，并引入自适应信号处理课程教学中。通过教师引导，以相关声呐设计和研制科研项目中的相关自适应信号处理问题为基础，以学生为中心，以小组研讨和合作的形式，将相关工程问题的解决思路和迭代过程与正统授课知识点相结合。这种教学方法的优势在于：

（1）提高学生自主学习能力：通过翻转课堂的形式，学生在课前自主完成理论知识的学习与解决方案的设计，课堂上主要进行讨论和质询，从而提高学生的自主学习能力。

（2）增强学生批判性思维：PBL教学方法以问题为导向，引导学生发现问题、分析问题和解决问题。这种学习方式可以增强学生的批判性思维，提高学生的创新能力。

（3）提升教学质量：通过课堂上的答疑和讨论，教师可以及时了解学生学习情况，并针对实际工程问题进行指导和讲解，从而提升教学质量。

（4）促进师生互动：翻转课堂和PBL教学方法都需要师生之间进行充分的互动与交流，这种互动可以促进师生之间的了解和合作，提升教学效果。

三、“PBL+翻转课堂”教学方式的实践

为在自适应信号处理课程中实践“PBL+翻转课堂”教学方式，授课教师需深度挖掘和有效梳理现有科研项目中涉及的自适应信号处理理论知识点，并以此为基础，设计相应的教学环节，以实现理论教学与工程实践教学的有机结合，达到更好的教学效果。

具体教学方式与内容设置如下：

（一）问题准备

授课教师需要根据教学目标和教学内容，提出多个与自适应信号处理课程理论相关的实际工程问题，并为学生提供相关的资料和软硬件工具。自适应信号处理理论在声呐设备中应用十分广泛，自适应信号处理器是提升声呐设备能力的重要途径之一，因此可以通过在研或已结题的相关科研项目，来凝练实际的工程问题。下表给出了4个问题示例，每个问题均来源于实际的科研项目，且与自适应信号处理课程教学大纲中的内容存在对应关系。

（二）课前准备

首先将学生分成若干个小组，每组5～7人，每组选取一个题目，并需要给出相应的解决方案。小组成员有序分工，互相监督，群策群力为问题的解决贡献力量。具体的小组成员分工要包括：问题背景分析、问题数学建模、研究思路设计、问题的求解、算法的参数优化与迭代、算法的编程实现、PPT的制作与展示等。小组成员首先通过查阅文献资料等方式，自主完成对上述问题的调研和探索，思考解决问题的方案，之后进行小组内部交流和合作，分享想法与经验，形成“头脑风暴”，根据任务分工完成问题解决方案的初步设计。

（三）课堂教学

通过小组内部的团结协作与讨论迭代，各小组形成一套完善的问题解决方案并进行课上成果展示与汇报，其他小组成员进行质询和讨论，授课教师对解决方案进行指导与斧正。全部小组汇报结束后，授课教师对学生的学习过程和成果进行评价和总结，对各解决方案中普遍存在的一些问题进行讲解，指出不足和改进方向。

（四）课后考核

以小组为单位，结合课堂讨论和授课教师提出的意见，对提出的解决方案进行迭代和优化，并形成一份科技报告。科技报告要涵盖研究问题阐述、国内外研究现状、方案算法设计、算法性能验证、结论等内容，格式规范，要素齐全。

四、教学效果评价

经过一学期的实践，基于“PBL+翻转课堂”的自适应信号处理课程改革取得了显著的成果。学生的综合素质和创新能力得到了提高，同时，教师的教学水平和专业素养也得到了提升。具体成果包括：

（一）学习成绩提升

期末考试成绩是衡量教学效果的一个重要指标。在推行“PBL+翻转课堂”教学模式前的2022年秋季学期，期末考试成绩平均分为77.6分（满分100分），而在推行“PBL+翻转课堂”教学模式后的2023年秋季学期，平均分提升为85.4分（满分100分）。特别是在两次期末考试中均对单通道/多通道自适应陷波滤波器及自适应线谱增强器两个重要的知识点进行了考核。在2022年秋季学期两个知识点的正确率分别为80%、74%，在2023年秋季学期正确率则分别提升至88%、92%。可见，课程的教学效果取得了显著的进步。

（二）学习积极性提升

对于自适应信号处理这种知识点比较庞杂、理论难度较高的课程，传统的教师向学生单向输出知识的教学方法难以达到良好的课堂教学效果，同时也无法有效培养学生的自主学习能力。2022年秋季学期，自适应信号处理课程推行了翻转课堂的教学模式，学生需要在课前搜集自适应信号处理领域的最新研究成果并进行课上汇报，授课教师对成果的创新性和可行性进行讨论。然而，由于这种传统的翻转课堂教学模式缺少问题导向的思维，无法有效激发学生的学习兴趣，导致课堂气氛比较沉闷，学生参与积极性不足，很多时候课堂仍然是授课教师为主导。2023年秋季学期起，自适应信号处理课程开始推行“PBL+翻转课堂”的教学模式，要求学生以实际科研项目中真正需要解决的问题为牵引，充分发挥文献检索能力与自主学习能力，完成解决方案的设计。与2022年秋季学期相比，学生的课堂参与度显著提升，思维活跃，课堂的学术氛围更加浓厚，教学效果显著提升。

（三）学生综合素质提升

学生在自主学习、合作学习和批判性思维等方面得到了锻炼和提高，同时，学生的实践能力和创新意识也得到了培养。通过“PBL+翻转课堂”相结合的教学方法，学生能够更好地理解和掌握自适应信号处理课程的知识点，并且能够将理论知识应用于实际问题的解决之中。多名学生后续参与了“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、“互联网+”大学生创新创业大赛等科技创新比赛，并取得了优异成绩。

（四）教师教学水平提升

授课教师在提炼工程问题、制作教学资源、组织教学活动和指导学生方面得到了锻炼和提高，同时，授课教师对自适应信号处理课程内容的理解和把握也更加深入。通过实践，授课教师不断优化教学策略和方法，有效提升了自身的教学水平和素养。

结语

本文针对自适应信号处理课程教学改革进行研究与探索。针对自适应信号处理课程特点，深度剖析工程应用与理论研究的内在关联，将声呐设计与研制等工程实践活动中遇到的问题与课堂讲授内容相结合，提出“PBL+翻转课堂”的自适应信号处理教学模式，以工程需求牵引基础理论教学，激发学生学习的主动性和积极性，全面提升科技创新型人才自主培养水平。

参考文献：

［1］郝宇，邱龙皓，邹男，等.无人平台自主探测声呐的发展现状和展望［J］.哈尔滨工程大学学报，2021，42（09）：13471354.

［2］张晓光，段元星，王艳芬.混合教学模式下“现代信号处理”案例教学探索［J］.教育教学论坛，2021（15）：2225.

［3］苗丹，卢伟.以项目为驱动的信号处理类课程教学改革实践［J］.实验室研究与探索，2021，40（01）：212217.

［4］李建龙，徐元欣，潘翔，等.“数字信号处理”课程改革探索及实践［J］.工业和信息化教育，2023（07）：7376+82.

［5］马雷，时愈，元海文.“数字信号处理”课程层次化教学设计研究［J］.教育教学论坛，2023（25）：6770.

［6］董霞，马凤英，俞晓冬.基于“四融合”翻转课堂教学的电工学课程建设［J］.学园，2023，16（31）：6668.

［7］马润梅，李双喜，于洪杰.工程热力学混合式翻转课堂教学实践与反思［J］.中国现代教育装备，2023（19）：6164.

［8］周志进，谢怡雯.翻转课堂下微积分课程教学创新改革研究［J］.知识文库，2023，39（19）：147150.

［9］翟小静.“PBL+翻转课堂”教学模式在信息素养教学中的应用研究［J］.陕西教育（高教），2022（06）：5657.

［10］郑建祥，刘洪宪，杨美.PBL教学模式下计算流体动力学教学案例及其效果研究［J］.黑龙江科学，2023，14（19）：115117.

［11］李超.基于PBL人工智能实践类课程教学研究［J］.山西青年，2023（20）：4648.

基金项目：哈尔滨工程大学2023年教学改革研究项目“面向创新型人才自主培养的自适应信号处理课程改革与实践”

作者简介：郝宇（1993—），男，汉族，黑龙江齐齐哈尔人，博士，讲师，研究方向：水声信号处理。

*通讯作者：邱龙皓（1988—），男，汉族，吉林四平人，博士，讲师，研究方向：水声信号处理。