面向科研创新的“数字信号处理”实验改革探索

［摘 要］ 培养创新人才是教育的重要任务，科研是培养创新人才的第一步。“数字信号处理”作为电子信息类的专业基础课程，理论性较强，实验教学是理论联系实际的重要环节。将教学实践与科学研究相结合，以科研创新为导向进行实验教学的改革探索。从实验课程内容、教学形式、考核方式及实验报告四个方面实施改革方案，注重融入科研创新，拓宽学生的国际化视野，有效提高学生的独立创新和科研能力。

［关键词］ 科研创新；数字信号处理；实验改革；国际化视野

［基金项目］ 2023年度郑州大学教育教学改革研究与实践项目“以研究应用为导向的‘数字信号处理’实验课程教学创新与实践”（2023ZZUJGXM187）；2023年度河南省高等学校重点科研项目“基于超声射频信号的乳腺肿瘤分割方法研究”（23A510011）；2022年度郑州大学课程思政教育教学改革示范课程重点项目“通信原理课程思政教育教学改革研究”（2022ZZUKCSZ024）

［作者简介］ 韩素雅（1992—），女，河南平顶山人，博士，郑州大学电气与信息工程学院通信工程系讲师，主要从事生物医学信号处理研究；朱政宇（1988—），男，河南周口人，博士，郑州大学电气与信息工程学院通信工程系副教授，主要从事移动智能通信与信号处理研究；郝万明（1988—），男，河南林州人，博士，郑州大学电气与信息工程学院通信工程系副教授（通信作者），主要从事无线信号处理研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）12-0099-04 ［收稿日期］ 2023-03-09

引言

近几年来，新工科［1］概念受到了高等教育界的广泛关注。新工科建设重点关注学生培养模式的创新，注重理论探索、教学实践与科学研究的结合。以学生为中心，以科研探索为导向，以学生学习产出为指导方针，着重培养学生的创新精神和科学实践能力。党的二十大强调“科技强国”“人才强国”及“创新在我国现代化建设全局中的核心地位”［2］。创新引领发展，科研实现人才强国战略。19世纪初，著名教育学家威廉·冯·洪堡（Wilhelm von Humboldt）提出了将教育与科研相结合的理念，科学研究以创新为导向，重在激发学生的专业兴趣，从而提高教学质量［3］。然而，当前“科研与教学统一”的思想还处于理论尝试阶段，并未实际运用在课堂。工程教育以学生为中心，旨在引导学生运用理论知识解决实际问题，注重对学生解决复杂工程问题能力的培养［4］。众多高校在各专业开展以教学促进科研、以科研反哺教学的尝试［5-7］。

“数字信号处理”［8-9］是电气信息类学科的一门专业基础课，是“数字图像处理”“计算机视觉”等课程的基础，对促进数字化的发展有重要作用。实验是“数字信号处理”课程的重要组成部分，是连接理论与实际的桥梁，目的是通过实验培养学生运用理论知识解决实际问题的创新思维方式和独立思考能力。

一、现状分析

实验课程的目的是使学生能够掌握并应用数字信号处理技术解决实际问题。随着全球数字化信息化的飞速发展，课程内容更新慢，实验课程内容简单，与理论发展和社会实践脱节。简单的课堂讲解和实验复刻导致学生课程参与度不高，分析和解决问题的能力没有得到锻炼，甚至有个别学生在课程结束后不能灵活使用MATLAB编程的基础知识。课堂验收无法做到精细化管理，较难把握学生的实际进度；实验报告格式千篇一律，缺乏真正的实践理解与总结，背离了开设实验课的目的和初衷。综上分析，主要原因有以下几个方面。

1.实验课程内容设置简单。目前数字信号处理实验内容和题目根据课程设计安排，以课程理论的验证和简单应用为主。简单套路化的课程内容缺乏创新性和时效性，对学生理解、应用、独立思考方面锻炼不足。

2.实验教学形式单一。实验内容跟随理论课程进度，方便学生对理论知识点的理解、验证和应用。学生在实验中可能遇到的绝大多数问题可以通过教师的讲解和演示解决，还原实验结果可参考教材，但降低了学生主动思考、学习的积极性。

3.考核方式固化。实验课成绩由三部分组成：出勤率、实验完成情况和实验报告。因实验内容经久不变，学生可轻松地在网络或教辅资料中获取实验代码和结果。格式化的实验报告，导致学生的自主学习能力和实验操作水平较难评估。

4.实验报告格式单一。传统实验报告主要包括：实验目的、实验原理、实验内容及结果、实验总结与思考。实验课文件中有实验目的、原理和内容，很大程度上降低了学生思考、实践、学习以及总结的积极性。

本文以“数字信号处理”实验课程为例，针对课程中存在的问题，提出面向科研创新的实验课程改革方案。必须重视新工科工程教育背景下的实验教学工作，以学生为中心，培养学生创新和独立解决实际问题的能力。以简单的实际科研应用为基础新增实验内容，培养学生应用理论知识解决实际问题的能力。引导学生对实验内容进行创新，鼓励学生阅读相关研究论文。将科学研究的创新精神融入实验教学，激发学生的专业兴趣，增强学生的自主创新意识，提高教育教学质量。

二、改革内容

本文面向科研创新理念的“数字信号处理”实验改革，按照新工科背景下工程教育对“数字信号处理”实验课程质量的要求标准，响应党的二十大科教兴国、人才强国、创新驱动发展战略，将教学实践与科研创新相结合，培养学生应用研究、创新思考、分析总结的能力。分别针对当前存在的实验课程的内容设计简单、教学形式单一、考核方式固化以及实验报告格式单一等四个问题进行改善，形成“数字信号处理”实验管理框架，如图1所示。

为有效培养学生独立创新、工程实践、国际交流能力和科研创新素养，根据实验课程的基本情况，结合实际教学特点，具体的改革内容包括以下几方面。

1.加强课程内容设计，避免出现内容过于简单，导致学生参与度低的情况。近年来，课程多采用线上与线下结合的方式，这对于自律和自学能力强的学生影响较小，但无法保证积极性不高的学生的学习质量。对此，需要加强课程内容设计，提高学生的学习积极性，引导学生了解相关科研领域，鼓励学生创新拓展。为不同层次学生设计不同的难易程度，避免出现简单陈旧的内容。为避免线上学习或团队实验降低学生对课程的重视程度，设计了特殊的互动环节，提高学生的自我学习能力，加强学生对“数字信号处理”实验课程的重视程度。

2.教学形式注重多样化，避免枯燥授课。教学是教师向学生传递信息的重要途径，为达到高质量的授课效果，对课程教学形式的多样性和趣味性提出了更高的要求。在开展实验课程前引导学生了解相关理论的国际新进展，鼓励延伸实验，充分调动学生创新的积极性。注重教学形式的多样化，挣脱课程内容的枷锁，围绕知识点展开实际应用举例，增加趣味小实验，介绍国内外相关领域的研究现状，将科研实践融入教学活动，保证学生对知识点的理解和掌握，并积极引导学生创新应用。

3.多维度考核，注重实际教学产出。考核作为课程设计的重要环节，可以检验学生对课程内容的学习掌握情况，了解授课效果，总结授课经验。现有的简单固化的实验课程考核方式，较难评判学生的实验能力与实际掌握情况。因此，需要考虑进行多维度考核，可以在确保课堂实验完成度的基础之上增加互动验收环节，在增强师生互动的同时，有助于教师深层了解学生的学习效果。另外，也需要注重实际教学成果的产出，提高学生运用实验理论解决相关实际问题的能力。

4.重新设计实验报告格式及内容，提升学生独立思考和总结归纳能力。实验报告是实验课程的重要输出物，固有的实验报告中实验目的与原理的内容已在课本中详细给出，限制了学生的主观能动性以及独立思考能力。因此，需要在现有的实验报告格式以及内容上进行改革，促使学生发挥主观能动性，积极主动地解决问题。另外，可以添加对相关领域国内外研究现状的了解并进行高质量的总结，学习整理归纳知识，有助于培养学生的科研能力和创新思维。

三、实践探索

本文将根据“数字信号处理”实验课程的具体要求，结合目前梳理出的改革内容，提出如下具体改革措施。

1.理论联系实践，培养学生的创新能力。电子信息类专业要求毕业生具备扎实的理论技术与突出的实践创新能力，能适应社会相关行业的需求。课程内容设计直接影响学生创新实践能力目标的达成，结合当下数字信号处理国内外研究现状及在工程中的应用，加强课程内容与实际的联系，添加难易适中的应用实例实验。数字信号处理实验主要包括采样、频谱分析、滤波器设计和综合实验等，课程内容以小实验单独呈现，缺乏连续性和承接性，不利于对模拟信号数字化处理过程的理解。可根据最常用的语音信号处理过程设计实验内容，通过对语音信号的采样、频谱分析、加噪、去噪、检测等实验内容，使整个模拟信号的数字处理过程相联系，加深学生对理论知识的理解及应用。也可以让学生自己生成模拟信号并对其进行数字域处理，鼓励学生实践创新，实现更有意义的信号处理过程。整个实验课程内容不仅增加了趣味性，还能够提高学生对数字信号处理技术在工程应用中的认识。

2.增强师生互动，提升学生的课堂参与度。通常实验课教学过程主要分为课前、课中与课后三个阶段。课前教师可以先整理一到两篇与课程实验内容相关的小论文，提前一节课发给学生，让他们尝试阅读理解并重现论文中相关理论的实际应用。引导学生根据实验内容对理论知识解决现实问题的情况进行思考，并主动了解国内外相关理论的研究现状，培养研究思维。在课上，学生根据预习思考的总结与教师讨论实验创新内容，在课上探索创新应用实验，并将课堂实验收获与教师分享讨论。

3.多维度考核，注重实际产出。现阶段的各类实验课考核指标主要由以下三个组成部分：出勤、实验完成度、实验报告。在信息高度共享的新时代，学生课前可通过网络获取所有课程内容所需代码，直接运行即可完成课堂实验验收，在实验结果相同的情况下，实验报告总结内容区别甚微。据此，学生学习和实践能力很难被评判，需要建立多维度考核标准。除旧的考核项目外，可添加课堂表现、拓展问答、实验创新等环节，对思维比较活跃、对理论理解比较透彻、对研究现状比较了解或创新产出较丰富的学生给予高分鼓励。

4.重新设计实验报告格式，提升学生独立思考和总结归纳能力。独立思考和总结归纳能力是科研能力中比较重要的两个部分，需要长时间地投入和培养。通用的实验报告包括实验目的、实验原理、实验步骤与实验结果等部分，一定程度上限制了学生独立思考的能力。为锻炼学生的总结归纳以及报告整理能力，实验报告可借鉴科研小论文的形式，为毕业时的大论文及有兴趣继续从事科研的学生打好基础。

结语

针对文中“数字信号处理”实验课程存在的问题，本文提出面向科研创新的实验改革方案。添加实际应用实验内容，培养学生应用理论知识解决实际工程问题的能力；引导学生对实验内容进行思考和创新，鼓励学生阅读相关研究论文，授课教师全程参与课内外指导交流；设计多维度的考核方案，加强学生对理论的思考，锻炼学生的分析表达和思考总结能力。

参考文献

［1］林健.引领高等教育改革的新工科建设［J］.中国高等教育，2017（Z2）：40-43.

［2］习近平：高举中国特色社会主义伟大旗帜 为全面建设社会主义现代化国家而团结奋斗：在中国共产党第二十次全国代表大会上的报告［EB/OL］.（2022-10-25）［2023-02-05］.http：//www.gov.cn/xinwen/2022-10/25/content_5721685.htm.

［3］董显娟，徐勇，李宁，等.科研融入教学在《材料成型工艺基础》课程改革中的探索与实践［J］.中国多媒体与网络教学学报：电子版，2020（34）：89-91.

［4］李童，杨楠.新工科背景下学生友好型案例教学的理念、构建与实践［J］.高等工程教育研究，2022（1）：29-34.

［5］张进良，张靖晗，谈桂芬.科研成果转化为“信息技术教学应用”教学资源的实践探索［J］.当代教育理论与实践，2022，14（4）：137-142.

［6］刘双清，王俊琳，文鼎，等.高校科研成果转化为本科教学资源的改进途径和机制创新［J］.吉林省教育学院学报，2022，38（8）：142-145.