“数字信号处理”课程教学目标达成改革与探索

[摘 要] 针对面向新工科人才培养的需求，深入分析课程教学中存在的教师难教、学生难学的两难困境，提出了重构课程教学目标、优化教学内容、创新教学方法的改革方案。从任职岗位和职业发展需求出发，按照知识目标、能力目标、情感目标三个维度对课程教学目标进行了重新设计，探索实践达成教学目标的两大举措：优化重组教学内容和“三位一体”的教学方法改革。三年教学实践表明：教学改革更加强化知识、能力和素养的有机融合，并且成效明显，可为面向应用型人才培养的“数字信号处理”课程建设提供新思路。

[关键词] 教学目标;“数字信号处理”;教学改革

[基金项目] 2020年度陆军工程大学教学成果立项培育项目“聚焦‘四力’培养的数字信号处理教学改革与实践”（LGD_JXCG_003）

[作者简介] 江 汉（1977—），男，湖北广水人，博士，陆军工程大学通信工程学院副教授（通信作者），主要从事无线通信和智能信号处理研究;徐以涛（1971—），男，山东临沂人，博士，陆军工程大学通信工程学院教授，博士生导师，主要从事无线通信信号处理研究。

[中图分类号] G426 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）35-0069-04 [收稿日期] 2021-04-15

一、重构教学目标的必要性

（一）课程性质与地位

“数字信号处理”是陆军工程大学战场机动通信技术与指挥（通信工程）专业机动骨干、机动接入方向本科生的一门专业背景必修考试课程。课程主要研究离散时间信号的获取、变换、分析、滤波等基本原理、基本规律和方法手段。在整个人才培养方案的课程体系中处于承上启下的关键地位，属于人才培养方案中的大纲课程。通过本课程的学习，对于夯实信号处理基础理论，培养学生的科学思维能力、分析计算能力和创新研究能力具有重要作用。

新工科发展战略对我国高等工程教育提出了新要求，更加注重对学生创新思维、工程实践等方面能力的塑造。以“数字信号处理”课程为例，其相关理论和技术近三十年来取得了飞跃性发展，已经渗透到生产和生活的各个领域。“数字信号处理”不仅是电子工程、通信工程、语音处理、图像处理等传统本科专业的核心课程，也成为大数据、人工智能、物联网工程等新工科专业重要的基础课程[1]。传统的课程教学目标已经不能满足面向新工科人才培养的需求[2-4]，因此，重构“数字信号处理”课程的教学目标，对探索达成教学目标的教学改革与实践，适应新工科的发展变化需求具有重要意义。

（二）“数字信号处理”教学存在的问题

“数字信号处理”是一门理论性较强的专业基础课程，包含了很多抽象的概念和理论，一些定理和结论的推导涉及复杂的数学过程，对学生的数学功底要求较高，与“高等数学”“复变函数”“信号与系统”“数字电路”等先修课程的相关内容联系紧密。同时，“数字信号处理”是一门理论和应用结合非常密切的课程，教学内容在实际科研、工程中有着广泛的应用场合[5，6]。传统教学存在重理论、轻实践，理论知识灌输多、综合运用的工程案例少的不足，学生对算法工程实现过程理解不深，缺乏对课程知识点的整体把握，实际工程应用创新能力薄弱，导致该课程教学处于一种教师难教、学生难学的困境。

二、重构设计课程教学目标

通过本课程的学习，学生掌握了“数字信号处理”的基本概念、基本原理和基本方法，具备对离散时间信号与系统进行分析、设计和仿真验证的能力，为后续课程奠定了必要的理论和实践基础。通过面向工程应用的数字信号与系统设计，将理论和实践相结合，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的工程应用能力，适应专业任职岗位和职业发展需要，从知识、能力、情感三个维度对总目标进行了分解，具体的重构设计见表1。

三、达成课程教学目标的举措

（一）优化重组教学内容，支撑知识目标

着眼于达成改革后的教学目标，以共同性的基本概念、基本理论和基本方法的内容为基础，以实践环节的内容为桥梁，以典型应用的内容为牵引，对原有的教学内容进行了重组和优化。按离散时间信号与系统的时域分析、离散时间信号与系统的频域分析、数字滤波器设计和多抽样率信号处理等四个模块重组及优化教学内容体系，建立了知识结构，如图1所示。删减与相关课程重叠、过时的内容，突出频谱分析和数字滤波的具体应用，增加和实际工程关联紧密的综合应用案例，形成服务于培养学生综合应用能力的课程内容体系。

对于教学目标中的知识目标达成，主要采用以下措施：内容选取上注重物理概念和数学概念的相互结合，夯实数字信号处理的基本概念、基本原理和基本方法，体现专业背景课程重基础、强素养的特征[7]。

对于教学目标中的能力目标达成，主要采用以下措施：采用融合问题引导、前后内容有机关联、现场实例演示的多样化课堂教学方法，对ZT、DTFT、DFT、FFT和IIR、FIR数字滤波器的设计等知识点进行分类比较和归纳总结，揭示问题的本质，掌握知识的发展脉络，促进学生对课程前后内容的融会贯通和实际应用能力的培养。采用以军事运用为牵引的案例化教学模式，将谱分析、数字滤波等理论技术与战场电磁频谱管控、抗干扰等实际应用相结合，培养学生将理论知识和实践工程相结合的应用能力，提高学生的信息化素养。

对于教学目标中的情感目标达成，主要采用以下措施：结合“数字信号处理”在通信保障、信息对抗、信号侦察等方面的应用，提高学生学习信号处理的紧迫感，激发学生的自豪感、使命感和责任感。对于课程中的FFT算法等重大理论和重大发现，引入科学大家解决重大问题的过程，让知识点鲜活起来，让学生感受到知识的温度。结合DFT谱分析的误差来源讨论，引导学生提炼从多角度看待、分析、解决问题的方法论。

（二）开展“三位一体”的教学方法改革，支撑能力目标

围绕课程教学目标，开展了精练课堂教学、强化实践教学、线上线下混合教学“三位一体”的教学方法改革。

1.精炼课堂教学。紧紧围绕“数字信号处理”课程标准的要求，精心选择教学内容，充分利用多媒体教学手段，力争做到在有限的教学课时内，使学生掌握数字信号处理的基本概念、基本原理和基本技术，培养学习能力，有效提高学生分析和解决实际问题的能力。

针对难以建立统一的物理概念、数学概念和工程概念而导致的难教和难学困境，我们充分挖掘现实生活中的数字信号处理问题，一方面采用图片、动态影像和软件模拟仿真等方式，对复杂、抽象的授课内容进行形象直观的描述，创设问题意境;另一方面将MATLAB演示实验融入课堂教学的案例中，以科学发展的实例或以科学家的发明思路引导学生获取知识、拓展知识，探索出一种融合问题引导、前后内容有机关联、现场实例演示的多样化课堂教学方法，较好地解决了“数字信号处理”难教难学的问题，有效保证了课堂的教学效果。例如，为了提高学生的学习兴趣，我们以MP3中的傅里叶变换为例，给出采用离散傅里叶变换（DFT）的巨大运算量问题，引导学生思考如何解决这一问题，然后再在DFT中利用对称性减小运算量的例子点题，进而详细讲解时域抽取法的数学公式，使学生自然进入解决这一问题的进程中，不至于感到枯燥无味，培养学生主动思维的意识。

2.强化实践教学。建成了集教学、实验和电子竞赛为一体的实践教学平台，开设了验证性、设计性、综合性和自主性等四个层次的实验。其中，验证性实验主要用于验证教科书中的基本理论和基本原理，如产生信号序列、进行有限长序列线性卷积、验证卷积定理和采样定理等。设计性实验主要根据所给定的参数，完成某些信号设计或系统设计，如利用窗函数法及频率采样法设计FIR数字滤波器等。综合性实验指完成涉及主要数字信号处理环节的实验，如通过对日常生活中最常用的声音文件的产生、处理及分析，将所学理论及实验串联起来，进一步加深对数字信号处理技术的认识，为以后在实际中运用数字信号处理技术打下基础。自主性实验主要源于国家和军队的研究课题，将教学组成员参与研制的军用通信装备、未来移动通信实验系统等项目中的子问题经过提炼后形成小课题，如短波电台中的干扰滤波、OFDM信道估计、OFDM信道均衡等。这些科研实践环节培养了学生的工程意识、动手能力和创新思维，使学生更好地理解了知识积累和知识创新的重要性[8]。

3.线上线下混合式教学。通过构建的自建+优选模式的微课视频课资源创建了线上学习环境，以傅里叶变换、滤波器设计等重点和难点内容为主，以线性卷积、因果稳定性判断、典型窗函数等知识碎片为辅，建设微课、慕课资源库，学生通过在线平台和移动学习设备，可以实现在任何时间、任何地点和任何形式的学习活动。教师在线下理论授课的同时，按照课程的知识结构图在基础模块、频谱分析模块、数字滤波器模块中分别设置一个专题研讨任务，对于基本的概念主题，小组分工后，协作查找资料，小组讨论后直接给出结论;对于进阶的辨析主题，除了分组讨论数字信号处理的基本理论外，还需要发挥组内学生各自的特长，分别开展理论推导和仿真验证;有些主题内容较深，则需进行线下全班集体讨论，目的是让学生在一个完整、真实的问题背景下产生学习的需求，通过学生间的互动交流，即合作学习，从而达到学习的目标。

四、改革初步成效

（一）学生评教反馈

课程组所在学院的教务机构每学期会组织学生从教学态度、目标、内容、方法、效果等五个方面对其所在班的任课教师进行独立评价，形成评教数据。从评教数据可以看出，学生对授课教师的教学态度、教学内容、教学方法和对学生的认可度等方面均有很大程度的提高。

（二）考核成绩对比

经过三年的教学实践，优秀率（90分以上）和良好率（80～90分）都有了较大程度的提高，同时，不及格率逐年递减。学生的综合运用和创新能力得到了提高，依托课程的实践教学体系，课程组教师指导20余名本科生、研究生参加了大学/全军/全国各类科创竞赛和电子设计竞赛，获得省级/军队级奖项5项，大学“卓越杯”竞赛奖项2项。

结语

面向新工科的培养需求，按照教育部提出的“两性一度”的精品课程建设标准，对课程的教学目标进行了重新设计，改革后的教学目标更加注重以学生为中心，以成果为导向，强化知识、能力和素养的有机融合，适应新工科背景下培养学生解决复杂工程问题的能力、高阶思维方式及创新能力的时代需求。

参考文献

[1]徐以涛，江汉，童晓兵，等.聚焦“四力”培养的“数字信号处理”课程教学改革[J].电气电子教学学报，2021，43（6）：42-46.

[2]周开发，曾玉珍.新工科的核心能力与教学模式探索[J].重庆高教研究，2017，5（3）：22-35.

[3]吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科 主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[4]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017，38（2）：26-35.

[5]江汉，徐以涛，沈良.线性卷积与循环卷积的教学研究[J].电气电子教学学报，2016，38（4）：72-74.

[6]张玉明，童晓兵，徐以涛.“数字信号处理”课程中插值实现的探讨[J].电气电子教学学报，2019，41（2）：41-44.

[7]王艳芬，王刚，陈世海，等.建构主义学习理论的教学模式研究与实践：以通信电子电路课程为例[J].实验室研究与探索，2018，37（7）：211-215.

[8]罗向龙，李晗，傅攀峰，等.新工科背景下通信工程专业信号处理课程群建设[J].教育现代化，2019，6（A4）：154-155.

Reform and Exploration on Teaching Objectives of Digital Signal Processing