基于目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字信號(hào)處理課程模塊化教學(xué)改革

李繼猛　謝平　江國(guó)乾　林洪彬　杜義浩

[摘要]結(jié)合測(cè)控技術(shù)及儀器專業(yè)培養(yǎng)需求及教學(xué)改革現(xiàn)狀，以學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力綜合培養(yǎng)為目標(biāo)，針對(duì)測(cè)控專業(yè)數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)活動(dòng)中存在的問題與不足，基于CDIO理念提出了“基于目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字信號(hào)處理課程模塊化教學(xué)改革”新思路。該教學(xué)模式構(gòu)建了由課堂講解、MATLAB作業(yè)、綜合實(shí)驗(yàn)、課堂討論、項(xiàng)目設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)構(gòu)成的模塊化教學(xué)體系，通過建立課程培養(yǎng)目標(biāo)能力需求，強(qiáng)化重點(diǎn)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究式學(xué)習(xí)；通過設(shè)定問題和目標(biāo)引導(dǎo)學(xué)生自主實(shí)踐，培養(yǎng)其學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)學(xué)習(xí)能力。這種教學(xué)模式將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，以鍛煉學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決信號(hào)處理相關(guān)問題的能力，增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作及合作交流能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)術(shù)理論素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力的綜合提升。通過兩年的教學(xué)改革實(shí)踐，在教學(xué)質(zhì)量改善和學(xué)生綜合能力提升等方面取得了良好效果。

[關(guān)鍵詞]CDIO；模塊化教學(xué)改革；項(xiàng)目式教學(xué)；數(shù)字信號(hào)處理

[中圖分類號(hào)]G642.0；G420 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1005-4634（2016）04-0061-05

0 引言

CDIO工程教育模式是近年來國(guó)際工程教育改革的最新成果，代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（De-sign）、實(shí)現(xiàn)（Implement）及運(yùn)作（Operate），以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。目前，我國(guó)工科的教育實(shí)踐尚存在以下問題：重理論輕實(shí)踐、強(qiáng)調(diào)個(gè)人學(xué)術(shù)能力而忽視團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、重視知識(shí)學(xué)習(xí)而輕視開拓創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等問題。因此，根據(jù)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》，教育部啟動(dòng)了工程教育改革“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，構(gòu)建符合中國(guó)特色的工程人才培養(yǎng)模式。現(xiàn)在越來越多的工程院校開始關(guān)注應(yīng)用性高層次工程技術(shù)人才的培養(yǎng)工作，并推行實(shí)施了一系列教學(xué)改革，取得了良好效果。

數(shù)字信號(hào)處理是為電子信息工程、測(cè)量與儀器儀表、自動(dòng)化等專業(yè)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，旨在使學(xué)生正確掌握測(cè)試信號(hào)的采集、變換、分析及處理等基本原理與方法，并應(yīng)用于工程實(shí)際。而該課程理論性較強(qiáng)，基本原理與數(shù)學(xué)概念抽象，學(xué)生在被動(dòng)接受的情況下不易理解、難以實(shí)現(xiàn)靈活運(yùn)用；而且，實(shí)踐教學(xué)作為該課程的重要組成環(huán)節(jié)，很多高校未能將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，而是單獨(dú)設(shè)置，使得學(xué)生難以將理論應(yīng)用于實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識(shí)的工程化。因此，數(shù)字信號(hào)處理作為理論性和實(shí)踐性要求均較強(qiáng)的一門綜合課程，如何有效組織理論教學(xué)內(nèi)容并適當(dāng)增加實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生打好理論基礎(chǔ)的同時(shí)提高應(yīng)用技能，實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”是值得探討和解決的關(guān)鍵問題。

為此，針對(duì)測(cè)控專業(yè)的授課體系和學(xué)生的知識(shí)架構(gòu)，燕山大學(xué)自2003年起對(duì)該課程的教學(xué)手段和教學(xué)方式進(jìn)行了系列改革，編寫了配套教材，并結(jié)合多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，豐富課堂教學(xué)內(nèi)容和課下自主學(xué)習(xí)模式，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。2013年，隨著CDIO教學(xué)模式的探索和相關(guān)教學(xué)改革項(xiàng)目的實(shí)施，提出了一種基于目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字信號(hào)處理課程模塊化教學(xué)模式，以滿足測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的培養(yǎng)需求。這種教學(xué)模式將理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析和解決問題的能力，增強(qiáng)學(xué)生間合作和溝通技巧，鍛煉綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，從而提高學(xué)生的“CDIO”技能。

1 基于CDIO理念的教學(xué)改革直大力支持并推廣開展工程教育改革與創(chuàng)新、CDIO教學(xué)模式的實(shí)踐與探索等工作，工程教育課程體系中的核心課程均采用基于CDIO理念的項(xiàng)目式教學(xué)，將理論學(xué)習(xí)和項(xiàng)目實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，著重從工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力等4個(gè)層面培養(yǎng)高層次工程技術(shù)人才。在此背景下，針對(duì)燕山大學(xué)測(cè)控專業(yè)數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)現(xiàn)狀，本文提出了基于目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字信號(hào)處理課程模塊化教學(xué)改革模型，如圖1所示，即分別按照CDIO的不同階段和完成設(shè)定任務(wù)的具體過程（調(diào)研、討論與分解、設(shè)計(jì)與分析、實(shí)現(xiàn)與評(píng)價(jià)），搭建由“課堂理論教學(xué)一MATLAB作業(yè)”和“綜合實(shí)驗(yàn)-課下查閱”和“課堂討論一項(xiàng)目綜合實(shí)踐構(gòu)成的模塊化教學(xué)及實(shí)踐模型”。基于該教改模型，數(shù)字信號(hào)處理課程將課堂教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，為學(xué)生提供更多接觸信號(hào)處理領(lǐng)域工程實(shí)際問題的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)去解決實(shí)際工程問題，并通過提問、討論、分析和實(shí)踐等方式使學(xué)生更好地理解掌握課程課堂教學(xué)內(nèi)容，“學(xué)”為“做”提供指導(dǎo)，“做”為“學(xué)”提供驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)“學(xué)”與“做”的交叉互動(dòng)。通過該課程的教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考的能力、分析和解決信號(hào)處理相關(guān)實(shí)際問題的能力，鍛煉學(xué)生的CDIO技能，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

課程教改實(shí)施的首要前提是教學(xué)體系的構(gòu)建，即教學(xué)內(nèi)容組織和教學(xué)方式調(diào)整，基于圖1中教學(xué)改革模型展開的數(shù)字信號(hào)處理課程模塊化教學(xué)改革體系如圖2所示，即將理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)有效統(tǒng)一于教學(xué)體系下，并與課程培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成一致。

1.1 能力目標(biāo)設(shè)定和教學(xué)體系構(gòu)建

1.2 教學(xué)內(nèi)容組織和教學(xué)方式調(diào)整

目標(biāo)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)出發(fā)點(diǎn)是以專業(yè)能力培養(yǎng)的目標(biāo)需求為導(dǎo)向，構(gòu)建課程知識(shí)體系和實(shí)施方式，即分別以知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和情感目標(biāo)3方面構(gòu)建本課程的教學(xué)目標(biāo)和組織方式。在此基礎(chǔ)上，按照模塊化教學(xué)改革模型修訂課程教學(xué)大綱及教學(xué)計(jì)劃，完善教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容設(shè)置；以實(shí)踐能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，增加課程討論、項(xiàng)目作業(yè)等實(shí)踐環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)，并與現(xiàn)有實(shí)踐環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合、統(tǒng)一調(diào)整，形成基于CDIO的模塊化教學(xué)體系。

與通信工程等專業(yè)不同，測(cè)控專業(yè)數(shù)字信號(hào)處理課程的定位是：在學(xué)生沒有“信號(hào)與系統(tǒng)”先修課程的基礎(chǔ)上，以離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)為主線，適當(dāng)補(bǔ)充連續(xù)時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，并注重理論教學(xué)和工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)知識(shí)到能力的整合及遷移。教學(xué)內(nèi)容組織和教學(xué)方式改革遵循以下原則：（1）知識(shí)的系統(tǒng)性和對(duì)稱性（如連續(xù)和離散、時(shí)域和頻域、各種傅里葉變換等）；（2）理論和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合（理論講解和工程實(shí)例、習(xí)題解答和大作業(yè)實(shí)踐）；（3）課堂講授和自主學(xué)習(xí)相結(jié)合（知識(shí)主線學(xué)習(xí)和項(xiàng)目實(shí)踐）?；谏鲜鲈瓌t確定各專業(yè)知識(shí)點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容的組織方式，實(shí)現(xiàn)課堂講授及討論、課程實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目實(shí)踐的靈活教學(xué)組織。同時(shí)，根據(jù)本課程教學(xué)重點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用背景，確定符合專業(yè)背景的工程應(yīng)用實(shí)例和學(xué)生實(shí)踐題目，并按預(yù)定安排和實(shí)現(xiàn)方式予以實(shí)施。

1.3 模塊化教學(xué)模式

基于CDIO的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)改革模式的核心是各教學(xué)模塊的靈活實(shí)現(xiàn)及有效結(jié)合，教學(xué)過程體現(xiàn)為以理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩條線索相互貫穿互為支撐，使學(xué)生在“學(xué)習(xí)一思考一實(shí)踐”的有機(jī)結(jié)合中培養(yǎng)其分析問題和解決問題的綜合能力。圖3所示為模塊化教學(xué)體系的組織方式。

1）理論教學(xué)。理論教學(xué)是課程的基礎(chǔ)，針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)內(nèi)容的抽象性特點(diǎn)，在理論教學(xué)中采取以下教學(xué)方法。（1）突出知識(shí)線索：注重核心知識(shí)點(diǎn)的深入講解，強(qiáng)調(diào)三個(gè)突出，即重點(diǎn)突出、線索突出、導(dǎo)引突出；注重知識(shí)對(duì)稱性講解（時(shí)-頻、連續(xù)-離散）和連貫性講解（不同F(xiàn)T變換及Z變換等）；（2）采用理論推導(dǎo)、實(shí)例分析及演示、案例教學(xué)和前沿介紹相結(jié)合的方法，幫助學(xué)生加深對(duì)信號(hào)處理關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)及應(yīng)用方法的理解；（3）針對(duì)重點(diǎn)問題布置課下作業(yè)和討論題目，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)某一任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行課下查閱、MATLAB軟件設(shè)計(jì)及自主學(xué)習(xí)，并為后續(xù)項(xiàng)目實(shí)踐環(huán)節(jié)做鋪墊。

2）項(xiàng)目式教學(xué)。在理論教學(xué)的同時(shí)，針對(duì)課程需要重點(diǎn)掌握的核心知識(shí)點(diǎn)，如信號(hào)的頻域分析、數(shù)字濾波等問題，設(shè)定符合工程應(yīng)用背景的典型應(yīng)用問題和實(shí)踐題目，并按照課下查閱、課堂討論及匯報(bào)、項(xiàng)目設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)予以實(shí)施。針對(duì)教學(xué)內(nèi)容中的重要理論知識(shí)，選取具有一定工程意義且普遍關(guān)注的問題作為討論題目，例如：（1）MH370黑匣子與信號(hào)處理；（2）“因聲辨人”中蘊(yùn)含的信號(hào)處理知識(shí)及其相關(guān)原理等，以小組合作的方式開展課下查閱和分析，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析實(shí)際問題，通過匯報(bào)、答辯交流及教師點(diǎn)評(píng)等方式，加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，實(shí)現(xiàn)循序漸進(jìn)式學(xué)習(xí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力、信息加工及語言表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在對(duì)信號(hào)處理某一應(yīng)用問題及原理等相關(guān)題目進(jìn)行分析研討的基礎(chǔ)上，將已經(jīng)開展的MATLAB作業(yè)進(jìn)一步擴(kuò)展為項(xiàng)目設(shè)計(jì)，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有機(jī)銜接，構(gòu)成本課程的項(xiàng)目實(shí)踐環(huán)節(jié)。本課程開展的模塊化教學(xué)改革及項(xiàng)目實(shí)踐過程見圖4?？梢姡撃K化教學(xué)方式既體現(xiàn)了“以學(xué)生為主體、以教師為輔助”的互動(dòng)教學(xué)過程，又將構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及運(yùn)作的CDIO理念有機(jī)整合于目標(biāo)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)環(huán)節(jié)中。通過這種模塊化項(xiàng)目教學(xué)方式的有效實(shí)施，學(xué)生初步掌握了運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決信號(hào)處理相關(guān)問題的軟件設(shè)計(jì)能力，具備對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和解釋能力，也培養(yǎng)了學(xué)生解決工程問題的思維能力和合作交流能力。

3）教學(xué)考核方式。為提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，考核采用多環(huán)節(jié)綜合評(píng)定的方式。本門課程的考核由6部分組成，分別為平時(shí)出勤成績(jī)（5%）+作業(yè)成績(jī)（10%）+討論課成績(jī)（0%）+三級(jí)項(xiàng)目成績(jī)（15%）+實(shí)驗(yàn)成績(jī)（10%）+結(jié)課考試成績(jī)（50%），實(shí)驗(yàn)成績(jī)由實(shí)驗(yàn)出勤（60%）+實(shí)驗(yàn)報(bào)告（20%）+實(shí)際操作（20%）組成。每個(gè)學(xué)生本門課程的總成績(jī)?yōu)樵撋蒙鲜?部分成績(jī)之和。試卷命題以教學(xué)大綱和教學(xué)要求為中心，以教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容為主線，既注重基本內(nèi)容及實(shí)際應(yīng)用，又包含綜合分析，覆蓋每一章的知識(shí)重點(diǎn)，以體現(xiàn)學(xué)生的綜合素質(zhì)，提高了教學(xué)效果。同時(shí)，建立了一套基于調(diào)查問卷的反饋評(píng)價(jià)機(jī)制，針對(duì)教師的授課內(nèi)容、授課方式、討論課題目和組織方式、三級(jí)項(xiàng)目實(shí)施效果等進(jìn)行問卷調(diào)查，歸納總結(jié)并及時(shí)修正教學(xué)改革中的不足，如實(shí)驗(yàn)成績(jī)中出勤所占比重較大，弱化了學(xué)生動(dòng)手操作和報(bào)告撰寫能力在考核中的權(quán)重，所以，在后續(xù)教學(xué)活動(dòng)中，將實(shí)驗(yàn)成績(jī)分布調(diào)整為出勤（20%）+實(shí)驗(yàn)報(bào)告（40%）+實(shí)際操作（40%）。通過這種不斷的總結(jié)和調(diào)整，逐步實(shí)現(xiàn)課程改革的最優(yōu)化。

3 結(jié)論

為檢驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)施情況和實(shí)際效果，分別對(duì)教學(xué)改革前（測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)2008、2009級(jí)各50人）和教學(xué)改革后（測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)2010、2011級(jí)各50人）就數(shù)字信號(hào)處理課程的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，通過結(jié)合工程背景的理論教學(xué)，使學(xué)生對(duì)理論學(xué)習(xí)的滿意程度由改革前的75%提高至改革后的85%：85%的學(xué)生認(rèn)為這種教學(xué)方法有助于理解課程中的基本概念和方法：75%的學(xué)生認(rèn)為這種教學(xué)方法中的課程實(shí)驗(yàn)加深了對(duì)理論學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解：80%的學(xué)生認(rèn)為這種基于CDIO的實(shí)踐教學(xué)方法對(duì)本課程的工程實(shí)踐具有啟發(fā)作用；75%的學(xué)生認(rèn)為這種模塊化的教學(xué)方法有助于學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容體系的理解；超過80%的學(xué)生認(rèn)為自己發(fā)現(xiàn)問題、文獻(xiàn)查閱與分析、解決問題、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等能力得到了顯著提升。

針對(duì)目前數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)過程中存在的問題與不足，提出了一種基于目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字信號(hào)處理課程模塊化教學(xué)改革新模式，將數(shù)字信號(hào)處理課程中的理論教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，建立了由課程培養(yǎng)目標(biāo)、課堂討論、綜合實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐等構(gòu)成的模塊化教學(xué)和實(shí)踐系統(tǒng)，在強(qiáng)調(diào)學(xué)生理論基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，注重培養(yǎng)學(xué)生的理論應(yīng)用能力、團(tuán)隊(duì)合作能力及工程系統(tǒng)能力，并取得了良好效果。這種教學(xué)改革模式將理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐訓(xùn)練相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題與解決問題的能力，加強(qiáng)合作和溝通技巧，促進(jìn)綜合實(shí)踐與創(chuàng)新能力，有助于高層次工程技術(shù)人才的培養(yǎng)。