“信號(hào)分析與處理”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

安樹(shù) 張晨光 付華

摘 要：在軍隊(duì)院校信息化教學(xué)改革不斷深化的背景下，根據(jù)合訓(xùn)學(xué)員的培養(yǎng)要求，將原《信號(hào)與系統(tǒng)》和《數(shù)字信號(hào)處理》的部分內(nèi)容，融合成《信號(hào)分析與處理》課程。為了提升課堂效率、提高教學(xué)質(zhì)量，在教學(xué)實(shí)踐中，提出教學(xué)內(nèi)容模塊化、教學(xué)模式多樣化和考核方式過(guò)程化等一系列改革措施，并取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 教學(xué)內(nèi)容模塊化；教學(xué)模式多樣化；考核方式過(guò)程化

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）01-0107-03

Abstract： With continuous development of information reform in teaching in military academies， we integrated part content of "Signals and Systems" and "Digital Signal Processing" into "Signal Analysis and Processing，" according to the training requirements of qualified students. In order to improve classroom efficiency and teaching quality， in the teaching practice， many reform measures are put forward， such as dividing teaching contents into modules， developing teaching methods into diversified forms， and turning evaluation methods into process， and favorable teaching results are achieved.

Keywords： divide teaching contents into modules； develop teaching methods into diversified forms； turn evaluation methods into process

為了加快推進(jìn)軍校教育向?qū)崙?zhàn)聚焦、向部隊(duì)靠攏，加速培養(yǎng)能打勝仗高素質(zhì)新型軍事人才，依據(jù)《2020年前軍隊(duì)院校教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》，我院在優(yōu)化課程體系、加強(qiáng)課程建設(shè)、創(chuàng)新教學(xué)模式等方面進(jìn)一步深化教學(xué)改革。正是在這樣的教學(xué)改革背景下，針對(duì)測(cè)控、雷達(dá)等電類合訓(xùn)學(xué)員開(kāi)設(shè)的《信號(hào)與系統(tǒng)》和《數(shù)字信號(hào)處理》兩門專業(yè)基礎(chǔ)課合為《信號(hào)分析與處理》一門課，且課程性質(zhì)定位為考查課，總學(xué)時(shí)為30學(xué)時(shí)。在內(nèi)容綜合、學(xué)時(shí)卻大幅削減的情況下，如何有效提升課堂效率、提高教學(xué)質(zhì)量是任課教員所面臨的一個(gè)難題。筆者經(jīng)過(guò)兩年的教學(xué)實(shí)踐，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核方式等方面進(jìn)行了一系列的改革嘗試，并取得了一定成功經(jīng)驗(yàn)。

一、教學(xué)內(nèi)容模塊化

根據(jù)對(duì)生長(zhǎng)干部學(xué)歷教育合訓(xùn)學(xué)員 “厚基礎(chǔ)、強(qiáng)軍政、會(huì)管理”的總體培養(yǎng)要求，以部隊(duì)需要和崗位需求為牽引，通過(guò)《信號(hào)分析與處理》課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)員掌握信號(hào)分析與處理的基本原理、方法和應(yīng)用，樹(shù)立工程意識(shí)和系統(tǒng)觀念，能理論聯(lián)系實(shí)際，解決裝備工程中的實(shí)際問(wèn)題。因此課程既要有堅(jiān)實(shí)的理論做支撐，又要體現(xiàn)一定的工程性，教學(xué)內(nèi)容決不能是《信號(hào)與系統(tǒng)》和《數(shù)字信號(hào)處理》兩門課程內(nèi)容的簡(jiǎn)單排列組合。綜合考慮各專業(yè)特點(diǎn)和與前修后續(xù)課程的銜接性，把教學(xué)內(nèi)容模塊化，共分為五大模塊，各個(gè)模塊既相互獨(dú)立又由淺入深，每個(gè)模塊下又分設(shè)基本知識(shí)點(diǎn)，具體內(nèi)容如圖1所示。

其中，信號(hào)與系統(tǒng)時(shí)域分析、信號(hào)與系統(tǒng)頻域分析兩大模塊下設(shè)的知識(shí)點(diǎn)又按照先連續(xù)再離散進(jìn)行講解。在現(xiàn)實(shí)生活中，我們接觸到的信號(hào)與系統(tǒng)大多是連續(xù)的，比較容易理解，而抽樣定理是連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)轉(zhuǎn)換的一座橋梁，因此連續(xù)與離散之間存在著一定的聯(lián)系和區(qū)別，通過(guò)類比的方法找出它們的相同和不同之處，這樣在有限的課堂時(shí)間內(nèi)更容易使學(xué)員理清脈絡(luò)、把握重點(diǎn)，從而理解掌握知識(shí)點(diǎn)。濾波器模塊也是按照先連續(xù)（模擬濾波器）后離散（數(shù)字濾波器），讓學(xué)員建立濾波器的基本概念，了解模擬濾波器與數(shù)字濾波器的優(yōu)劣，明白示波器參數(shù)指標(biāo)的含義，進(jìn)而根據(jù)性能指標(biāo)會(huì)設(shè)計(jì)濾波器。信號(hào)分析與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例作為課程的最后一個(gè)模塊，是綜合運(yùn)用前面幾個(gè)模塊所學(xué)知識(shí)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)真實(shí)的信號(hào)分析與處理系統(tǒng)，使學(xué)員在鞏固理論知識(shí)的基礎(chǔ)上拓展工程應(yīng)用。本實(shí)例為：設(shè)計(jì)一信號(hào)分析與處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)指定頻率信號(hào)的檢測(cè)，數(shù)據(jù)通過(guò)csv文件導(dǎo)入，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的濾波處理。所用的知識(shí)點(diǎn)有FFT及頻域顯示、加窗sinc低通濾波器內(nèi)核設(shè)計(jì)、高通濾波器內(nèi)核設(shè)計(jì)、卷積等，通過(guò)本實(shí)例的設(shè)計(jì)，使學(xué)員掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的四個(gè)步驟：需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

二、教學(xué)模式多樣化

《信號(hào)分析與處理》課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、原理概念抽象、數(shù)學(xué)推導(dǎo)多且具有很強(qiáng)的工程性，所以課程一直處于“教員難教、學(xué)員難學(xué)”的兩難境界。為了提高課程的教學(xué)效果，在傳統(tǒng)講授式教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，根據(jù)教學(xué)模塊的不同特點(diǎn)，引入研究式、討論式、案例式、實(shí)踐式等多種教學(xué)模式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性和發(fā)揮學(xué)員的主觀能動(dòng)性，鍛煉他們提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的工程思辨能力。

（一）研究式教學(xué)模式

研究式教學(xué)是指在教員的指導(dǎo)下，選擇適當(dāng)?shù)恼n題（或問(wèn)題），通過(guò)類似于科學(xué)研究的方法，讓學(xué)員針對(duì)“問(wèn)題”進(jìn)行科學(xué)研究，收集和分析所獲得的資料，讓他們親身體驗(yàn)運(yùn)用原有知識(shí)獲取新知識(shí)的過(guò)程，以提高他們分析和解決問(wèn)題的能力 [1]。

研究式教學(xué)模式可按照確定問(wèn)題→探索求證→討論交流→歸納總結(jié)四個(gè)步驟進(jìn)行，確定所研究的問(wèn)題既要體現(xiàn)教學(xué)的重點(diǎn)，又要引起學(xué)員的研究興趣和求知欲望，并且與學(xué)員的認(rèn)知能力、研究能力和已有的知識(shí)水平相適應(yīng)。教員為學(xué)員提供必要的資料索引，學(xué)員根據(jù)教員的指導(dǎo)，搜集資料、認(rèn)真研讀、理清思路、構(gòu)思方案，進(jìn)行探索求證。而討論交流是把研究式教學(xué)引向深入必不可少的步驟，它可以使學(xué)員將自己研究后的認(rèn)識(shí)、問(wèn)題，通過(guò)交換看法得到驗(yàn)證、比較和完善。每次討論由部分學(xué)員先做主題發(fā)言，大家再對(duì)其研究的過(guò)程和結(jié)論進(jìn)行分析討論，最后根據(jù)討論結(jié)果，取眾長(zhǎng)補(bǔ)己短，豐富初步設(shè)計(jì)方案，加深對(duì)知識(shí)的理解。歸納總結(jié)是研究式教學(xué)的提高階段，教員對(duì)討論的過(guò)程和知識(shí)點(diǎn)加以點(diǎn)評(píng)，并提出新問(wèn)題，進(jìn)一步延伸和拓展[2]。

卷積積分是《信號(hào)分析與處理》課程非常重要的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，它的應(yīng)用非常廣泛，選取學(xué)員所熟悉的“打電話時(shí)有時(shí)會(huì)聽(tīng)到回音”這樣一個(gè)場(chǎng)景，確定研究題目為：卷積積分的應(yīng)用——回音的產(chǎn)生和消除。通過(guò)研讀資料，使學(xué)員形成“通信系統(tǒng)的工作原理→回音產(chǎn)生的原因→回音系統(tǒng)建?！匾粝边@樣一個(gè)解決問(wèn)題的初步思路。其中“回音系統(tǒng)建?！焙汀盎匾粝?，需要運(yùn)用卷積積分的理論知識(shí)來(lái)進(jìn)行建模、分析，這兩部分是討論的重點(diǎn)。針對(duì)討論結(jié)果，歸納回音產(chǎn)生和消除系統(tǒng)的建模原理，并鼓勵(lì)學(xué)員課下運(yùn)用matlab仿真工具來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)；最后，通過(guò)此課題舉一反三，提出新問(wèn)題——雷達(dá)測(cè)距，使學(xué)員對(duì)所學(xué)知識(shí)在裝備上的應(yīng)用進(jìn)行思考和探知。

（二）討論式教學(xué)模式

討論式是一種進(jìn)行知識(shí)信息交流，智慧碰撞，互相啟迪的教學(xué)模式。它的基本特征是將單向平面型的知識(shí)傳遞變?yōu)槎嘞蛄Ⅲw型交流，擴(kuò)大了教學(xué)空間，使學(xué)員在討論中接受知識(shí)，激發(fā)思維，增長(zhǎng)智慧，體現(xiàn)了“官教兵、兵教官、兵教兵”的互助精神[3]。討論式教學(xué)模式能否達(dá)到提高課堂效果的目的，與教員的適時(shí)引導(dǎo)是分不開(kāi)的，教員要根據(jù)學(xué)員討論的思路，營(yíng)造良好的討論氛圍，適時(shí)置疑解惑，激起學(xué)員的求知欲望。討論后的小結(jié)是討論的升華，可讓學(xué)員小結(jié)，也可教員進(jìn)行總結(jié)，對(duì)所討論的問(wèn)題概括提煉，促使學(xué)員把握問(wèn)題的實(shí)質(zhì)和要點(diǎn)。

比如，在講授“連續(xù)周期信號(hào)的傅立葉變換”時(shí)，從兩個(gè)角度出發(fā)，可以得到兩種不同形式的傅立葉變換，討論這兩種形式是否一致，為什么課本上傾向于第一種表示方法？

由式（1）和（2）可看到，從兩個(gè)角度出發(fā)所得到的fT（t）的傅立葉變換的形式完全不同，式（1）是書本上所給的形式，式（2）是綜合以前所學(xué)知識(shí)所得結(jié)論，那這兩種形式本質(zhì)上是否對(duì)等呢？教員讓學(xué)員先發(fā)表自己的看法，進(jìn)行討論，然后引導(dǎo)學(xué)員思考并證明式（1）和（2）是等效的。最后歸納第一種形式從總體上揭示了周期信號(hào)頻域離散、非周期的特點(diǎn)；第二種形式揭示了非周期信號(hào)傅立葉變換和非周期信號(hào)周期延拓后所得周期信號(hào)的傅立葉變換的關(guān)系；正因?yàn)槿绱耍谝环N形式的應(yīng)用較為廣泛[5]。

（三）案例式教學(xué)模式

案例教學(xué)以現(xiàn)實(shí)問(wèn)題為牽引，引領(lǐng)學(xué)員對(duì)隱藏于其中的疑難問(wèn)題進(jìn)行研討，從而培養(yǎng)認(rèn)識(shí)和解決問(wèn)題的創(chuàng)造性思維，提高學(xué)員解決實(shí)際問(wèn)題能力的一種教學(xué)形式。教學(xué)內(nèi)容的選取上應(yīng)該堅(jiān)持以下幾個(gè)原則[6]：第一，相關(guān)性。所選案例要緊扣教學(xué)內(nèi)容；第二，典型性。所選案例具有觸類旁通的作用；第三，實(shí)踐性。所選案例能夠反映并解決實(shí)際問(wèn)題；第四，啟發(fā)性。所選案例的結(jié)果具有多樣性，能激發(fā)學(xué)生從不同角度去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

“雙音多頻信號(hào)語(yǔ)音識(shí)別”是“信號(hào)分析與處理”課程中具有代表性的一個(gè)案例，所涉及的知識(shí)點(diǎn)為：傅立葉變換、濾波器等。教員先引領(lǐng)學(xué)員進(jìn)行案例學(xué)習(xí)，介紹其工程背景和工作原理；再組織學(xué)員以課堂討論或小組研究的形式進(jìn)行案例分析，使學(xué)員在不斷的對(duì)比、分析、歸納、思考中獲取知識(shí)，提高能力；進(jìn)而進(jìn)行案例講解，幫助學(xué)員解決案例分析中的疑難問(wèn)題，加深對(duì)案例的理解；最后布置案例作業(yè)，根據(jù)討論結(jié)果，讓學(xué)員課下歸納總結(jié)，進(jìn)一步完善方案，以報(bào)告的形式上交作業(yè)。

（四）實(shí)踐式教學(xué)模式

“信號(hào)分析與處理”課程實(shí)踐性非常強(qiáng)，實(shí)踐式教學(xué)模式在課程中的應(yīng)用，不僅能加深學(xué)員對(duì)理論知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，而且還能鍛煉學(xué)員的動(dòng)手實(shí)踐能力。“信號(hào)分析與處理”實(shí)踐教學(xué)依托于基于實(shí)驗(yàn)箱的硬件實(shí)驗(yàn)和基于MATLAB仿真的軟件實(shí)驗(yàn)，即“軟+硬”雙平臺(tái)，硬件實(shí)驗(yàn)箱可以使學(xué)員接觸到信號(hào)分析與處理所依托的硬件電路，觀測(cè)到實(shí)際的物理信號(hào)。MATLAB軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值分析及計(jì)算能力，能使繁雜的理論計(jì)算變得易于實(shí)現(xiàn)，結(jié)果也能可視化，可使教學(xué)過(guò)程變得更加清晰直觀。因此，軟、硬雙平臺(tái)相互補(bǔ)充、有機(jī)結(jié)合，為學(xué)員搭建良好的實(shí)踐平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)員的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)造性思維能力。表1為課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，軟、硬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

三、考核方式過(guò)程化

改變傳統(tǒng)的“一卷定終分”的考核方式，把考核貫穿于整個(gè)課程之中，使之多樣化、動(dòng)態(tài)化。傳統(tǒng)考核方式采用平時(shí)成績(jī)（占20%）與課終考核（占80%）綜合評(píng)價(jià)的方式，平時(shí)成績(jī)包括課堂表現(xiàn)、課下作業(yè)完成情況等，一般沒(méi)有一個(gè)量化的標(biāo)準(zhǔn)，所給的分?jǐn)?shù)比較隨意；課終考核只進(jìn)行計(jì)算題目的筆試，這就導(dǎo)致有的學(xué)員“平時(shí)不用心、考前猛練題”的現(xiàn)象，結(jié)果卻也能考到不錯(cuò)的成績(jī)，而考完后又把知識(shí)還給了教員。由此可見(jiàn)，從考核的方式和內(nèi)容上都不能真實(shí)反映學(xué)員掌握知識(shí)的程度和認(rèn)知水平，學(xué)員只是機(jī)械地應(yīng)對(duì)考試，考的只是一個(gè)分?jǐn)?shù)，忽視了對(duì)學(xué)員綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的考查。 鑒于此，改革考核方式過(guò)程化，在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)多元化教學(xué)模式，設(shè)定多元化考核標(biāo)準(zhǔn)。講授式教學(xué)模式采用傳統(tǒng)的“作業(yè)+課堂表現(xiàn)”評(píng)價(jià)機(jī)制。研究式、討論式和案例式教學(xué)模式采用“課前準(zhǔn)備+課中討論+課后報(bào)告”的形式，“課前準(zhǔn)備”考核學(xué)員的自學(xué)能力；“課中討論”考核學(xué)員分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；“課后報(bào)告”考核學(xué)員的歸納總結(jié)以及寫作能力。實(shí)踐式教學(xué)模式采用“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)+綜合性實(shí)驗(yàn)”的形式，“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給定成績(jī)，而“綜合性實(shí)驗(yàn)”根據(jù)設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等評(píng)定成績(jī)。這些多元化考核標(biāo)準(zhǔn)再與期末成績(jī)結(jié)合，綜合評(píng)定課程的最終成績(jī)?？己诉^(guò)程化能更好地促進(jìn)學(xué)員的綜合學(xué)習(xí)能力，更科學(xué)地評(píng)價(jià)學(xué)員的學(xué)習(xí)效果。

經(jīng)過(guò)2年6個(gè)批次的“信號(hào)分析與處理”教學(xué)實(shí)踐和探索，在激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)員的問(wèn)題意識(shí)和研究能力、鍛煉學(xué)員的邏輯思維能力和表達(dá)寫作能力，以及提高學(xué)員動(dòng)手能力和綜合應(yīng)用能力方面取得了一定成效。當(dāng)然，改革不是一朝一夕、一蹴而就的，在實(shí)踐的過(guò)程中總會(huì)出現(xiàn)新的問(wèn)題，教員要不懼難題、迎難而上，對(duì)存在的問(wèn)題要進(jìn)一步研究和完善，使課程教學(xué)改革得以持續(xù)有效發(fā)展，也期望能為其他課程的教學(xué)改革提供一定的參考方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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