林業(yè)院校工科《現(xiàn)代數(shù)字信號處理》課程的教學(xué)改革探索

林劍輝

摘要：《現(xiàn)代數(shù)字信號處理》是通訊、電氣、控制類學(xué)科開設(shè)的研究生課程，針對林業(yè)類院校工科《現(xiàn)代數(shù)字信號處理》課程存在的問題，通過整合教學(xué)團(tuán)隊、加強(qiáng)基礎(chǔ)知識、結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)、改進(jìn)教學(xué)手段與考核方式等多方面措施，對課程教學(xué)進(jìn)行了改革實踐。本文對改革實踐進(jìn)行了階段性小結(jié)，并討論了改革的效果及展望。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代數(shù)字信號處理；林業(yè)院校；翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）52-0075-02

一、引言

《現(xiàn)代數(shù)字信號處理》是相對于經(jīng)典數(shù)字信號處理而專門為研究生開設(shè)的一門專業(yè)課。由于現(xiàn)代濾波技術(shù)、現(xiàn)代譜分析理論、智能信息處理方法等技術(shù)的出現(xiàn)，使得現(xiàn)代數(shù)字信號處理開始廣泛應(yīng)用于智能控制、現(xiàn)代通信、新型雷達(dá)、精確遙測、醫(yī)療數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，尤其值得注意的是，現(xiàn)代數(shù)字信號處理對于控制科學(xué)與工程的研究與實踐有著重要的意義，因此，大部分高校均在控制科學(xué)與工程學(xué)科為研究生開設(shè)了本門課程[1-2]。北京林業(yè)大學(xué)控制理論與控制工程學(xué)科從2014年起開設(shè)本門課程。

二、存在的問題

筆者近年承擔(dān)“控制理論與控制工程”學(xué)科碩士研究生的《現(xiàn)代數(shù)字信號處理》課程的教學(xué)工作，在教學(xué)實踐過程中，發(fā)現(xiàn)相對于傳統(tǒng)工科院校，林業(yè)類院校工科專業(yè)講授《現(xiàn)代數(shù)字信號處理》課程存在如下問題：

1.基礎(chǔ)知識要求較高，除了要有經(jīng)典數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)外，并學(xué)習(xí)過信號與系統(tǒng)、自動控制理論，還要求學(xué)生掌握線性代數(shù)、矩陣?yán)碚?、概率理論、?shù)理統(tǒng)計、復(fù)變函數(shù)等多門工程數(shù)學(xué)[3]。但實際情況林業(yè)類院校工科每年入學(xué)的研究生來源廣泛，本校生源所占比重偏低，外校生源本科專業(yè)差異較大，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱，大部分沒有系統(tǒng)性地學(xué)習(xí)過本門課程所要求的先修課程，導(dǎo)致學(xué)生對授課內(nèi)容理解參差不齊，影響授課效果。這些問題在很多高校相關(guān)學(xué)科都存在[4]，而對于筆者所在的林業(yè)大學(xué)該問題體現(xiàn)得更為嚴(yán)重。

2.課程內(nèi)容抽象，數(shù)學(xué)公式繁多，推導(dǎo)步驟復(fù)雜，很多內(nèi)容缺少直觀描述，最多也就是給個流程圖[5]。

3.工程實踐性強(qiáng)，課程內(nèi)容的發(fā)展均是基于實際工程應(yīng)用的需求，具有很強(qiáng)的工程實踐背景。但大部分的教材中，對工程實際的描述又較少，所舉的例子均為通用信號，不具備有明確的工程實踐背景，從而導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過后理論與實際脫節(jié)，總感覺課程學(xué)習(xí)完之后完全應(yīng)用不到他們研究生課題中[6]。對于筆者所在的林業(yè)大學(xué)，這個問題更顯突出。

上述情況提高了學(xué)習(xí)難度，降低了學(xué)習(xí)興趣，同時也向教學(xué)工作提出了更高的要求。

三、采取的措施

針對以上問題，筆者對近兩年所承擔(dān)的北京林業(yè)大學(xué)控制理論與控制工程學(xué)科的《現(xiàn)代數(shù)字信號處理》課程進(jìn)行了教學(xué)改革。

1.整合教學(xué)團(tuán)隊?，F(xiàn)代數(shù)字信號處理課程是一門理論與實踐并重的課程，而且一直處于發(fā)展過程。單個教師在研究過程中所涉及的領(lǐng)域相對較為集中，無法全面覆蓋現(xiàn)代數(shù)字信號處理所有內(nèi)容，故在講解自己不常用的內(nèi)容時會顯得較為生硬。而考慮以教學(xué)團(tuán)隊的形式，不同教師針對自己科研中所涉及的內(nèi)容分別講述不同章節(jié)知識，從而克服單個老師獨(dú)立完成授課的不足，一方面提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面也加強(qiáng)了課程中理論與實踐的結(jié)合。

2.設(shè)計教學(xué)框架。經(jīng)典的數(shù)字信號處理經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)具備了較為完善的課程結(jié)構(gòu)，課程內(nèi)容的變化不大，而現(xiàn)代數(shù)字信號處理仍處于一個發(fā)展的過程，各學(xué)校、各學(xué)科以及各種教材所涉及的課程體系具有多樣化的特點(diǎn)，且差異較大。在學(xué)時有限的情況不可能涉及所有內(nèi)容，因此在參考了其他學(xué)科教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合我學(xué)科實際情況對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合。

3.加強(qiáng)基礎(chǔ)知識。整合教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計出整體教學(xué)框架后，教學(xué)團(tuán)隊考慮到我校雙控學(xué)科的實際情況，尤其是多數(shù)外校生源研究生基礎(chǔ)薄弱，甚至沒有學(xué)習(xí)過前置課程，認(rèn)識有必須突出基礎(chǔ)知識的教學(xué)，在第一章中增加了FFT、頻譜分析、頻率響應(yīng)濾波器等本科階段的內(nèi)容，并列出多本參數(shù)書目，以加強(qiáng)學(xué)生的基礎(chǔ)。

4.結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)。北京林業(yè)大學(xué)是一所典型的行業(yè)院校，教師的科研基本上圍繞著行業(yè)發(fā)展，具有很強(qiáng)的行業(yè)實踐背景。因此在教學(xué)案例的選擇上，教學(xué)團(tuán)隊精選了鳥鳴聲信號及其處理、植物生理水分信號及其處理、木材無損檢測信號及其處理、活立木雷達(dá)信號及其處理等幾個典型的林業(yè)科研案例，一方面增加了學(xué)生對信號處理的感性認(rèn)識，另一方面提升了學(xué)生對實際問題的理解與處理能力。

5.改進(jìn)教學(xué)手段。參考當(dāng)前先進(jìn)的翻轉(zhuǎn)課堂概念，對部分章節(jié)課程依據(jù)翻轉(zhuǎn)課堂模式進(jìn)行設(shè)計[7-9]。開課前兩周即為學(xué)生提供相關(guān)參考資料和案例數(shù)據(jù)，并以微信群的方式建立網(wǎng)上交流平臺，由3—5個自由組合的學(xué)生組成一個學(xué)習(xí)小組，要求其完成案例分析PPT。課堂上針對該案例為特定主題，由學(xué)生進(jìn)行討論，教師觀察學(xué)生的討論并對重點(diǎn)與難點(diǎn)進(jìn)行集體講解。通過該方式提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

6.改革考核方式。傳統(tǒng)的考試方式更注重的是學(xué)生對于知識的記憶，上機(jī)操作考試雖然也體現(xiàn)了一些動手實踐能力的考核，但離研究生培養(yǎng)的學(xué)習(xí)自主性與科研創(chuàng)新性還有一定差距。而撰寫報告或是實驗設(shè)計類的考核方式由于缺乏有效的監(jiān)督措施，又導(dǎo)致抄襲、程序拷貝等問題的出現(xiàn)，極大地影響了考核的初衷與公平性。借助于現(xiàn)代數(shù)字信號處理這門實踐性非常強(qiáng)的課程，教學(xué)團(tuán)隊提出了全新的開放式考核方式。考核以機(jī)考方式進(jìn)行，考核結(jié)果以電子文件形式提交，在規(guī)定的時間與地點(diǎn)，允許學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)查閱任意公開資料，但不允許學(xué)生之間相互交流。要求在考核過程中學(xué)生全程進(jìn)行屏幕錄像并上交，以避免學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交流，保證了考核結(jié)果的公平性。

四、總結(jié)及展望

提高教學(xué)質(zhì)量是高校教學(xué)改革研究不變的主題。針對林業(yè)類院校工科研究生特有情況，我們對《現(xiàn)代數(shù)字信號處理》課程的授課過程進(jìn)行了系統(tǒng)的改革研究，從組建教學(xué)團(tuán)隊、設(shè)計教學(xué)框架著手，結(jié)合教學(xué)手段與考核方式的改進(jìn)，以達(dá)到全面提升教學(xué)質(zhì)量的目的。從改革實施效果上看，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)了學(xué)生對知識的掌握程度，但同時也加大了教師與學(xué)生在時間與精力上的投入，尤其是對于部分基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)，增加了很大的負(fù)擔(dān)，在一定程度也影響了教學(xué)效果。

翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)理念與開放式的考核模式，為學(xué)生提供了更多的自主學(xué)習(xí)機(jī)會，同時也對教師的教學(xué)能力提出了更高的要求，應(yīng)該是以后同類課程教學(xué)改革的新方向與新趨勢。在這種創(chuàng)新性的教學(xué)改革中，師資隊伍的培養(yǎng)是改革成敗的關(guān)鍵之一。我們也期待本項目的教學(xué)改革在發(fā)展成熟后可以被更多的課程改革所借鑒。

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