面向?qū)嵺`創(chuàng)新能力培養(yǎng)的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

王 莉，沈 捷，張印強(qiáng)

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京 211816)

0 引言

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力是高校人才培養(yǎng)的重要目標(biāo)之一[1]。創(chuàng)新能力是指在現(xiàn)有知識(shí)架構(gòu)下提出新理論、采用新方法、解決新問題的能力[2]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校人才培養(yǎng)體系的重要組成部分，也是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的一個(gè)重要途徑[3-4]。

數(shù)字信號(hào)處理是一門以算法為核心的課程，其理論性強(qiáng)，內(nèi)容抽象[5]。數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以幫助學(xué)生理解所學(xué)理論知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生利用相關(guān)理論去解決實(shí)際問題，在提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力方面有著不可或缺的作用[8]。在實(shí)踐教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只包括了驗(yàn)證型和綜合型，缺乏設(shè)計(jì)型；實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程以教師講解演示為主，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，自主學(xué)習(xí)能力較弱；實(shí)驗(yàn)考核以實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)?yōu)橹鳎鲆暳藢W(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的表現(xiàn)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重。這樣的教學(xué)不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，更加無益于提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。為了改進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，針對(duì)上述教學(xué)活動(dòng)中存在的問題，本文從教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)、教學(xué)模式的改革和考核方式的完善3個(gè)角度進(jìn)行了探索。

1 面向?qū)嵺`創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)改革思路

數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目標(biāo)是提高學(xué)生應(yīng)用所學(xué)數(shù)字信號(hào)處理的知識(shí)分析和解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。為了實(shí)現(xiàn)上述教學(xué)目標(biāo)，筆者采用了如圖1所示的教學(xué)改革思路。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容主要包括模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)的時(shí)域分析和頻域分析、模擬濾波器和數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面?？紤]到不同學(xué)生的能力差異，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了層次化的設(shè)計(jì)。為了讓學(xué)生養(yǎng)成獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，在教學(xué)過程中采用基于翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。在考核體系方面，提高過程性考核所占的比重，綜合多個(gè)方面給出最終的成績(jī)?cè)u(píng)定結(jié)果。

2 層次化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

面向創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，圍繞數(shù)字信號(hào)的分析和處理，構(gòu)建了多層次、多類型的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系。為了滿足不同層次水平學(xué)生的知識(shí)需求，發(fā)揮每個(gè)學(xué)生的創(chuàng)新潛能，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系按難度被劃分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和提高實(shí)驗(yàn)兩個(gè)層次。同時(shí)為了進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的整體運(yùn)用和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，在原先驗(yàn)證型為主的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)上增加了綜合型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和提高實(shí)驗(yàn)如表1、2所示。

表2 提高實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)以對(duì)基本概念、定理和方法的驗(yàn)證和綜合為主，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是后續(xù)提高實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，要求所有學(xué)生必須全部完成。提高實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)型，考察學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生根據(jù)自身的興趣和能力至少選擇完成2個(gè)提高實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中沒有給出設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟，而是要求學(xué)生根據(jù)教師給出的實(shí)驗(yàn)任務(wù)和要求來自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)步驟。學(xué)生在課前將設(shè)計(jì)方案提交給指導(dǎo)老師審閱，指導(dǎo)教師和學(xué)生在課堂上對(duì)提出的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行討論，探討這些新想法、新設(shè)計(jì)是否可行。學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程突出了學(xué)生的主體作用，有利于激發(fā)學(xué)生的探索創(chuàng)新精神和培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力。

3 翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式

傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂上師生交流互動(dòng)的時(shí)間較少，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力。翻轉(zhuǎn)課堂可以提供有效的課堂管理，注重知識(shí)的探索及其實(shí)踐應(yīng)用[6-7]。在翻轉(zhuǎn)課堂中，學(xué)生課前通過觀看教學(xué)視頻自主學(xué)習(xí)知識(shí)，大量的課堂時(shí)間被解放出來用于師生交流互動(dòng)[8]。

數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)由驗(yàn)證型和綜合型構(gòu)成，該部分的教學(xué)適合采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)步驟的演示和講解非常適合通過微課視頻的方式來呈現(xiàn)，不僅生動(dòng)形象而且直觀方便。課前教師將表1中的各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的操作演示步驟制作成微視頻，并發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上供學(xué)生瀏覽。學(xué)生在課前通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地自主學(xué)習(xí)微視頻的教學(xué)內(nèi)容。教師在課前需要針對(duì)預(yù)習(xí)內(nèi)容歸納出一系列能夠啟發(fā)學(xué)深層次思考的問題，在課堂上對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問。例如，針對(duì)表1中實(shí)驗(yàn)7提出以下問題啟發(fā)學(xué)生思考：①采用脈沖響應(yīng)不變法將巴特沃斯低通模擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器為何會(huì)產(chǎn)生混疊失真的現(xiàn)象？②采用雙線性變換法將巴特沃斯低通模擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器為何會(huì)產(chǎn)生非線性的現(xiàn)象？③將模擬濾波器轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器時(shí)，采用不同采樣周期的影響？④脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法各適用于何種情況？同時(shí)，學(xué)生也可以將課前自學(xué)過程中遇到的問題反饋給教師，教師對(duì)共性問題進(jìn)行統(tǒng)一解答。在實(shí)驗(yàn)操作過程中，教師對(duì)不同學(xué)生提出的個(gè)性問題進(jìn)行單獨(dú)講解，并對(duì)學(xué)生得到的不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇合適的問題進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)討論。通過課堂上的師生雙向提問，推動(dòng)學(xué)生參與課堂討論，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生的主動(dòng)思維和創(chuàng)新思維。實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后學(xué)生總結(jié)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師也可以要求學(xué)生將提高實(shí)驗(yàn)完成過程制作成微課視頻，從中擇優(yōu)加至微視頻教學(xué)資源庫(kù)中。此外，教師還要在每次教學(xué)活動(dòng)后進(jìn)行教學(xué)反思，重新調(diào)整優(yōu)化教學(xué)活動(dòng)。

從教學(xué)流程上看，翻轉(zhuǎn)課堂屬于“先學(xué)后教”的模式[8]。“先學(xué)”是讓學(xué)生獨(dú)立思考，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。知識(shí)的傳授被轉(zhuǎn)移到了課前，課堂上用于學(xué)生實(shí)際操作和師生交流的時(shí)間大大增加，促使課堂時(shí)間更加高效。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式確定了學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位，有利于培養(yǎng)學(xué)生自主探究與實(shí)踐創(chuàng)新能力。

4 側(cè)重過程的多元化考核體系

以往的實(shí)驗(yàn)成績(jī)主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的情況進(jìn)行評(píng)定，筆者在數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的積極性。因此，筆者對(duì)考核體系進(jìn)行了改革，建立能夠體現(xiàn)學(xué)生能力的多元化考核體系，如圖2所示?？己梭w系中的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作和課堂提問三個(gè)部分屬于過程性考核部分，占整體成績(jī)的70%。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都要按照?qǐng)D2的4個(gè)部分分別給出成績(jī)，加權(quán)求和得到每個(gè)實(shí)驗(yàn)的單獨(dú)成績(jī)，將各個(gè)實(shí)驗(yàn)成績(jī)求均值，以此作為最終的總評(píng)成績(jī)。為了激勵(lì)有能力的學(xué)生開展提高實(shí)驗(yàn)，學(xué)生每多完成1個(gè)提高實(shí)驗(yàn)，教師根據(jù)實(shí)際完成的情況額外加分。此外，為鼓勵(lì)學(xué)生積極參加各種大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，凡參加數(shù)字信號(hào)處理課程相關(guān)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目的同學(xué)，總評(píng)成績(jī)可以增加加10分，引導(dǎo)學(xué)生積極開拓創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能。

圖2 改革后的多元化考核體系

綜上可以看出，改革后的考核體系凸顯了過程學(xué)習(xí)和實(shí)踐創(chuàng)新能力的重要性。

5 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的一個(gè)重要途徑。在2017年和2018年南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)本科三年級(jí)數(shù)字信號(hào)處理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐。此次教學(xué)實(shí)踐改革的具體成效如下：①有能力的學(xué)生積能夠極開展提高實(shí)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)思路上大膽創(chuàng)新，百花齊放，他們的創(chuàng)新潛能得到了充分發(fā)揮。②大部分學(xué)生養(yǎng)成了自主學(xué)習(xí)和善于學(xué)習(xí)的習(xí)慣。③課堂時(shí)間高效化，學(xué)生在除了完成實(shí)驗(yàn)步驟，在實(shí)驗(yàn)過程中能夠發(fā)現(xiàn)問題并思考解決問題。在目前的教學(xué)實(shí)踐過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題：①在教學(xué)活動(dòng)中采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式時(shí)，由于教學(xué)視頻缺乏即時(shí)反饋功能，學(xué)生在觀看過程中碰到問題時(shí)不能及時(shí)與教師進(jìn)行交流。②少數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)自覺性較差，在課前未能完成教學(xué)視頻的自主學(xué)習(xí)，無法參與課堂的交流互動(dòng)。