以CDIO為理念的“信號分析與處理”教學改革研究

甘海濤 武薇

[摘 要] 文章闡述了CDIO教學模式在“信號分析與處理”本科教學中的教學內容與教學成果，并對“信號分析與處理”課程目前所存在的問題進行了分析。根據(jù)CDIO教學模式，對“信號分析與處理”教學提出了改革方案，最后對教學模式的改革效果作了分析和評估。結果顯示，教學模式改革提高了教學質量，并取得了良好的教學成果。

[關鍵詞] 信號分析與處理;CDIO教學模式;教學改革

[基金項目] 杭州電子科技大學2017年高等教育研究資助項目“優(yōu)化課程教學模式探索：以信號分析與處理為例”（YB201768）;杭州電

子科技大學2017年研究生核心課程建設項目“數(shù)字圖像處理”（hxkc2017002）;浙江省高等教育“十三五”第一批教學改革研

究項目“面向人工智能人才培養(yǎng)的多方協(xié)同育人模式創(chuàng)新與實踐”（jg20180103）

[作者簡介] 甘海濤（1985—），男，江西豐城人，博士，杭州電子科技大學自動化學院副教授，研究方向為機器學習和信號處理;

武 薇 （1979—），女，云南昆明人，博士，杭州電子科技大學自動化學院講師，研究方向為生物醫(yī)學信息處理。

[中圖分類號] TN911.6? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）30-0162-02? ? [收稿日期] 2019-10-05

隨著智能時代的到來，“信號分析與處理”課程已經(jīng)成為電氣工程、電子信息、自動化等專業(yè)領域的一門必修課，它將基礎理論知識應用到專業(yè)問題上，在理論與實踐的結合中發(fā)揮著橋梁作用。此外，這門課程還能培養(yǎng)學生的邏輯思維能力，使學生在處理相關問題時能尋找到最優(yōu)的方法。

CDIO概念主要由構思（Conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）四個方面構成[1，2]。近年來，國際上產(chǎn)生的一大重要成果就是CDIO工程教育模式，讓學生以主動的、實踐的方式學習課程是其基本理念。CDIO教學法以課程實踐為主體來展開教學，老師發(fā)起課程項目并進行督導，因為學生在老師的指導下才能完成項目。該教學實踐表明，在這種模式下，學生的積極性和創(chuàng)造性都會被充分發(fā)掘出來，結合“信號分析與處理”課程，學生能自覺主動地學習，并在實踐中證實理論，在理論基礎上充分實踐。

“信號分析與處理”課程具有如下特點：課程理論繁雜，知識點多，概念晦澀難懂;課程體系的學科交叉性強;以CDIO為模式的課程改革讓學生能夠充分理解課程內容，熟練掌握信號分析與處理這門技術，指導學生如何將理論應用到實踐上，從而滿足當前社會對自動化人才的需要。

一、本課程教學中存在的問題

信號分析與處理這門技術一直是全球科學研究和應用的熱點之一，但這一領域的專業(yè)人才短缺始終是一個問題。為了培養(yǎng)電氣工程及其自動化高層次復合型人才[3]，杭州電子科技大學自動化學院向本科生開設了這門課程。由于該課程同時具有理論性和應用性，而且自動化學院“信號分析與處理”課程的總學時為40個學時，均為課堂教學，無上機實驗，知識點多，從而為本課程的教與學提出了很大的挑戰(zhàn)，學院的考核方式也較為單一。該課程在教學與實踐中主要存在著以下問題：

首先，課程內容晦澀難懂，內容陳舊。時域、頻域變換作為信號分析的基本手段，其理論比較復雜和抽象，沒有實物演示，僅憑課堂板書和PPT難以讓學生有直觀的感受，學生因而不太容易掌握和理解不同變換的意義和應用價值。另外，傳統(tǒng)的傳授式教學方式、機械被動的學習方式難以取得良好的教學效果，不能適應“新工科”對工程應用型人才培養(yǎng)的要求。

其次，課程學時安排不合理。該課程只有40個學時，如果在短時間內講解連續(xù)時間信號分析、離散時間信號分析、濾波器設計等知識點，難以讓學生理解和掌握，而且這門課安排在大二年級下學期，這個學期還安排了其他重要專業(yè)課，使得學生課后復習的時間被大大縮減，為本課程教學帶來巨大挑戰(zhàn)。

再次，理論聯(lián)系實踐的過程較為薄弱。信號分析與處理是一個實踐性很強的課程，由于沒有安排上機實驗，學生無法理解課程的應用價值，使知識只停留在書本上，并沒有充分發(fā)揮其真正的作用，致使學生的學習積極性下降。因此，面對這個問題，我們應找到一種教學模式，使之成為達到教育目的一條途徑。

最后，學院對課程的考核方式較為單一。目前，自動化學院主要以筆試的方式對學生進行考核，最后筆試成績占最終成績的70%，課后習題完成情況和上課出席率占30%。期末考試所涉及的知識點基本上都是書本上的，沒有能夠考查學生綜合素質的題目。這會使學生只注重書本上的知識點，讓學生的能力難以得到充分發(fā)掘[4]。

二、以CDIO為理念的教學改革方案

針對本課程教學所面臨的問題，課題組以CDIO理論為導向，將培養(yǎng)學生的工程應用能力作為目標，著重培養(yǎng)學生的學習能力、實踐能力、創(chuàng)新能力及團隊合作精神，優(yōu)化基于科研項目和競賽的課程教學模式。在明確該課程所存在問題的基礎上，提出了如下改革方案：

首先，在課程內容上進行調整，對信號分析與處理的知識點進行梳理，搭建了多層次的知識體系框架，并在原有內容的基礎上，添加了該課程的一些前沿知識，使學生在掌握已有知識的基礎上，提高對課程學習的興趣，拓寬學生的知識面。

其次是教學方式的改變。如今，傳統(tǒng)的課堂教學早已不能滿足學生的學習需求，新的教育方式層出不窮，從傳統(tǒng)的課堂授課過渡到慕課堂、微課堂等一系列新的教學方式，使學生可從多種渠道獲得教育資源。信號分析與處理課程引進了學習通、慕課等在線教學資源，學生不僅可以學到書本上的知識，還能充分調動學生的積極性，自己尋找資料完成作業(yè)，制作PPT進行講解，回答老師和學生的提問，及時發(fā)現(xiàn)自己存在的不足，從而不斷完善知識結構體系。

再次，教學實踐的改進。（1）基于課題組科研項目的課內工程案例教學法。我們嘗試在講解某一個知識點時，并不將其作為一個成熟的結論灌輸給學生，而是結合課題組現(xiàn)有的科研項目，以相關成果作為工程案例，如腦電信號的去噪和特征提取作為腦機接口領域需要解決的問題，涉及到變換和濾波器設計，以此作為研究的出發(fā)點，通過演示性實驗使學生對變換和濾波器產(chǎn)生直觀的認識，以激發(fā)學習的興趣，同時熟悉編程語言，通過觀察并分析實驗結果，增強對課堂所學內容的理解，讓學生掌握信號分析的處理方法和應用開發(fā)方法。（2）借鑒競賽方式的課外工程案例教學法。借鑒了電子設計和數(shù)學建模等比賽方式的課外工程案例教學法原則，不僅要培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出問題和解決問題的能力，還要培養(yǎng)學生獨立思維的能力、創(chuàng)新能力和實際應用能力。

最后，考核方式的調整。為了考查學生的創(chuàng)新能力，從單一的筆試改成“筆試+課題項目”的考核方式，學生自行組隊完成與課程相關的課題，這樣的考核方式培養(yǎng)了學生的自學能力，還培養(yǎng)了學生的團隊合作精神。另外，學生的課堂表現(xiàn)也占最終成績的一部分，這樣，學生能夠積極配合老師的教學工作，充分調動了學生的學習熱情和積極性。

三、教學改革成效

通過將CDIO理論與電氣工程及其自動化專業(yè)的背景和特色相結合，本文提出了“信號分析與處理”課程的教學改革方案，使該課程在教學內容上與時俱進，在教學模式上更加豐富多樣，從而提高了學生的學習熱情。學生對信號分析與處理概念的理解更為透徹，在處理問題和實踐應用能力方面得到了提高。在這種模式下進行學習，將創(chuàng)新能力的培養(yǎng)融入教學的各個方面，包括課堂教學、課外實踐、課后作業(yè)等，使學生的自學能力和創(chuàng)新能力都得到了加強。該課程教學改革后，學生的成績總體上有了明顯的進步，學生對課程和老師的評價也高了。

參考文獻

[1]黃琛，曹陽艷.CDIO模式下高職創(chuàng)新教育探討——以工程造價專業(yè)為例[J].教育教學論壇，2019（37）：268-270.

[2]羅山，戴高明.CDIO模式下“測試信號分析與處理”教學改革探索[J].攀枝花學院學報，2016（2）：106-109.

[3]李占英，張海傳，王延平，等.智能時代基于CDIO的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2019（1）：100-103.

[4]馬永力，曾瑄，黃志開，等.基于CDIO的自動化專業(yè)實踐課程教學研究[J].湖北第二師范學院學報，2017（2）：107-109，

125.

Research on Teaching Reform of Signal Analysis and Processing Based on CDIO

GAN Hai-tao，WU Wei

（School of Automation，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China）

Abstract：This paper expounds the teaching contents and achievements of CDIO-based teaching mode in the course of signal analysis and processing for undergraduate students.The problems of signal analysis and processing are analyzed.According to the CDIO educational model，this paper puts forward a reform plan for the teaching of signal analysis and processing.Finally，the reform effect of the teaching model is analyzed and evaluated.The results show that the reform of teaching mode improves the teaching quality and achieves good teaching results.

Key words：signal analysis and processing;CDIO teaching model;teaching reform