應(yīng)用型本科數(shù)字信號處理混合式教學(xué)研究

任國鳳，付建梅，荀燕琴，史慧敏

應(yīng)用型本科數(shù)字信號處理混合式教學(xué)研究

任國鳳，付建梅，荀燕琴，史慧敏

（忻州師范學(xué)院 電子系，山西 忻州 034000）

為了培養(yǎng)滿足國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求的應(yīng)用型電子信息人才，適應(yīng)信號處理學(xué)科在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)際，以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神為引領(lǐng)，開展了數(shù)字信號處理課程的混合式教學(xué)模式探索．教學(xué)實(shí)踐表明，混合式教學(xué)模式的應(yīng)用對提高學(xué)生成績和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣很有助益，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，滿足應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求．

混合式教學(xué)模式；數(shù)字信號處理；應(yīng)用型本科

伴隨著人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，全球掀起了產(chǎn)業(yè)發(fā)展和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的浪潮[1]．為了主動應(yīng)對信息技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命，我國在《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020）》中明確指出：高等教育要主動適應(yīng)國家和區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，建立動態(tài)調(diào)整機(jī)制，不斷優(yōu)化高等教育結(jié)構(gòu)；優(yōu)化學(xué)科專業(yè)、類型、層次結(jié)構(gòu)，促進(jìn)多學(xué)科交叉和融合；重點(diǎn)擴(kuò)大應(yīng)用型、復(fù)合型、技能型人才培養(yǎng)規(guī)模[2]．因而，培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會需求和信息技術(shù)發(fā)展的應(yīng)用型人才[3]成為高校應(yīng)用型工科專業(yè)的重要目標(biāo)．

數(shù)字信號處理是電子信息類相關(guān)專業(yè)理論與實(shí)踐并重的專業(yè)課程，它上承數(shù)學(xué)物理方法、信號與系統(tǒng)等專業(yè)基礎(chǔ)課程，下接語音信號處理、圖像信號處理等專業(yè)前沿課程，在整個專業(yè)體系中擁有舉足輕重的地位．因此，數(shù)字信號處理課程的教學(xué)模式必須滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，順應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的大勢．

1 應(yīng)用型本科數(shù)字信號處理課程的剖析

1.1 數(shù)字信號處理課程內(nèi)容分析

數(shù)字信號處理是一門兼具信號處理理論知識和設(shè)計(jì)應(yīng)用的課程，既要求學(xué)生深刻掌握時(shí)域離散信號的時(shí)頻域分析方法，還要求學(xué)生學(xué)會用時(shí)頻域分析的方法解決語音及圖像信號領(lǐng)域的簡單問題，其知識體系見圖1．

圖1 數(shù)字信號處理課程體系

由圖1可知，數(shù)字信號處理的內(nèi)容由時(shí)域分析和頻域分析2部分組成．其中，頻域分析中涉及的傅里葉變換、Z變換以理論研究為主，離散傅里葉變換搭起了時(shí)域離散信號實(shí)際應(yīng)用與理論研究之間的橋梁，快速傅里葉變換為信號處理的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)提供了可能．

1.2 應(yīng)用型人才培養(yǎng)對教學(xué)方法的要求

電子信息應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)適應(yīng)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)環(huán)境的創(chuàng)新型復(fù)合人才[4-5]，這對數(shù)字信號處理的教學(xué)方法提出了一定的要求：

（1）突破單一課程教學(xué)內(nèi)容的桎梏，以學(xué)科知識體系及信號處理實(shí)際問題為落腳點(diǎn)，開展研究性教學(xué)；

（2）建立理論和實(shí)踐緊密銜接的教學(xué)體系，注重知識的外延性和應(yīng)用性；

（3）結(jié)合信號處理的前沿技術(shù)，引入“線上+線下”的教學(xué)模式；

（4）靈活設(shè)計(jì)課程考核模式，突出過程性考核，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性．

2 數(shù)字信號處理混合式教學(xué)模式

2.1 混合式教學(xué)模式的理論

混合式教學(xué)模式是一種線上學(xué)習(xí)與線下學(xué)習(xí)相結(jié)合、多種教學(xué)方法融合的現(xiàn)代教學(xué)模式[6-7]．該模式以學(xué)生為中心，依據(jù)既定的教學(xué)目標(biāo)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的不同特點(diǎn)，采用不同的教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的最優(yōu)化．

本文涉及的混合式教學(xué)模式為廣義教學(xué)模式，并非簡單的線上線下簡易疊加，其具體內(nèi)容包括：（1）各類教學(xué)資源的優(yōu)化組合，如PPT、音視頻、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、硬件實(shí)驗(yàn)平臺等；（2）多種教學(xué)方法的綜合應(yīng)用，如項(xiàng)目式教學(xué)法、研究性教學(xué)法、探索性教學(xué)法和案例教學(xué)法等；（3）多種教育理論的融合與實(shí)踐，諸如建構(gòu)主義、SPOC（Small Private Online Course，小規(guī)模限制性在線課程）[8]模式、CDIO[9]（Conceive，Design，Implement，Operate）模式和“互聯(lián)網(wǎng)+”等；（4）以過程性考核為重點(diǎn)的復(fù)合評價(jià)模式．

2.2 數(shù)字信號處理混合式教學(xué)的設(shè)計(jì)思路

作為理論與實(shí)踐并重，創(chuàng)新與應(yīng)用兼修的課程，數(shù)字信號處理混合式教學(xué)的開展必須充分應(yīng)用多種教學(xué)模式，遵循以學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)為中心的理念，針對不同的教學(xué)內(nèi)容采用不同的教學(xué)方法，具體思路：

（1）時(shí)域離散信號的時(shí)域分析部分采用以學(xué)生為主的探究性教學(xué)方法，結(jié)合信號與系統(tǒng)課程中的相關(guān)知識，對比研究．

（2）時(shí)域離散信號的頻域分析部分采用思維導(dǎo)圖的方式，充分培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，在分別研究序列的傅里葉變換、周期序列的離散傅里葉級數(shù)和傅里葉變換及Z變換的同時(shí)，關(guān)注三者間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，幫助學(xué)生建立頻域分析法的模型結(jié)構(gòu)．

（3）將傅里葉變換-離散傅里葉變換-快速傅里葉變換作為信號處理問題計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的理論架構(gòu)，利用探究式學(xué)習(xí)方法，開拓學(xué)生的理論視野．

（4）以快速傅里葉變換、數(shù)字濾波器的算法研究為著力點(diǎn)，采用案例教學(xué)法+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)信號處理理論的實(shí)踐化．

（5）以解決圖像信號處理和語音信號處理的實(shí)際問題為依托，采用線上資源與線下理論并重的方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力．

同時(shí)，在整個教學(xué)過程中，適時(shí)引入線上資源，開拓學(xué)生視野．

3 面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的混合式教學(xué)方法實(shí)踐

3.1 教學(xué)計(jì)劃

忻州師范學(xué)院電子系現(xiàn)有電子信息科學(xué)與技術(shù)和通信工程專業(yè)開設(shè)數(shù)字信號處理課程，分為理論課51課時(shí)和實(shí)踐課18學(xué)時(shí)，開設(shè)于第5學(xué)期．

3.2 傳統(tǒng)+現(xiàn)代的混合式教學(xué)

近年來，持續(xù)開展數(shù)字信號處理教學(xué)改革研究，先后將研究性教學(xué)和項(xiàng)目式教學(xué)方法引入到教學(xué)過程中，并對數(shù)字信號處理和信號與系統(tǒng)的一體化教學(xué)方法進(jìn)行了實(shí)踐，效果良好．

在此基礎(chǔ)上，開展了“傳統(tǒng)+現(xiàn)代”的混合式教學(xué)實(shí)踐，具體為：

根據(jù)不同教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，融合了研究性教學(xué)法、案例教學(xué)法、項(xiàng)目式教學(xué)法等傳統(tǒng)教學(xué)方法．傳統(tǒng)混合式教學(xué)方法的應(yīng)用參照2.2的課程分析．同時(shí)，應(yīng)用雨課堂APP為學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)指導(dǎo)、課后內(nèi)容鞏固及學(xué)科前沿拓展，從而形成尊重學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的開放式課堂模式．

3.3 開放式案例教學(xué)

本文以快速傅里葉變換算法為例，開展的混合式教學(xué)過程．

首先，利用雨課堂APP發(fā)布課前預(yù)習(xí)要求，要求學(xué)生利用思維導(dǎo)圖的模式構(gòu)建傅里葉變換-Z變換-離散傅里葉變換的知識體系圖，梳理前期知識點(diǎn)間邏輯關(guān)系．

其次，在課上引導(dǎo)學(xué)生分析離散傅里葉變換的運(yùn)算復(fù)雜度，指出離散傅里葉變換無法在信號處理實(shí)現(xiàn)算法中廣泛應(yīng)用的不足，從而引出快速傅里葉變換這一知識點(diǎn)．

進(jìn)而，為了加深學(xué)生對知識的掌握，拓展學(xué)生視野．從2個方面開展課后實(shí)踐：（1）利用8 192點(diǎn)FFT算法實(shí)現(xiàn)長度為16 384點(diǎn)序列的傅里葉變換；（2）突破完整序列的離散傅里葉變換，抽選部分序列進(jìn)行頻域變換，研究ChirpZ算法和Goertzel算法及其應(yīng)用．

在此，以分解序列并進(jìn)行FFT運(yùn)算為例，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力．16 384點(diǎn)的原始信號見圖2，將其分為2條8 192點(diǎn)的時(shí)域離散信號（見圖3）．對信號作16 384點(diǎn)FFT和分解序列后進(jìn)行FFT的結(jié)果對比（見圖4）．

圖2 16 384點(diǎn)原始時(shí)域離散信號

圖3 混合組合后的兩路8 192 點(diǎn)時(shí)域離散信號

圖4 直接計(jì)算FFT 和分解序列的FFT 之間的誤差

最后，利用雨課堂APP開放討論組功能，讓學(xué)生圍繞2個方向的應(yīng)用展開討論，為后續(xù)將FFT應(yīng)用于信號處理的實(shí)際問題中．

3.4 課程考核

為了夯實(shí)混合教學(xué)法的教學(xué)效果，改進(jìn)了原有考核方式，將過程性考核占比從20%增加到30%．過程性考核內(nèi)容包括FFT算法應(yīng)用小論文、期中測試和單元小結(jié)3部分組成，分別占比10%．

3.5 實(shí)踐效果

經(jīng)過電子信息科學(xué)與技術(shù)和通信工程專業(yè)198名學(xué)生的實(shí)踐，學(xué)生反響很好，期末成績的正態(tài)分布更加合理，及格率由75%提高到85%左右．而且，在畢業(yè)設(shè)計(jì)選題過程中，選擇信號處理類題目的學(xué)生大幅增多，題目的前沿性和難度也明顯提高．

4　結(jié)語

近20年來，信號處理的理論被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)探測、遙感遙測，乃至人文領(lǐng)域，對整個社會發(fā)展產(chǎn)生著重要的影響，培養(yǎng)信號處理的應(yīng)用型專業(yè)人才就顯得尤為重要．混合教學(xué)法的應(yīng)用有助于更好地培養(yǎng)應(yīng)用型電子信息人才，從而滿足我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，進(jìn)一步提高國家的創(chuàng)新競爭力．

[1] 姜濤．?dāng)?shù)字信號處理技術(shù)在電子信息工程中的應(yīng)用[J]．電子測試，2019（19）：124-125

[2] 廖遠(yuǎn)東，李洪，何穆．中外合作辦學(xué)背景下雙語教學(xué)實(shí)踐與探索——以數(shù)字信號處理課程為例[J]．教育觀察，2018， 7（9）：107-108，139

[3] 吳杰．卓越工程師“數(shù)字信號處理”課程群主題式教學(xué)探索[J]．中國電力教育，2014（8）：84-85

[4] 劉堯飛．基于產(chǎn)教融合的應(yīng)用型本科高校實(shí)踐教學(xué)模式設(shè)計(jì)[J]．荊楚理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，33（6）：46-51

[5] 王青林．關(guān)于創(chuàng)新應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)模式的若干思考[J]．中國大學(xué)教學(xué)，2013（6）：20-23

[6] 劉倩．混合式教學(xué)在數(shù)字信號處理課程中的應(yīng)用[J]．電腦知識與技術(shù)，2019，15（26）：147-149

[7] 李丹丹．基于互聯(lián)網(wǎng)+的線上線下混合式教學(xué)模式研究[J]．通訊世界，2019，26（3）：209-210

[8] 孫愛晶，吉利萍．地方高?；凇癕OOC+SPOC”的混合式教學(xué)探索與實(shí)踐[J]．中國現(xiàn)代教育裝備，2018（19）：88-90

[9] 索麗敏，富爽，邸國輝．基于CDIO模式的研究生信號處理課程群的教學(xué)改革與實(shí)踐[J]．教育教學(xué)論壇，2015 （16）：145-146

Study on hybrid teaching of digital signal processing in application-oriented undergraduates

REN Guofeng，F(xiàn)U Jianmei，XUN Yanqin，SHI Huimin

（Department of Electronics，Xinzhou Teachers University，Xinzhou 034000，China）

In order to train application-oriented electronic information talents to meet the needs of national economic construction，adapt the application of signal processing in the field of artificial intelligence．Explored the hybrid teaching mode of digital signal processing in order to cultivate students′ independent learning ability and innovative and entrepreneurial spirit．The practical results show that the application of the hybrid teaching model is beneficial to improving students′ grades and stimulating students′ interest in learning，which can better cultivate students′ innovative and practical ability and meet the training needs of application-oriented talents．

hybrid teaching mode；digital signal processing；application-oriented undergraduates

TN911.7∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.06.016

1007-9831（2020）06-0073-05

2019-12-23

山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目（J2019174）；山西省教科規(guī)劃課題（GH-17053）；教育部“產(chǎn)學(xué)合作”項(xiàng)目（201702091017）；忻州師范學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JG201311，JG201914）；忻州師范學(xué)院科研項(xiàng)目（2018KY15）

任國鳳（1979-），女，山西忻州人，副教授，博士，從事信號處理的理論與實(shí)踐研究．E-mail：renguofeng926@sina.com