信號檢測與估計的混合教學模式研究

龔樹鳳，覃亞麗

信號檢測與估計的混合教學模式研究

龔樹鳳，覃亞麗

（浙江工業(yè)大學 信息工程學院，浙江 杭州 310012）

分析了信號檢測與估計課程教學中存在的若干問題，從強化應用、教學內(nèi)容、教學方法以及全面考核等角度出發(fā)，探索了可用于信號檢測與估計的混合教學模式．教學實踐反饋表明，精簡授課內(nèi)容后，學生通過分組討論、調(diào)研，再結合Matlab軟件實驗仿真的混合教學模式，不但使學生對知識點的理解更加透徹，還調(diào)動了學生的積極性．

信號檢測與估計；混合教學；Matlab軟件

信號檢測與估計理論作為現(xiàn)代信息理論的一個重要分支，以信號與系統(tǒng)、隨機過程、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、濾波理論等數(shù)學工具為基礎，融合通信、信號處理、信息傳輸于一體，已成為一門極具專業(yè)特色、理論性較強的學科，并為雷達系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)以及所有接收部分的系統(tǒng)設計提供必備的理論基礎[1]．以該理論為主要內(nèi)容的信號檢測與估計理論課程已成為各高校通信與信息工程學科本科生/研究生的重點專業(yè)課程．相比其他信號類課程，該課程理論性更強、概念更抽象，而且數(shù)學公式既多又復雜，導致學生難以理解某些理論的內(nèi)涵，對所學內(nèi)容似懂非懂，而將信號檢測與估計理論應用到實際中解決問題更無從談起．形成這種情況的因素較多，但比較重要的原因是受理論課學時的壓縮，教學過程中教師更偏重概念的講解、公式的推導證明、數(shù)學實例計算等方面，卻忽略了對其實用性方面的實踐教學．因此，在有限的學時內(nèi)，如何改進教學方法與手段，提高授課質(zhì)量，優(yōu)化課程內(nèi)容，調(diào)動學生積極性，已成為本門課程急需解決的重要問題[2-6]．

1 教學過程中存在的若干問題

信號檢測與估計理論課程是通信與信息工程專業(yè)的研究生學位課，根據(jù)多年的教學經(jīng)驗，總結出當前課程教學過程中存在的若干問題．

1.1 教學內(nèi)容側重理論

教學內(nèi)容過于抽象，缺乏與工程、實踐的結合，學生積極性差，學的結果似懂非懂，一些概念模糊，應用混淆，無法解決實際工程中的問題．根據(jù)教學大綱的要求，本課程的主要內(nèi)容涵蓋了信號檢測與信號估計兩大板塊，其中信號檢測包含了基本的判決準則以及判決準則在高斯白/色噪聲中的應用，還有匹配濾波器理論；而信號估計包含了估計理論準則及其在高斯白/色噪聲中的應用，還有波形估計理論[7]．以信號檢測為例，教學中發(fā)現(xiàn)一部分學生對一系列準則無法做到靈活運用，教材中的若干實例只是表面上做到了理解，換了說法改了參數(shù)就無法實現(xiàn)；還有一種情況就是缺乏真正的理論聯(lián)系實際，當給定具體的雷達信號檢測、通信信號檢測時，學生不能靈活運用正確的準則，教學效果可想而知．

1.2 教學手段單一

教學手段枯燥，仍以課堂講授為主，缺乏實驗、調(diào)研、報告等環(huán)節(jié)，學生的積極性、參與度低，教學效果差．如何創(chuàng)新研究生的教學手段、改革教學模式，激發(fā)學生的學習興趣和自主性，培養(yǎng)學生的工程應用能力，提高學生的動手能力和解決復雜工程問題的能力，也是本課程教學探索的重要目的．

1.3 課程考核方式單一

課程考核主要以期末考試為主，占總成績70%，另外的30%則為課后作業(yè)和學生課堂表現(xiàn)，基本以教師評價為主．這樣的考核大大限制了學生的發(fā)展，不能全面體現(xiàn)學生的學習效果及積極性，降低了學生的課堂參與度，不利于人才的培養(yǎng)．

2 采取的措施及效果

浙江工業(yè)大學信息工程學院信號檢測與估計理論教學團隊在多年實際教學的基礎上，針對課程教學中存在的問題，對本課程的授課方式、授課內(nèi)容、考核手段等進行了改革和實踐，探索出了一套混合學習教學模式，收到了一定的效果．信號檢測與估計理論課程教學改革的內(nèi)容及實踐途徑見圖1．

圖1 信號檢測與估計理論課程教學改革的內(nèi)容及實踐途徑

2.1 弱化理論，突出重點內(nèi)容，強化基礎應用

較強的理論、復雜的公式，讓不少學生對本門課程畏首畏尾，無從深入其中．因此，在實際教學中，一方面講解經(jīng)典理論，用教材上的知識點鞏固學生的知識體系；另一方面結合實際案例，強調(diào)理論在實踐中的應用，做到“理論指導實踐，實踐檢驗理論”（見圖2）．在講到經(jīng)典檢測理論中的奈曼-皮爾遜準則時，除了教材上的數(shù)學例題，還特意將其應用到雷達信號檢測中．由于雷達在進行目標探測時，通常在給定虛警率的情況下，使得檢測概率盡可能大，和奈曼-皮爾遜準則的應用條件一致．因此，引導學生利用奈曼-皮爾遜準則，應用Matlab仿真軟件實現(xiàn)雷達探測目標的有無，實現(xiàn)“理論指導實踐”．同時，對雷達的檢測性能進行驗證[8-9]，用探測性能的好壞來檢驗所使用的準則是否得當，實現(xiàn)“實踐檢驗理論”，最終做到理論與實踐知行合一．

圖2 信號檢測理論與工程實例結合示意圖

在講課過程中，還要對重點內(nèi)容加以強調(diào)．信號檢測理論的主要內(nèi)容可以劃分為信號檢測、信號估計兩大部分．其中，信號檢測部分的重點內(nèi)容是信號檢測的基本準則以及在白噪聲背景中的應用；信號估計的重點內(nèi)容是估計理論的基本準則以及白噪聲背景中的信號估計．因此，在講課的過程中要突出這些重點內(nèi)容．

為了讓學生們真正理解各種檢測、估計準則及其應用，匹配濾波理論的應用，課程中增設了課外實驗驗證部分，要求學生用Matlab軟件編寫相關程序驗證各種準則以及濾波理論在檢測中的性能．具體增設的課外實驗內(nèi)容見表1．

表1 Matlab實驗內(nèi)容

2.2 網(wǎng)絡教學平臺+部分翻轉(zhuǎn)課堂

混合式教學是網(wǎng)絡化教學和傳統(tǒng)教學互補的一種教育模式，諸多的教學實踐表明，采用線上線下有機融合的混合式教學，通過多種形式的交流和互動可以充分發(fā)揮學生的主體作用，提高學生的課堂積極性．為了加深學生對各知識點的掌握和理解，利用學校超星網(wǎng)絡教學平臺建設了信號檢測與估計理論的線上課程．線上課程包含各種學習資料、測驗、討論及作業(yè)布置等各模塊．具體內(nèi)容以及在課程中的使用情況見表2．

表2 信號檢測與估計線上課程設計及應用

由表2可以看出，線上學習資料板塊包含各種學習視頻，課程PPT資料，以及搜集的一些應用案例介紹等，以便學生課前預習和課后復習用；測試題板塊主要是針對各個知識點設置了一些選擇題、判斷題和填空題等，分為章節(jié)測驗和隨堂測驗，以檢驗學生當前課堂以及整個章節(jié)知識點的掌握程度；討論專區(qū)主要是針對一些知識難點，大家在課上或課下開展一些討論，加深對知識點的理解；作業(yè)模塊包括隨堂布置的作業(yè)、Matalb仿真實驗任務的介紹以及報告的提交與批改等，用于對學生學習成果的考核．

除了很好地利用線上教學網(wǎng)絡平臺，線下教學還采取了部分翻轉(zhuǎn)課堂的形式．每個章節(jié)結束后，要求學生以小組的形式對本章內(nèi)容知識點進行總結，然后每個小組針對本章節(jié)未明白的地方提出問題，小組和教師展開線下討論，以便讓學生真正掌握各知識點．

2.3 突出科研，自學為主

研究生作為高校科研的主力軍之一，對研究生課程的要求除了厚基礎、寬口徑之外，課程更應該要培養(yǎng)研究生的研究能力、研究興趣和科研素養(yǎng)．因此，以小組為單位，針對課程中的重點內(nèi)容，檢測和估計兩大模塊，組織學生前期調(diào)研信號檢測與估計理論在工程中的實際應用，并進行相應的項目仿真，完成調(diào)研、仿真報告，并制作PPT，以小組形式展開集體匯報、討論，以激發(fā)學生的科研興趣，培養(yǎng)其科研素養(yǎng)．

2.4 全面性考核

針對以往考核存在的問題，再結合課程的改革舉措，對該課程考核也進行了修改和補充，以體現(xiàn)對學生公平、公開、公正的考核[10]．從考核主體、考核形式、考核內(nèi)容等部分出發(fā)建立了過程性、全面性課程考核體系．

2.4.1 考核形式多樣化 將原來的成績構成，即期末考試70%+課后作業(yè)20%+課堂表現(xiàn)10%，修改為期末考試50%+平時成績50%，其中平時成績由章節(jié)測驗、章節(jié)討論、課堂表現(xiàn)、翻轉(zhuǎn)課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、調(diào)研報告和Matlab仿真實驗等組成，具體考核分值見表3，據(jù)此全面對學生進行考核．其中，章節(jié)測驗、章節(jié)討論、課堂表現(xiàn)、翻轉(zhuǎn)課堂表現(xiàn)和課后作業(yè)等都屬于鞏固理論環(huán)節(jié)，占最終成績的30%；調(diào)研報告和實驗仿真屬于實踐環(huán)節(jié)，占最終成績的20%，這樣可有效降低期末考試的隨機性和局限性．

2.4.2 考核主體多元化 打破只有教師考核的方式，在翻轉(zhuǎn)課堂表現(xiàn)、調(diào)研報告和Matlab仿真實驗的考核環(huán)節(jié)中，將學生也作為考核主體之一參與到考核環(huán)節(jié)中來．學生可以自評和互評，充分體現(xiàn)以“學生為中心”的教學理念以調(diào)動學生積極性．

表3 信號檢測與估計綜合評價考核體系

2.4.3 考核內(nèi)容標準化 考核內(nèi)容是考核體系構建過程中的重要組成部分，由于考核主體的多元化以及考核形式的多樣化，制定標準化的考核內(nèi)容關系到考核結果的合理、公正、客觀，也關系到考核的效果和效率．考慮到本課程學生參與自評和互評的考核環(huán)節(jié)主要有翻轉(zhuǎn)課堂、調(diào)研報告和仿真實驗３個環(huán)節(jié)，特設置了這些環(huán)節(jié)的具體考核內(nèi)容（見表４）．每個環(huán)節(jié)考核總分為100分，按照教師考核占比50%，學生自評20%，學生互評30%分別考核．由此可見，學生參與到考核中，并明確具體的考核內(nèi)容后，可以讓學生更有針對性地去完成各個任務，小組間取長補短，協(xié)同合作，調(diào)動學生學習的積極性．

表4　課程考核內(nèi)容

3　結語

圍繞應用創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標，從教學內(nèi)容、教學模式、實踐調(diào)研和實驗仿真、建立課程全面考核體系等方面對信號檢測與估計研究生課程進行了不同程度的改革建設．不僅注重基礎知識的與時俱進，還進行了一系列改革建設的嘗試，突出重點內(nèi)容，采用新穎的教學方法，加強實踐環(huán)節(jié)，探索了一套適合研究生信號檢測與估計理論課程的混合教學模式．

[1] 趙樹杰，趙建勛．信號檢測與估值理論[M]．北京：清華大學出版社，2012

[2] 馮鵬，魏彪，何鵬，等．研究生專業(yè)課程《信號檢測理論》教學改革的探討與實踐[J]．教育教學論壇，2016（39）： 140-141

[3] 代少升，杜智慧．對信號檢測與估計課程設置的構想[J]．實驗科學與技術，2013，11（6）：314-316

[4] 單潔，盧光躍，包志強．提高課堂教學效果的工科專業(yè)課教學法的研究與探索[J]．高教學刊，2015（18）：112-113

[5] 單潔，楊剛，王軍選，等．《信號檢測與估值》課程建設的探索[J]．高教學刊，2018（1）：53-55

[6] 叢玉良，趙曉暉，周求湛．信號檢測與處理系列課程的建設與改革實踐研究[J]，2013，34（3）：75-76

[7] 曲長文，周強，蘇峰，等．信號檢測與估計教材編寫的體會與思考[J]．教育教學論壇，2017（25）：256-257

[8] 景小榮，李強，陳前斌，等．基于Matlab的信號檢測與估計課程教學改革[J]．實驗科學與技術，2012，10（2）：55-57

[9] 曲長文，李炳榮，張韞．基于MatLab仿真開展信號檢測與估計課程的課堂教學[J]．中國現(xiàn)代教育裝備，2019（7）：60-61

[10] 張玲玲，梅忠義．對學生成績評價指標體系中一些問題的思考[J]．合肥工業(yè)大學學報：社會科學版，2006，20（2）： 19-21

Study on mixed learning mode in the teaching of signal detection and estimation

GONG Shufeng，QIN Yali

（School of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310012，China）

Analyzes some problems existing in the teaching of signal detection and estimation．Then，probes into the mixed teaching mode which can be used in signal detection and estimation from the perspectives of strengthening application，teaching content，teaching method and comprehensive examination．The teaching contents were simplified，group discussion and investigation were used among students，and MATLAB software experiments simulation were applied．These measures can not only help students to understand the knowledge more thoroughly，but also mobilize the enthusiasm of students and improve the teaching effect effectively．

signal detection and estimation；mixed teaching mode；Matlab software

TP391.9∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.10.018

1007-9831（2020）10-0082-04

2020-06-03

浙江工業(yè)大學2018年校級課堂教學改革建設項目（PX-61181504）

龔樹鳳（1985-），女，河北唐山人，講師，博士，從事陣列信號處理、信號檢測研究．E-mail：gongsf@zjut.edu.cn