新工科背景下“數(shù)字信號處理”教學(xué)模式探索

聶學(xué)方 朱路 周天清

[摘 要] 傳統(tǒng)的教學(xué)方式已無法適應(yīng)新時代創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)要求。隨著信息技術(shù)在教育行業(yè)應(yīng)用的推廣，線上教學(xué)作為傳統(tǒng)教學(xué)的補充已獲得廣大師生好評。隨著教學(xué)方式的逐步演變，在“新工科”的背景下，深度融合的線上與線下混合教學(xué)模式已成為高校教學(xué)改革的重要發(fā)展方向。以“數(shù)字信號處理”課程為例，闡述深度融合的混合式教學(xué)實施方案，并分析混合式教學(xué)效果，為實施有序、穩(wěn)定和高效的線上線下深度融合的混合式教學(xué)提供借鑒。

[關(guān)鍵詞] 混合式教學(xué);數(shù)字信號;教學(xué)模式

[基金項目] 2020年度江西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃省級課題“信息隱藏框架下本科專業(yè)課程科教融合的魯棒性機制及其實現(xiàn)路徑研究”（20YB057）

[作者簡介] 聶學(xué)方（1980—），男，江西九江人，博士，華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院講師，主要從事超密集組網(wǎng)研究;朱 路（1976—），男，江西永新人，博士，華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院教授，主要從事圖像處理研究;周天清（1983—），男，江西南昌人，博士，華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院副教授，主要從事邊緣計算研究。

[中圖分類號] G642.4? ? [文獻標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）07-0097-04? ? [收稿日期] 2020-09-07

一、引言

為了迎接新時代科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)變革帶來的挑戰(zhàn)，教育部提出了新工科建設(shè)與發(fā)展理念，旨在加快我國工程教育的創(chuàng)新與改革進度，為高校培養(yǎng)創(chuàng)新型科技人才做好鋪墊。傳統(tǒng)“灌輸式”的教學(xué)方式已不再適用于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，高校急需提出適應(yīng)新時代人才培養(yǎng)體系的教學(xué)模式。隨著信息技術(shù)在教育行業(yè)應(yīng)用的推廣，線上教學(xué)作為傳統(tǒng)教學(xué)的補充已獲得廣大師生好評。在“新工科”背景下，教師的教學(xué)手段和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式正在逐步發(fā)生變化。為豐富課程教學(xué)形式、改善教學(xué)效果，深度融合線上線下的混合教學(xué)模式，已成為當(dāng)前高校教學(xué)改革的一個重要發(fā)展方向[1-3]。然而，如何深度融合線上線下教學(xué)是高校教學(xué)改革的重要挑戰(zhàn)。為此，本文以工科專業(yè)基礎(chǔ)課“數(shù)字信號處理”課程為例，闡述深度融合的線上線下混合式教學(xué)模式，分享教學(xué)實踐經(jīng)驗和成效，為實施有序、穩(wěn)定、高效的混合式教學(xué)模式提供借鑒。

二、傳統(tǒng)教學(xué)和線上教學(xué)方式

傳統(tǒng)教學(xué)通常是以教師為主體、以教材為中心的灌輸式教學(xué)模式。課堂上教師講授學(xué)生聽，主要采用演示文稿（PPT）和黑板輔助的形式。課后學(xué)生圍繞著教師布置的課后練習(xí)題進行學(xué)習(xí)。這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法以教師為主體，教學(xué)方式相對單一。該模式雖然能較好地完成教學(xué)任務(wù)，但整個上課過程學(xué)生參與度和學(xué)習(xí)主動性較低，師生互動性交流較少，無法體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。

隨著智能信息技術(shù)的快速發(fā)展及移動互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，具有云端和多樣化特點的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式已經(jīng)紛紛上線[4]。教師可以依托中國大學(xué)MOOC、學(xué)堂在線和智慧樹等教學(xué)平臺，設(shè)置異步在線授課方式，并根據(jù)課程教學(xué)大綱建設(shè)專屬在線課程SPOC。相比于傳統(tǒng)的線下教學(xué)方式，線上教學(xué)模式為教師授課提供了便利條件。例如，釘釘平臺還推出了在線黑板、簽到、會議討論、作業(yè)布置及批閱等功能。然而，單純的線上教學(xué)模式主要是在教學(xué)平臺上提供教學(xué)錄像和學(xué)習(xí)資料，缺乏師生即時交互環(huán)節(jié)，呈現(xiàn)單向知識傳遞的局面。

三、混合式教學(xué)模式

（一）課程教學(xué)大綱

“數(shù)字信號處理”作為電子信息類主干課程，對于培養(yǎng)學(xué)生的理論分析和工程應(yīng)用能力有重要作用[5]。課程大綱統(tǒng)籌考慮如下四個方面的教學(xué)目的：（1）掌握離散時間信號和系統(tǒng)分析的基本原理和基本分析方法;（2）深入理解離散傅里葉變換的基本原理，學(xué)會應(yīng)用離散傅里葉變換及快速算法解決信號分析問題的方法;（3）能用系統(tǒng)函數(shù)、差分方程、系統(tǒng)零極點、單位脈沖響應(yīng)和頻率響應(yīng)對系統(tǒng)進行建模;（4）掌握數(shù)字濾波器的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法，能夠設(shè)計數(shù)字濾波器對數(shù)字信號進行處理。具體教學(xué)內(nèi)容如圖1所示。

“數(shù)字信號處理”課程包含信號分析和濾波器設(shè)計兩大部分。每個章節(jié)教學(xué)由四個部分組成，教學(xué)方案如圖2所示。整個教學(xué)過程包含教師教學(xué)準(zhǔn)備、學(xué)生課前預(yù)習(xí)、教師和學(xué)生互動的課中環(huán)節(jié)及學(xué)生課后鞏固四個環(huán)節(jié)。其中，課前預(yù)習(xí)和課后鞏固兩部分主要依托中國大學(xué)MOOC和釘釘互聯(lián)網(wǎng)平臺展開。MOOC平臺提供教學(xué)視頻和單元內(nèi)容測試，而釘釘為教師直播授課、作業(yè)布置和批閱提供平臺，同時也為學(xué)生簽到和問題討論提供便利渠道。課中環(huán)節(jié)在教室完成，教師講解重點難點知識，并組織學(xué)生互動討論。

（二）混合式教學(xué)實施方案

1.教學(xué)準(zhǔn)備。在授課前教師根據(jù)課程教學(xué)大綱制定好教學(xué)計劃和教學(xué)進度安排。在每次課講授之前，教師將準(zhǔn)備好的預(yù)習(xí)資料通過中國大學(xué)MOOC和釘釘平臺推送給學(xué)生。這些資料包含了知識重點、學(xué)習(xí)目標(biāo)及具有針對性的思考練習(xí)題和視頻學(xué)習(xí)資料等。如果知識點具有工程應(yīng)用背景，則在預(yù)習(xí)資料中還包含工程應(yīng)用案例。例如：針對快速離散傅里葉變換的典型教學(xué)內(nèi)容，團隊制作PPT課件及錄制好相應(yīng)內(nèi)容的講解視頻，并說明FFT與已學(xué)內(nèi)容離散傅里葉變換（DFT）的區(qū)別、FFT算法實現(xiàn)快速運算的基本思路。其次，為了學(xué)生理解和記憶，推送公式演算和算法流圖，說明按時間抽?。―IT）和頻率抽?。―FT）基-2FFT算法的基本原理和兩者算法的差異。由于FFT算法具有較強的工程應(yīng)用背景，我們編寫DIT和DFT的基-2 FFT算法程序，實現(xiàn)對8點離散序列的頻譜分析。最后，針對FFT算法內(nèi)容設(shè)置課前和課后的練習(xí)題。課前練習(xí)題包括：（1）改善DFT運算效率的基本途徑有哪些，如何減少DFT的運算量;（2）DIT和DFT算法所需加法和乘法的運算次數(shù)相比于DFT，運算次數(shù)減少了多少;（3）FFT運算級數(shù)、每級蝶形運算的個數(shù)及運算點數(shù)有什么關(guān)聯(lián)。課后練習(xí)包括：（1）理解DIT和DFT的基-2FFT算法的算法原理、運算流圖、所需計算量和算法特點;（2）畫出4點DIT和DFT的基-2FFT算法流圖;（3）8/16/32點DIT和DFT的基-2FFT流圖之間有什么規(guī)律。