“數(shù)字信號處理”課程線上教學(xué)模式的研究與實(shí)踐

沈荻帆 任佳 崔亞妮

[摘 要] 新工科教育的產(chǎn)出導(dǎo)向已經(jīng)成為高等教育改革的趨勢。在突如其來的新冠肺炎疫情下，如何利用網(wǎng)絡(luò)資源，采用線上多平臺輔助混合教學(xué)模式，提高專業(yè)課程產(chǎn)出效果，實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)，最終培養(yǎng)符合社會需求的高水平專業(yè)人才是高校教師亟待研究和解決的問題?！皵?shù)字信號處理”課程作為電子信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)理論課程，其抽象較難理解的特征使得課程教學(xué)難度較大。以“數(shù)字信號處理”課程為例，結(jié)合新工科教育要求，對線上多平臺輔助混合教學(xué)模式進(jìn)行研究與實(shí)踐，取得了很好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 新工科教育;產(chǎn)出導(dǎo)向;數(shù)字信號處理

[基金項(xiàng)目] 2018年度海南省高等學(xué)校教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“產(chǎn)學(xué)研用合作人才培養(yǎng)模式的研究與實(shí)踐——以海南大學(xué)為例”（Hnjg2018ZD-6）;2018年度海南大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“產(chǎn)學(xué)研用合作人才培養(yǎng)模式的研究與實(shí)踐——以海南大學(xué)為例”（hdjy1822）;2020年度海南大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“多維化微項(xiàng)目在電子信息類專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用——以‘C++程序設(shè)計(jì)課程為例”（hdjy2051）

[作者簡介] 沈荻帆（1975—），女，江蘇張家港人，碩士，海南大學(xué)信息與通信工程學(xué)院講師，主要從事教學(xué)改革與圖像處理研究;任 佳（1981—），男，新疆哈密人，博士，海南大學(xué)信息與通信工程學(xué)院教授，院長，主要從事人工智能研究;崔亞妮（1990—），女，河南焦作人，博士，海南大學(xué)信息與通信工程學(xué)院講師，主要從事多智能協(xié)同控制研究。

[中圖分類號] G648.4? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）38-0062-05? ? [收稿日期] 2021-02-20

一、研究背景

“數(shù)字信號處理”課程是工科電子信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)理論課程[1]，一般院校均在學(xué)生先修高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)和信號與系統(tǒng)之后開設(shè)。這門課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，要求的知識儲備起點(diǎn)較高，涉及的知識面比較廣。海南大學(xué)作為地方一本院校，其信息與通信技術(shù)學(xué)院下的電子信息專業(yè)和通信工程專業(yè)均在第五學(xué)期開設(shè)本課程。從目前的教學(xué)反饋來看，學(xué)生普遍覺得理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)公式過多，內(nèi)容煩瑣，且過于抽象，很難將理論聯(lián)系具體實(shí)際進(jìn)行理解，因此很多情況下只能對其知識點(diǎn)死記硬背，結(jié)果導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。我國于2016年成為國際工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》正式成員國，并于2017年啟動新工科建設(shè)[2]。新工科建設(shè)堅(jiān)持問題導(dǎo)向，要求依據(jù)產(chǎn)業(yè)需求設(shè)置專業(yè)，根據(jù)技術(shù)發(fā)展優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，從學(xué)校主體推動改革，落實(shí)“以學(xué)生為中心”的課程教學(xué)理念，創(chuàng)新工程教育的方式與手段，從而改進(jìn)學(xué)習(xí)效果。因此，在新工科教育指導(dǎo)下，對“數(shù)字信號處理”課程進(jìn)行教學(xué)模式研究和實(shí)踐，是進(jìn)一步提高課程學(xué)習(xí)成效、提高專業(yè)課教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)而“由點(diǎn)到面”提升專業(yè)整體質(zhì)量的迫切需求。

二、教學(xué)模式研究的理論基礎(chǔ)

美國著名課程理論家拉爾夫·維尼弗雷德·泰勒提出的課程原理和教學(xué)原理的理論體系主要圍繞以下四個方面展開：（1）教學(xué)目標(biāo);（2）為達(dá)到教學(xué)目標(biāo)所需的教育經(jīng)驗(yàn);（3）組織教育經(jīng)驗(yàn);（4）評價(jià)結(jié)果[3]。確定教學(xué)目標(biāo)時，要考慮課程后續(xù)實(shí)施中的四大要素——學(xué)習(xí)者、教育者、教育環(huán)境和學(xué)科特性，以保證目標(biāo)之間、目標(biāo)與產(chǎn)業(yè)需求之間、目標(biāo)與學(xué)校宗旨之間的高度一致，以及與學(xué)生內(nèi)部學(xué)習(xí)條件和外部教育環(huán)境相一致。選擇學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)時，不僅要看這類經(jīng)驗(yàn)是否可能達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，還要考慮學(xué)生與外部環(huán)境的相互作用，即選擇經(jīng)驗(yàn)時要考慮能否引發(fā)學(xué)生內(nèi)部學(xué)習(xí)動力和期望。在接下來的組織經(jīng)驗(yàn)中，則要遵照連續(xù)性、順序性和整合性，以保證課程四大要素之間的橫向、縱向和層次性的聯(lián)系與整合。評價(jià)則是確定課程與教學(xué)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)教育目標(biāo)程度的問題，其本身不是目的，而是通過測驗(yàn)或者其他方式來確定是否達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

三、“數(shù)字信號處理”課程的教學(xué)模式探索與實(shí)踐

單個獨(dú)立課程的教學(xué)是為最終培養(yǎng)目標(biāo)服務(wù)的。傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，更強(qiáng)調(diào)知識結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性，因此課程的教學(xué)目標(biāo)多定位于知識的“教”與“授”，而對整個培養(yǎng)體系的貢獻(xiàn)考慮不多，這就導(dǎo)致課程定位不清，不能解決“為什么學(xué)”和“學(xué)完能解決什么”等問題，最終引起課程教學(xué)重點(diǎn)失當(dāng)、教學(xué)與培養(yǎng)目標(biāo)脫節(jié)。同時，在長期的教學(xué)過程中，傳統(tǒng)模式均以教育者為主體，缺乏學(xué)習(xí)者的參與，特別是對“數(shù)字信號處理”這樣理論性強(qiáng)的課程，傳統(tǒng)教學(xué)模式很難達(dá)到既定教學(xué)目標(biāo)。另外，傳統(tǒng)教學(xué)模式更強(qiáng)調(diào)教學(xué)規(guī)范，但對課程的考核和總結(jié)改進(jìn)要求不明確，因此不能形成閉環(huán)控制，導(dǎo)致結(jié)果不可控。

（一）教學(xué)目標(biāo)

確定課程教學(xué)目標(biāo)時，首先要確定畢業(yè)生應(yīng)該具備的能力。對照2020年版工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的12條畢業(yè)要求，電子工程專業(yè)對此進(jìn)行具體化，一方面使其更為專業(yè)，符合本行業(yè)的發(fā)展需求;另一方面，明確對應(yīng)學(xué)生的培養(yǎng)任務(wù)，并將具體任務(wù)細(xì)化到課程教學(xué)中去，構(gòu)建符合電子工程專業(yè)的課程體系[4]。課程體系中的每個獨(dú)立課程對畢業(yè)要求形成支撐，作為電子專業(yè)核心專業(yè)理論課程的“數(shù)字信號處理”，其與畢業(yè)要求相關(guān)的支撐內(nèi)容如表1所示。在此基礎(chǔ)上，具體化“數(shù)字信號處理”的學(xué)習(xí)目標(biāo)要求，以此作為開課前教師和學(xué)生的約定與課程考評標(biāo)準(zhǔn)。該學(xué)習(xí)目標(biāo)要求必須明確覆蓋表1中的支撐內(nèi)容，如表2所示。

（二）教學(xué)經(jīng)驗(yàn)選擇與組織

1.課程內(nèi)容組織和準(zhǔn)備，明確教學(xué)任務(wù)。根據(jù)課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，安排課程內(nèi)容，分清重點(diǎn)、難點(diǎn)，指出課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)目標(biāo)要求之間的關(guān)系，使得教學(xué)活動目的明確，學(xué)生和教師都清楚自己的任務(wù)。在教學(xué)實(shí)踐中，根據(jù)課程目標(biāo)選定清華大學(xué)出版社出版、程佩青編著的《數(shù)字信號處理教程》（MATLAB版）教材。表3給出了根據(jù)教材“數(shù)字信號處理”第二章教學(xué)內(nèi)容組織的框架示例。

2.課程實(shí)施過程的時間分配和安排，合理調(diào)配學(xué)習(xí)節(jié)奏。課程教學(xué)實(shí)施前，先要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)安排對應(yīng)章節(jié)的大概學(xué)時，這個過程非常重要，決定了教師在教學(xué)過程中是不是能從容不迫地面對每個教學(xué)環(huán)節(jié)。以海南大學(xué)信息學(xué)院2019—2020學(xué)年度第二學(xué)期開設(shè)的對應(yīng)2017級理科實(shí)驗(yàn)班的“數(shù)字信號處理”課程為例，課程編號為B16191，總學(xué)時為48學(xué)時，其中42學(xué)時為課堂教學(xué)，另有6學(xué)時為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。在全面研究教材內(nèi)容，結(jié)合以往教學(xué)經(jīng)驗(yàn)后可以判斷，在有限的課堂教學(xué)時間內(nèi)要達(dá)成課程學(xué)習(xí)目標(biāo)非常緊張。在結(jié)合新工科教育理念的基礎(chǔ)上，如何合理分配時間，安排教學(xué)重點(diǎn)和次重點(diǎn)，也是“數(shù)字信號處理”這門課程教學(xué)效果真正落到實(shí)處的必要環(huán)節(jié)。對教學(xué)大綱和對應(yīng)教材進(jìn)行仔細(xì)研究，結(jié)合課程對應(yīng)章節(jié)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，分析教學(xué)對象的實(shí)際接受程度。在實(shí)施教學(xué)前，要對本課程實(shí)施過程的時間安排做好大致規(guī)劃。部分課程教學(xué)內(nèi)容和時間安排大致規(guī)劃如表4所示。在實(shí)踐教學(xué)過程中，進(jìn)度和內(nèi)容基本與規(guī)劃一致，驗(yàn)證了課時安排的合理性。