徐以濤,江 漢,童曉兵,張玉明
(陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210007)
在2011 年漢諾威博覽會上,德國首次提出了工業(yè)4.0的概念,隨后其他國家也紛紛出臺了類似的國家戰(zhàn)略計劃[1-2]。第四次工業(yè)革命的到來,促使工程教育進行全方位的變革,“新工科”改革倡議正是我國工程教育面對新的工業(yè)革命所做出的積極回應(yīng)[3-4]。
新工科發(fā)展戰(zhàn)略對我國高等工程教育提出了新要求,更加注重學(xué)生創(chuàng)新思維、工程實踐等多方面能力的培養(yǎng)。以“數(shù)字信號處理”課程為例,其相關(guān)理論和技術(shù)近三十年來取得了飛躍性發(fā)展,已經(jīng)滲透到生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域;“數(shù)字信號處理”不僅是電子工程、通信工程、語音處理、圖像處理等傳統(tǒng)本科專業(yè)的核心課程,同樣也成為大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)工程等新工科專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程。因此,開展面向新工科的“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)改革與實踐,適應(yīng)新工科的發(fā)展變化需求,具有重要意義。
本文以提高學(xué)生綜合運用能力、創(chuàng)新思維能力、自主學(xué)習(xí)能力、工程實踐能力等“四力”培養(yǎng)為目標(biāo),探討了“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)改革的舉措和方法,為提高“數(shù)字信號處理”的整體教學(xué)水平和效果等提供有力支撐。
“數(shù)字信號處理”是一門理論性較強的專業(yè)基礎(chǔ)課程,包含了很多抽象概念和理論,一些定理和結(jié)論的推導(dǎo)涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)過程,對學(xué)生的數(shù)學(xué)功底要求較高,與“高等數(shù)學(xué)”“復(fù)變函數(shù)”“信號與系統(tǒng)”等先修課程的相關(guān)內(nèi)容聯(lián)系緊密。此外,“數(shù)字信號處理”又是一門理論和應(yīng)用結(jié)合非常密切的課程,教學(xué)內(nèi)容在實際科研、工程中有廣泛的應(yīng)用環(huán)境,扎實掌握數(shù)字信號處理的基本原理和方法,對后續(xù)“數(shù)字通信原理”“語音信號處理”“圖像處理”等專業(yè)課程的學(xué)習(xí),提高工程實踐能力具有重要的意義。
“數(shù)字信號處理”課程在教學(xué)實施過程中面臨很大的挑戰(zhàn),普遍存在“難教難學(xué)”的問題。課程建設(shè)與新工科人才培養(yǎng)從知識到能力轉(zhuǎn)化的需求還存在一定差距,在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)資源建設(shè)等各方面,仍存在一些共性問題,具體表現(xiàn)在:
(1)教學(xué)內(nèi)容上各知識模塊相對獨立,前后缺乏有機關(guān)聯(lián),以定義、定理以及相關(guān)性質(zhì)介紹為主,缺少綜合知識應(yīng)用做支撐,難以體現(xiàn)綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)。
(2)內(nèi)容的數(shù)學(xué)公式多、概念多,學(xué)生以被動接受和記憶信息為主,停留在淺層次學(xué)習(xí);教學(xué)方法以理論講授為主,探究式、案例式方法采用較少,難以鍛煉學(xué)員創(chuàng)新思維能力。
(3)配套教學(xué)資源建設(shè)不夠完善,缺少以核心知識點為主、碎片知識點為輔的微課、慕課支撐;實驗環(huán)節(jié)以驗證性為主,缺乏綜合性、拓展性實驗內(nèi)容,支撐學(xué)生參加各類科技創(chuàng)新競賽的平臺資源薄弱,學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力得不到鍛煉。
(4)理論和實踐脫節(jié),缺乏典型工程應(yīng)用案例做支撐,難以做到“學(xué)以致用”;在課堂引入、應(yīng)用實例、知識拓展等層面與信息技術(shù)發(fā)展和實際系統(tǒng)應(yīng)用關(guān)聯(lián)度不夠,學(xué)生工程實踐能力得不到有效鍛煉。
國內(nèi)大多數(shù)理工科院校都開設(shè)了“數(shù)字信號處理”課程,相關(guān)教學(xué)團隊開展了多種多樣的教學(xué)改革和實踐。例如,電子科技大學(xué)胡彭啟琮教授和西安電子科技大學(xué)的高西全教授等對“數(shù)字信號處理”課程進行了較為全面的探索和改革,從教學(xué)內(nèi)容、教材建設(shè)、教學(xué)方法、考核方式等多方面入手,全面提高學(xué)生對知識的理解和掌握[5-7]。解放軍信息工程大學(xué)的張冬玲等老師運用工科思維方式來啟發(fā)學(xué)生,探究各種數(shù)字信號處理方法產(chǎn)生的背景和原因,讓學(xué)生明白知識應(yīng)用的場合或使用的范疇[8]。趙發(fā)勇等老師采用基于問題學(xué)習(xí)的探究式教學(xué)方法,讓學(xué)生通過實際的現(xiàn)象提出問題、分析問題、解決問題,實現(xiàn)師生教學(xué)互動的教學(xué)模式,引導(dǎo)學(xué)生深入思考,主動學(xué)習(xí)[9]。楊毅明和丑永新等老師對課程的實踐教學(xué)進行了改革,將實際的工程案例融入課堂教學(xué),使學(xué)員在實踐中學(xué)習(xí)和運用理論知識,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)效率[10-11]。
綜上所述,經(jīng)過多年的改革和實踐,“數(shù)字信號處理”課程建設(shè)取得了較大的進步,但是對標(biāo)新工科背景下的人才培養(yǎng)需求,仍然存在一定的差距,因此,深入開展有針對性的“數(shù)字信號處理”教學(xué)改革勢在必行。增加研究性、創(chuàng)新性、綜合性教學(xué)內(nèi)容,引導(dǎo)學(xué)生進行探究式和個性化學(xué)習(xí),培養(yǎng)深度分析、大膽質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神和能力,實現(xiàn)知識、能力、素質(zhì)等培養(yǎng)目標(biāo)的有機融合。
本文結(jié)合“數(shù)字信號處理”的課程定位和特點,以綜合運用能力、創(chuàng)新思維能力、自主學(xué)習(xí)能力、工程實踐能力等四個方面的能力培養(yǎng)為抓手,提出改革思路和方法,優(yōu)化課程內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)方法、拓展教學(xué)資源、探索“數(shù)字信號處理”的教學(xué)實踐模式,為面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的“數(shù)字信號處理”課程建設(shè)提供新思路。
著眼于“注重基礎(chǔ)理論、面向工程應(yīng)用、適應(yīng)技術(shù)發(fā)展”,以共同性的“基本概念、基本理論和基本方法”內(nèi)容為基礎(chǔ),以“實踐環(huán)節(jié)”內(nèi)容為橋梁,以“典型應(yīng)用”內(nèi)容為牽引,對原有的教學(xué)內(nèi)容進行了重組和優(yōu)化。按離散時間信號與系統(tǒng)的時域分析、離散時間信號與系統(tǒng)的頻域分析、數(shù)字濾波器設(shè)計和多抽樣率信號處理四個模塊重組和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容體系,建立知識圖譜,如圖1所示,刪減與相關(guān)課程重疊、過時的內(nèi)容,突出頻譜分析和數(shù)字濾波的具體應(yīng)用,增加和實際工程關(guān)聯(lián)緊密的綜合應(yīng)用案例,形成服務(wù)于培養(yǎng)學(xué)員綜合應(yīng)用能力的課程內(nèi)容體系。
圖1 “數(shù)字信號處理”知識圖譜
(1)橫向關(guān)聯(lián),強調(diào)各知識模塊之間的內(nèi)在聯(lián)系。以頻譜分析為例,從Z變換到離散時間傅里葉變換,再到周期序列離散傅里葉級數(shù),最后到離散傅里葉變換,幾種變換既有區(qū)別,又有聯(lián)系,遵循從一般到特殊、從單域離散到時頻域皆離散化的過程。講解時不能孤立地理解,一定要相互聯(lián)系、相互比較,對加強頻譜分析的物理含義、綜合理解與應(yīng)用起到畫龍點睛的作用。
(2)縱向落實,突出從理論到實現(xiàn)的綜合應(yīng)用?!皵?shù)字信號處理”課程理論性強、數(shù)學(xué)公式多、推導(dǎo)多,學(xué)生很容易把學(xué)習(xí)重點放在理論計算、公式記憶上,滿足于通過考試而忽略了知識的加工、應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)在基本知識學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上,打通理論支撐——知識要素——設(shè)計方法——工程應(yīng)用的綜合能力培養(yǎng)路徑,向應(yīng)用和實現(xiàn)落實。應(yīng)當(dāng)增加體現(xiàn)知識綜合運用的大型作業(yè)或思考題,強化設(shè)計方法和工程應(yīng)用能力的訓(xùn)練,真正掌握數(shù)字信號處理理論和方法的內(nèi)涵,能夠靈活運用。
結(jié)合教師自身科研工作經(jīng)驗,將數(shù)字信號處理科研成果融入課堂,反哺教學(xué)。采用問題式、啟發(fā)式和研討式教學(xué)方法,提高學(xué)員創(chuàng)新思維能力和解決復(fù)雜問題的能力。
(1)以科研促教學(xué)。針對課程的具體知識點,充分挖掘其歷史背景和現(xiàn)實應(yīng)用,及時將最新的科研成果內(nèi)化為教學(xué)內(nèi)容。例如,在介紹快速傅里葉變換FFT時,結(jié)合4G/5G移動通信OFDM系統(tǒng)的實例,拓展FFT在多載波調(diào)制和解調(diào)中的應(yīng)用,豐富學(xué)生對FFT的理解。精心完成問題的構(gòu)建,剖析解決問題的思路,并列舉典型應(yīng)用實例。例如,在講解濾波器設(shè)計方法時,將科研中的話音干擾濾除問題引入FIR濾波器的教學(xué)中,通過圖2的FIR濾波器設(shè)計過程啟發(fā)學(xué)員深入思考,用理論和實例的有機結(jié)合激發(fā)其創(chuàng)新性思考。
圖2 FIR濾波器設(shè)計過程
(2)深度學(xué)習(xí)。常見的學(xué)習(xí)方法有兩種,即對知識的“淺層”加工方法和“深度”加工方法,分別稱為“淺層學(xué)習(xí)”和“深度學(xué)習(xí)”[12]。淺層學(xué)習(xí)指被動接受和記憶信息,并將其作為獨立、無關(guān)的事實,它只是膚淺地掌握考試內(nèi)容,并未促進理解或長期保留知識與信息。深度學(xué)習(xí)是指學(xué)習(xí)者使用高級認(rèn)知技能(如分析、綜合、解決問題和元認(rèn)知的能力)處理信息并構(gòu)建長期而深刻的理解。它涉及對新思想的批判性分析,將新思想與已知概念和原理相關(guān)聯(lián),并應(yīng)用于解決新的情境中的問題。以窗函數(shù)知識點為例,它是由FIR濾波器設(shè)計引出,從最簡單的矩形窗進行分析,得出加窗后對性能帶來的影響,理解吉布斯效應(yīng)的存在,這個過程屬于淺層次的學(xué)習(xí)。在深入分析FIR濾波器性能與加窗長度、窗函數(shù)主瓣旁瓣特性、窗函數(shù)類型等內(nèi)在關(guān)系后,采用理論分析、仿真驗證等手段,得出窗函數(shù)設(shè)計FIR的一般規(guī)律、性能折衷、優(yōu)化提升等方法,才算真正掌握了窗函數(shù)的內(nèi)涵;其次,有了窗函數(shù)的系統(tǒng)知識后,可以和前面已講授過的DFT頻譜分析進行關(guān)聯(lián),進而得出頻譜泄露誤差產(chǎn)生的根本原因,啟發(fā)學(xué)生利用加窗法改進頻譜分析性能,這樣就提高了學(xué)生分析、綜合和解決問題的高級認(rèn)知能力。
從被動教學(xué)向主動學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變,從教師為中心的教學(xué)方法向?qū)W生為中心的學(xué)習(xí)活動的轉(zhuǎn)變,可培養(yǎng)學(xué)生引向更深層次的理解和更高水平的自主學(xué)習(xí)技能。
(1)創(chuàng)建線上學(xué)習(xí)環(huán)境。信息技術(shù)拓寬了學(xué)習(xí)環(huán)境的概念,使學(xué)習(xí)體驗可以擴展到傳統(tǒng)課堂之外。學(xué)生通過在線平臺和移動學(xué)習(xí)設(shè)備,可以實現(xiàn)在任何時間、任何地點和任何形式的學(xué)習(xí)活動。以傅里葉變換、濾波器設(shè)計等重難點內(nèi)容為主、以線性卷積、因果穩(wěn)定性判斷、典型窗函數(shù)等知識碎片為輔開展微課、慕課資源建設(shè),方便學(xué)生進行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí),對關(guān)注的相關(guān)內(nèi)容進行分析、比較和綜合學(xué)習(xí);構(gòu)建與知識點相關(guān)的文獻資料庫以及技術(shù)發(fā)展介紹,拓展學(xué)生的知識面;采用形式多樣的在線學(xué)習(xí)平臺,實現(xiàn)在線討論、實時交流、信息發(fā)布,開展在線作業(yè)與考試,在線實驗與研究,以增強學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)體驗。
(2)開展合作學(xué)習(xí)。合作學(xué)習(xí)是在教師指導(dǎo)下,以合作學(xué)習(xí)小組為單位,系統(tǒng)地利用教學(xué)中各種動態(tài)因素之間的互動,促進學(xué)生進步,以個體和整體的成績?yōu)樵u價標(biāo)準(zhǔn),共同達到教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)活動。合作式學(xué)習(xí)的根本特點是小組活動,通過小組內(nèi)成員的各方面差異,使活動的組織與開展具有一定的互補性。
在“數(shù)字信號處理”教學(xué)過程中,鼓勵學(xué)生利用微信、QQ、釘釘?shù)壬缃卉浖?chuàng)建學(xué)習(xí)社區(qū),激發(fā)自主學(xué)習(xí)熱情。老師從圖1所示的知識圖譜中提取合適的主題,讓學(xué)生分小組進行討論。對于基本的概念主題,小組分工后,協(xié)作查找資料,小組討論后直接給出結(jié)論;對于進階的辨析主題,除了分組討論數(shù)字信號處理的基本理論外,還需要發(fā)揮組內(nèi)學(xué)生各自特長,分別開展理論推導(dǎo)和仿真驗證;有些主題內(nèi)容較深,則需進行全班集體討論,或者小組討論后再進行各小組辯論等。討論主題的產(chǎn)生、分發(fā),資料的整理、消化,小組的匯報、討論以及辯論等,學(xué)生都是主動參與者。合作式學(xué)習(xí)整個過程可提高學(xué)生的參與度,使其自主學(xué)習(xí)能力得到鍛煉提高。
(1)引入虛擬仿真實驗,增強應(yīng)用實踐體驗。數(shù)字信號處理虛擬仿真實驗系統(tǒng)是設(shè)計在通用計算機平臺上,運用了虛擬儀器技術(shù)、云計算技術(shù),能夠替代信號處理實驗室中多種傳統(tǒng)儀器的實驗系統(tǒng)[13-14]。虛擬仿真實驗系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)信號處理實驗室設(shè)備繁多、儀器重復(fù)購置、利用率低、儀器損壞率高的問題,可以為信號處理實驗提供方便、簡潔、高效的實驗儀器。通過與信號處理專業(yè)現(xiàn)有的硬件實驗平臺相結(jié)合,實現(xiàn)硬件實驗虛擬化,打破實驗教學(xué)的空間和時間的束縛,提高實驗教學(xué)的效率;在增強沉浸式學(xué)習(xí)逼真度的同時,也讓學(xué)生能更加清晰、明確的了解實驗現(xiàn)象。
虛擬仿真實驗平臺采用圖形化積木式的編程語言,以流程圖形式編程,提供了豐富數(shù)值分析、信號處理和設(shè)備驅(qū)動等功能,直觀圖形化的編程接口可以彌補Matlab仿真的內(nèi)生不足,學(xué)生可以方便地建立自己的虛擬儀器,使得編程和使用都生動有趣。通過精心設(shè)計虛擬仿真實驗內(nèi)容,搭建起理論到工程實踐的橋梁。實驗內(nèi)容涵蓋多種波形發(fā)生器、信號時域及頻域分析、FFT計算蝶形調(diào)整、數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)和參數(shù)調(diào)整,可直觀顯示系統(tǒng)模塊參數(shù)調(diào)整后對信號處理性能的影響。可對信號處理理論及實現(xiàn)中抽象的、難以理解的概念進行實時模擬仿真,從而清晰、感性地再現(xiàn)多種信號處理實驗現(xiàn)象,有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實踐教學(xué)效果。
(2)依托Matlab和eZdsp實踐平臺,設(shè)計典型工程案例庫。在開展數(shù)字信號處理實踐教學(xué)時,經(jīng)常感覺到學(xué)生們在信號處理理論和實踐方面的脫節(jié),學(xué)生大都害怕或不愿接觸實踐開發(fā)環(huán)節(jié),即使開始動手實驗,也容易讓一些“似是而非”的程序錯誤打擊信心。存在上述現(xiàn)象的主要原因是平時缺少典型工程案例實踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練,在理論算法和工程實現(xiàn)之間存在巨大的鴻溝。
通過全面梳理數(shù)字信號理論知識點,以Matlab仿真軟件和eZdsp實踐平臺為基礎(chǔ),建立典型的工程案例庫,精心設(shè)計具體實踐案例,把晦澀難懂的理論推導(dǎo)換之以物理概念的理解和啟發(fā)思考的實驗題目,學(xué)生依據(jù)案例指導(dǎo)和實驗平臺開展相應(yīng)的仿真驗證,也可通過不同案例模塊組合,實現(xiàn)更復(fù)雜的創(chuàng)新性設(shè)計?;诠こ贪咐_展的實踐教學(xué),可有效培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計思維,增強工程實踐能力。部分工程案例庫設(shè)計如表1所示。
表1 典型工程案例庫
伴隨著大數(shù)據(jù)、人工智能和互聯(lián)網(wǎng)+等新一輪科技革命,以及“中國制造2025”國家戰(zhàn)略的需要,圍繞新理念、新模式、新體系,重塑學(xué)生工程實踐能力成為當(dāng)前高等工程教育領(lǐng)域改革的前沿。本文結(jié)合新工科建設(shè)新要求,全面分析探討了“數(shù)字信號處理”課程改革的必要性及建設(shè)新思路,針對“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)存在的共性問題,以聚焦提高學(xué)生綜合運用能力、創(chuàng)新思維能力、自主學(xué)習(xí)能力、工程實踐能力等為目標(biāo),提出了針對性的改革方法及建議,對促進“數(shù)字信號處理”教學(xué)研究與實踐、提高課程教學(xué)質(zhì)量,提供有益的幫助。