基于UBL模式的《數(shù)字信號(hào)處理》教學(xué)改革與實(shí)踐研究

郝慧麗

綿陽(yáng)城市學(xué)院，四川綿陽(yáng)，622651

0 引言

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)早已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，而對(duì)信息的載體——信號(hào)進(jìn)行分析和處理的研究，也日益重要，影響著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。信號(hào)處理及相關(guān)技術(shù)涉及電子信息工程、通信工程、自動(dòng)化、測(cè)控等專業(yè)，尤其以《數(shù)字信號(hào)處理》為主干課程，是各專業(yè)的核心專業(yè)課。

《數(shù)字信號(hào)處理》以時(shí)域離散信號(hào)的分析和處理算法研究為主線，突出探究性學(xué)習(xí)方法，是理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用的雙重結(jié)合體；主要授課內(nèi)容：時(shí)域離散信號(hào)和系統(tǒng)的頻域分析、離散傅里葉變換（DFT）、快速傅里葉變換（FFT）、濾波器設(shè)計(jì)（IIR和FIR）、多頻率采樣信號(hào)的處理等，可以利用計(jì)算機(jī)Matlab平臺(tái)仿真或 DSP專用處理芯片設(shè)備，對(duì)信號(hào)進(jìn)行獲取、分析、變換、估算等處理，對(duì)所涉及的系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域與頻域分析，達(dá)到提取信號(hào)特征和利于系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行分析的目的。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式也應(yīng)進(jìn)行變革，采用合適的教學(xué)方式，引入新興的信息與技術(shù)，擴(kuò)大學(xué)生視野。

1 《數(shù)字信號(hào)處理》教學(xué)現(xiàn)狀

近年來(lái)，特別是應(yīng)用型院校對(duì)課程課時(shí)進(jìn)行了大幅度縮減，在缺乏最基本的系統(tǒng)調(diào)研論證、未考慮到專業(yè)的特點(diǎn)的情況下，就大刀闊斧地把一些專業(yè)基礎(chǔ)課和一些專業(yè)能力課進(jìn)行了刪減。因此任課老師只能大幅度壓縮課堂內(nèi)容，這樣既影響了學(xué)生專業(yè)知識(shí)積累，也減少了對(duì)行業(yè)應(yīng)用的認(rèn)知，電子信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)核心課也深受“創(chuàng)傷”。

針對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》及相關(guān)課程，一部分老師采用傳統(tǒng)的授課方式，學(xué)習(xí)過(guò)程中以填鴨式向?qū)W生灌輸大量的公式推導(dǎo)和抽象的理論；很多學(xué)生不能接受，更難將其用于今后的學(xué)習(xí)工作中，無(wú)法達(dá)到教學(xué)目的；實(shí)踐課程安排，均以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多，缺乏靈活性和創(chuàng)造性，缺少具有實(shí)際工程應(yīng)用背景的設(shè)計(jì)內(nèi)容，無(wú)法達(dá)到希望的效果。

另一部分老師采取一種新興的教學(xué)方式——項(xiàng)目任務(wù)式教學(xué)，將課程知識(shí)點(diǎn)劃分為幾個(gè)項(xiàng)目案例。每個(gè)項(xiàng)目案例由老師發(fā)布任務(wù)，列出基本的知識(shí)點(diǎn)，課上課下由學(xué)生自主去查詢資料，自主學(xué)習(xí)，在老師的協(xié)助下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)目標(biāo)。這種放養(yǎng)式的教學(xué)方式，對(duì)于數(shù)理課程掌握比較好且有高度自覺(jué)性的學(xué)生來(lái)說(shuō)，可以自主、靈活地安排學(xué)習(xí)時(shí)間和內(nèi)容，具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是《數(shù)字信號(hào)處理》課程具有理論性強(qiáng)且較抽象、數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)較多、難的特點(diǎn)，且若授課對(duì)象為一般院校的普通學(xué)生，由于其數(shù)理基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，自我管理能力很差，很容易對(duì)該課程產(chǎn)生恐學(xué)、厭學(xué)的情緒。這導(dǎo)致學(xué)生又走向了另一個(gè)極端。

現(xiàn)在的大學(xué)生思維活躍，想學(xué)但是不能靜心于枯燥、設(shè)計(jì)單一的課堂，如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和如何約束學(xué)生的思路同樣重要；部分同學(xué)有想學(xué)好的意識(shí)只是底子薄，跟不上老師的課堂教學(xué)節(jié)奏，自學(xué)、練習(xí)不知道如何入手，因此如何因材施教，對(duì)這部分同學(xué)進(jìn)行基礎(chǔ)知識(shí)的補(bǔ)充很重要；有的同學(xué)理論強(qiáng)，實(shí)踐能力差，有的同學(xué)是理論學(xué)得飄，動(dòng)手能力卻很強(qiáng)，因此如何將二者結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短很重要。筆者也不斷嘗試新的教學(xué)模式，比如采取參考文獻(xiàn)[1]中的模式，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)心得，提出基于UBL教學(xué)模式的《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)改革和實(shí)踐。

2 《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)改革

2.1 引入U(xiǎn)BL培養(yǎng)模式

人才是發(fā)展壯大新興產(chǎn)業(yè)的首要資源，也是地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展、結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵因素。然而，人才培養(yǎng)供給則和產(chǎn)業(yè)需求側(cè)在結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、水平上還不能完全適應(yīng)，“兩張皮”問(wèn)題仍然存在，畢業(yè)生就業(yè)難，企業(yè)招聘難。UBL（Ultrawise Blended Link）模式應(yīng)運(yùn)而生，它是以改革創(chuàng)新為動(dòng)力的新型教學(xué)模式。

現(xiàn)有的UBL培養(yǎng)模式分為以下四個(gè)人才培養(yǎng)階段。

階段一：強(qiáng)調(diào)“學(xué)”，重點(diǎn)完善知識(shí)，從“靜態(tài)結(jié)構(gòu)”到“動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換”。

階段二：以仿真項(xiàng)目來(lái)加強(qiáng)動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

階段三：引入實(shí)訓(xùn)，通過(guò)真實(shí)項(xiàng)目、實(shí)戰(zhàn)演練鍛煉學(xué)生能力和職業(yè)素養(yǎng)。

階段四：“學(xué)做”結(jié)合，重點(diǎn)保證就業(yè)。

UBL模式是以O(shè)BE理念為核心，以學(xué)生為中心，以結(jié)果為導(dǎo)向，在執(zhí)行過(guò)程中是持續(xù)改進(jìn)完善的，已有成功的案例應(yīng)用于教學(xué)[2]。UBL教學(xué)最終目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的就業(yè)可遷移能力[3]?！稊?shù)字信號(hào)處理》課程不只是簡(jiǎn)單地掌握課程知識(shí)，在課程開展過(guò)程中，更要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、職業(yè)道德素養(yǎng)的培養(yǎng)，從團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題的能力，創(chuàng)新能力，社會(huì)適應(yīng)能力等方面提高學(xué)生的就業(yè)可遷移能力[3-4]。

2.2 理論和實(shí)踐齊頭并進(jìn)

在課程開始之前，按照學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和課程接受程度進(jìn)行分組；小組長(zhǎng)輪流擔(dān)任，對(duì)小組成員的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)情況進(jìn)行負(fù)責(zé)；加強(qiáng)對(duì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)。根據(jù)課程的性質(zhì)[5]和學(xué)生掌握數(shù)理知識(shí)薄弱的情況進(jìn)行對(duì)癥分析，補(bǔ)充相關(guān)基本知識(shí)；將課程中的理論知識(shí)、公式推導(dǎo)過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)化、模塊化；將二者的內(nèi)容細(xì)化后以文檔形式提前發(fā)給學(xué)生作為預(yù)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生以組為單位進(jìn)行預(yù)習(xí)，提前提出疑問(wèn)和困惑的知識(shí)點(diǎn)反饋給老師。

在安排課堂內(nèi)容時(shí)候，避免“老師講，學(xué)生聽”“老師講得口干舌燥，學(xué)生聽得暈頭轉(zhuǎn)向”的局面。課堂以學(xué)生為主，老師只是個(gè)指揮，起引領(lǐng)作用，課堂的合奏曲是由全體學(xué)生的合力創(chuàng)作的。課堂組織，教師首先將生活例子項(xiàng)目化后引入，然后將梳理后的理論知識(shí)點(diǎn)詳略得當(dāng)?shù)剡M(jìn)行講解；在講述理論知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，將相關(guān)案例或小項(xiàng)目在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)踐仿真[6-7]，引領(lǐng)學(xué)生動(dòng)腦思考理論分析、公式推導(dǎo)，動(dòng)手做仿真、練習(xí)；疑問(wèn)和困惑當(dāng)堂解決；以理論和實(shí)踐穿插進(jìn)行的授課方式取代傳統(tǒng)滿堂的公式推導(dǎo)和理論分析。

課程結(jié)束后，還是由小組長(zhǎng)負(fù)責(zé)監(jiān)督，安排小組成員開展討論會(huì)、完成課后練習(xí)留有的學(xué)習(xí)文檔。

在“理論課”授課過(guò)程中將理論傳授和實(shí)踐仿真環(huán)節(jié)并存，完成UBL教學(xué)的階段一和階段二培養(yǎng)目標(biāo)；將案例項(xiàng)目化引入“實(shí)踐課”中，學(xué)以致用，對(duì)應(yīng)完成UBL教學(xué)的階段三培養(yǎng)目標(biāo)；在后續(xù)的實(shí)訓(xùn)或者畢設(shè)過(guò)程中，引入合作企業(yè)的實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目，提前進(jìn)入“就業(yè)”工作狀態(tài)，保障了階段四的培養(yǎng)目標(biāo)，為就業(yè)做實(shí)力支撐。

2.3 拓展《數(shù)字信號(hào)處理》課程視野

按照現(xiàn)有的人才培養(yǎng)方案，在課程課時(shí)精簡(jiǎn)的情況下，減課時(shí)不減內(nèi)容，將多種深層次的研究元素和新技術(shù)的應(yīng)用引入現(xiàn)有的基本課程內(nèi)容中，將理論知識(shí)和實(shí)踐課程往寬處擴(kuò)展，擴(kuò)大課程學(xué)習(xí)的視野，做到深入淺出、面面俱到地開展授課，又能包羅萬(wàn)象、旁征博引，將課程豐富起來(lái)，將學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣激發(fā)出來(lái)。

本課程教學(xué)改革計(jì)劃將引入通信領(lǐng)域（如語(yǔ)音信號(hào)處理）、物聯(lián)網(wǎng)智能家居與智能電子領(lǐng)域（如語(yǔ)音控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)）、自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域（如傳感器信息處理）、人工智能機(jī)器人領(lǐng)域（如機(jī)器視覺(jué)研究）、電氣自動(dòng)化領(lǐng)域（如控制信號(hào)處理）、基于DSP技術(shù)的三維光學(xué)測(cè)量（如海量數(shù)據(jù)濾波技術(shù)）等領(lǐng)域的[8-12]高新技術(shù)來(lái)拓寬課程的研究視野，將相關(guān)的技術(shù)、應(yīng)用、產(chǎn)品及新思想融入到課程建設(shè)中，學(xué)習(xí)、借鑒新技術(shù)、新研究，豐富課堂內(nèi)容；課程內(nèi)容將結(jié)合相應(yīng)的新技術(shù)實(shí)現(xiàn)模塊化，并將其梳理成小項(xiàng)目和大項(xiàng)目，融入課堂，理論課堂和實(shí)踐課堂將不斷地穿插小項(xiàng)目和仿真演練；在實(shí)訓(xùn)課進(jìn)行仿真演練或者實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練。

2.4 多角度激發(fā)學(xué)生，多途徑提高學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)課堂上，老師臺(tái)上款款而談；臺(tái)下學(xué)生昏昏欲睡。這種割裂的課堂氛圍長(zhǎng)此以往，形成惡性循環(huán)。再者，本課程對(duì)應(yīng)學(xué)習(xí)內(nèi)容與數(shù)學(xué)知識(shí)關(guān)聯(lián)緊密，涉及一堆堆公式推導(dǎo)，極其枯燥；電子信息類專業(yè)課程對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)等自然科學(xué)學(xué)課要求比較高，但學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)普遍不好。各方面原因?qū)е聦W(xué)生畏難情緒比較嚴(yán)重，想學(xué)又沒(méi)有堅(jiān)持研究下去的動(dòng)力。

本教學(xué)設(shè)計(jì)采用很小例子，淡化數(shù)學(xué)和理論知識(shí)點(diǎn)在課程中的難度，用matlab語(yǔ)言或者其他語(yǔ)言進(jìn)行仿真，讓學(xué)生得到比較直觀的感受，激發(fā)他們進(jìn)行深入研究的興趣，增強(qiáng)他們的自驅(qū)力。

現(xiàn)將小案例引入課堂教學(xué)的展示如下。

音樂(lè)信號(hào)在錄制過(guò)程中通常會(huì)受到各種噪聲的干擾，如嘯叫噪聲、隨機(jī)噪聲等，使人無(wú)法聽清音樂(lè)旋律,為此可采用數(shù)字信號(hào)處理手段，對(duì)含有噪聲的音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行濾波消噪[6]。

老師先播放一段受到強(qiáng)烈嘯叫噪聲干擾的音樂(lè)信號(hào)，講解含噪音頻信號(hào)的去噪背景和意義；向?qū)W生提出疑問(wèn)，如何處理掉這個(gè)嘯叫噪聲。老師對(duì)學(xué)生的見解，做個(gè)小總結(jié)；接著甩出本案例研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)：在仿真平臺(tái)上試聽含噪音樂(lè)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，利用頻域置零法消除該信號(hào)中的嘯叫噪聲，恢復(fù)出信號(hào)，對(duì)恢復(fù)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，讀取并保存消噪后的信號(hào)。

在研究目標(biāo)的指引下，老師和學(xué)生一起編程仿真，畫出含噪信號(hào)的時(shí)域波形和頻域波形，直觀性比較強(qiáng)，便于分析，得出音樂(lè)信號(hào)和噪聲分屬于不同頻段；接著對(duì)時(shí)域分析和頻域分析理論知識(shí)進(jìn)行講解和討論；然后使用頻域置零法進(jìn)行編程仿真，完成消除噪聲的操作，試聽恢復(fù)出的信號(hào)；最后做總結(jié)，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行擴(kuò)展思考，這種頻域分析法還有哪些應(yīng)用。查閱相關(guān)信息，進(jìn)行獨(dú)立思考，撰寫一個(gè)小的實(shí)訓(xùn)報(bào)告作為作業(yè)。到此，一個(gè)小案例的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目完結(jié)。實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)可以加強(qiáng)對(duì)學(xué)生自驅(qū)力的培養(yǎng)，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣。

在課程進(jìn)展到一定深度后，讓學(xué)生參與到案例項(xiàng)目的搜集及設(shè)計(jì)過(guò)程，比如將參考文獻(xiàn)[8-12]中的智能家居、航拍圖像處理、立體視覺(jué)等諸如此類的技術(shù)研討引入到課堂內(nèi)外的知識(shí)補(bǔ)充中。學(xué)生可以根據(jù)學(xué)習(xí)傾向和興趣，搜集大量的論文或者著作以及網(wǎng)上信息，規(guī)劃小課題作為創(chuàng)新項(xiàng)目補(bǔ)充到案例集中。老師將實(shí)訓(xùn)內(nèi)容選擇的部分權(quán)力給學(xué)生，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

在課程學(xué)習(xí)過(guò)展中，若是有自主開發(fā)的項(xiàng)目或產(chǎn)品，比較新穎，具有實(shí)踐意義，且能夠系統(tǒng)化、完整化，則可以將其打包，開發(fā)成產(chǎn)品，或參與國(guó)家省市校級(jí)的各類競(jìng)賽，或者尋求產(chǎn)業(yè)化，與校企合作單位一起完成成果轉(zhuǎn)化。這些實(shí)踐實(shí)戰(zhàn)的應(yīng)用，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)不光是知識(shí)能力、興趣點(diǎn)的提升，也是眼界和視野的開闊過(guò)程。當(dāng)然對(duì)任課老師也是挑戰(zhàn)，后續(xù)會(huì)有更多的科研成果和教學(xué)設(shè)計(jì)新思路誕生。

前期小范圍的課程改革實(shí)踐結(jié)束，學(xué)生給出“這種上課方法很新奇！這堂課內(nèi)容深深吸引了我”的評(píng)價(jià)。

實(shí)踐出真知，調(diào)動(dòng)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，勇于用腦、勤于動(dòng)手，方式方法很重要。

3 結(jié)語(yǔ)

UBL人才培養(yǎng)模式具有開放性特點(diǎn)，兼容并存。教學(xué)相長(zhǎng)，老師和學(xué)生在教學(xué)改革中共同發(fā)展。

基于UBL人才培養(yǎng)模式，本文將UBL教學(xué)理念融入課程實(shí)施環(huán)節(jié)，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)改革，教學(xué)目標(biāo)更明確、人才培養(yǎng)路線更精準(zhǔn)；同時(shí)為課堂內(nèi)容注入新鮮的信息技術(shù)元素，根據(jù)學(xué)情分析，靈活制定課堂安排，進(jìn)而將學(xué)生的活力及學(xué)習(xí)積極性調(diào)動(dòng)起來(lái)，師逸功倍。

大學(xué)之大，不在于高樓不在于教室，而在于課堂是不是真的“大”。將大視野引入一門課一堂課，讓學(xué)生具有廣闊的眼界和胸懷，讓學(xué)生“動(dòng)”起來(lái)，以團(tuán)隊(duì)協(xié)作為主，進(jìn)行自主實(shí)踐、創(chuàng)新創(chuàng)作，使其具備較強(qiáng)的就業(yè)可遷移能力。