工程教育認(rèn)證背景下數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)研究與實(shí)踐

收稿日期：2023-09-19

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.038

摘? 要：河北地質(zhì)大學(xué)通信工程專業(yè)持續(xù)推進(jìn)工程教育改革，依據(jù)成果導(dǎo)向理念修訂了新的培養(yǎng)方案，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)目標(biāo)提出了新的要求。針對(duì)課程教學(xué)需要達(dá)成的對(duì)學(xué)生知識(shí)、能力、素養(yǎng)三個(gè)方面的培養(yǎng)目標(biāo)，確立了達(dá)成目標(biāo)的途徑：通過課前、課中、課后一體化教學(xué)體系、重難點(diǎn)專題研究與討論、補(bǔ)差小組分層教學(xué)來保證知識(shí)目標(biāo)的達(dá)成；通過翻轉(zhuǎn)課堂、案例教學(xué)、項(xiàng)目實(shí)操、興趣小組科研探索來保證能力目標(biāo)的達(dá)成；通過思政教育碎片化融入課堂保證素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。最后從主觀、客觀兩個(gè)角度對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，給出了兩輪教學(xué)效果的對(duì)比。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證；數(shù)字信號(hào)處理；課程目標(biāo)；達(dá)成途徑；課程評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：TP39；G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）07-0194-05

Teaching Research and Practice of Digital Signal Processing Course under the Background of Engineering Education Certification

WU Yan

（Hebei GEO University， Shijiazhuang? 050031， China）

Abstract： The communication engineering major of Hebei GEO University continues to promote the reform of engineering education， and has revised new training plans based on the results oriented concept， proposing new requirements for the teaching objectives of digital signal processing courses. In response to the cultivation goals of student's knowledge， abilities， and literacy that need to be achieved in course teaching， the ways to achieve these goals have been established： It guarantees the achievement of knowledge goals through an integrated teaching system before， during， and after class， research and discussion on key and difficult topics， and hierarchical teaching in remedial groups. It guarantees the achievement of ability goals through flipped classroom， case teaching， project practice， and interest group research exploration. It guarantees the achievement of literacy goals through integrating fragmented ideological and political education into the classroom. Finally， the teaching effectiveness is evaluated from both subjective and objective perspectives， and a comparison of the two rounds of teaching effectiveness is provided.

Keywords： engineering education certification; digital signal processing; course goal; approach to achievement; course evaluation

0? 引? 言

工程教育認(rèn)證背景下，專業(yè)對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程制定了新的課程目標(biāo)包括知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)3個(gè)方面，細(xì)化為以下4點(diǎn)：

1）掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本原理和基本分析方法，包括離散信號(hào)與離散時(shí)間系統(tǒng)時(shí)域和變換域分析方法，能夠利用上述方法分析離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的特點(diǎn)，找到獲取目標(biāo)信號(hào)的處理方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并對(duì)通信工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題提出解決方案，進(jìn)行比較、分析和改進(jìn)。

2）掌握數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，能夠過設(shè)計(jì)合適的數(shù)字濾波器解決信息工程領(lǐng)域復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理問題，進(jìn)而系統(tǒng)地應(yīng)用數(shù)字信號(hào)、數(shù)字系統(tǒng)的分析方法，能夠基于時(shí)域、頻域、復(fù)頻域，對(duì)信號(hào)和系統(tǒng)進(jìn)行分析，能夠證實(shí)解決方案的合理性，獲得有效結(jié)論。

3）能夠利用MATLAB軟件和Simulink仿真工具對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行仿真，能夠?qū)嵤虑笫堑赜涗泴?shí)驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)地運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的理論和分析方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行解釋，通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

4）通過小組協(xié)作的方式完成學(xué)習(xí)任務(wù)，培養(yǎng)在團(tuán)隊(duì)中能夠各司其職并且有效溝通的能力。

1? 課程目標(biāo)達(dá)成途徑

圍繞課程目標(biāo)，達(dá)成途徑教學(xué)設(shè)計(jì)如表1所示。

1.1? 提高知識(shí)目標(biāo)達(dá)成的舉措

1.1.1? 課前、課中、課后一體化教學(xué)體系

課前，教師針對(duì)基本知識(shí)點(diǎn)、重要知識(shí)點(diǎn)、難點(diǎn)準(zhǔn)備典型習(xí)題，以雨課堂試卷的形式發(fā)送給學(xué)生，學(xué)生作答后，教師可查看每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的得分率，對(duì)得分率較低的知識(shí)點(diǎn)，在課上著重講解并準(zhǔn)備課上習(xí)題，通過雨課堂發(fā)送課堂練習(xí)，方便觀察準(zhǔn)確率，以及出錯(cuò)的同學(xué)，對(duì)個(gè)別出錯(cuò)的，可約答疑或錄制講解視頻發(fā)送。課后，針對(duì)重難點(diǎn)布置課后練習(xí)題和討論題目?？紤]韓基泰[1]中提到的課后作業(yè)解答方式的弊端，課后習(xí)題講解不安排集中習(xí)題課，均采用錄制講解視頻發(fā)送給學(xué)生的方式解答。

1.1.2? 重、難點(diǎn)專題研究與討論

針對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)、難點(diǎn)，以小組為單位分工合作完成實(shí)驗(yàn)并總結(jié)匯報(bào)[2]，如表2所示。

1.2? 提高能力目標(biāo)達(dá)成的舉措

1）翻轉(zhuǎn)課堂——自學(xué)能力培養(yǎng)。我國(guó)的哲學(xué)家周國(guó)平先生有一句話：“一切教育都是自我教育，一切學(xué)習(xí)本質(zhì)上都是自學(xué)?！爆F(xiàn)實(shí)的教育多如魏婧等在《在線教學(xué)模式在數(shù)字信號(hào)處理課程中的應(yīng)用與思考》中談到的，一般的課堂模式都是“回顧上次課內(nèi)容——檢查預(yù)習(xí)情況——學(xué)習(xí)新課內(nèi)容——發(fā)布作業(yè)”。這種課堂模式下，不能充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。為了更加有效地培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，并進(jìn)一步提升課堂效率，采取了以下舉措：預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)設(shè)置有計(jì)入總成績(jī)的測(cè)驗(yàn)，課上著重于解決多數(shù)學(xué)生自學(xué)過程中遇到的難點(diǎn)；課上部分知識(shí)點(diǎn)的講解由教師輔助學(xué)生完成。

2）案例教學(xué)——發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力的培養(yǎng)。通過以小組形式完成討論作業(yè)，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。下面以“利用DFT（FFT）分析信號(hào)的頻譜”中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)為例簡(jiǎn)要說明。利用MATLAB繪制模擬信號(hào)x（t） = cos（400πt） + cos（410πt）的頻譜。選擇了采樣頻率為fs = 1 000，N = 128，得到結(jié)果如圖1所示。

可見，不能顯示出兩個(gè)譜峰。依據(jù)原理分析，頻譜分辨率不夠，此時(shí)頻譜分辨率為1 000/128=7.812 5，需要增加N的點(diǎn)數(shù)。于是，選擇補(bǔ)零將128點(diǎn)樣本增加至256點(diǎn)。結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，此時(shí)頻譜分辨率為1 000 / 256 = 3.906 25，但依然不能顯示出兩個(gè)譜峰。現(xiàn)將截取的信號(hào)長(zhǎng)度改為256點(diǎn)，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，可以顯示出兩個(gè)譜峰。觀測(cè)到的頻率不準(zhǔn)確。

增加截取的長(zhǎng)度為512點(diǎn)，此時(shí)頻譜分辨率為1 000 / 512 = 1.953 125，結(jié)果如圖4所示，由圖可見，兩個(gè)譜峰的觀測(cè)值比較準(zhǔn)確。

進(jìn)一步增加截取的長(zhǎng)度為1 024點(diǎn)，此時(shí)頻譜分辨率為1 000 / 1 024 = 0.976 5，結(jié)果如圖5所示。由圖可見，兩個(gè)譜峰的觀測(cè)值更加準(zhǔn)確。

綜合上面的實(shí)驗(yàn)，可得出結(jié)論：多個(gè)頻率成分的信號(hào)，只有頻譜分辨率小于頻率成分的最小差值，才能顯示多個(gè)譜峰；相同的采樣率，截取的信號(hào)點(diǎn)數(shù)較大時(shí)，頻率估值誤差較小，如表3所示。

3）項(xiàng)目實(shí)操——應(yīng)用課程理論知識(shí)解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)。通過小組合作完成項(xiàng)目任務(wù)，訓(xùn)練學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際問題中。設(shè)計(jì)題目如表4所示。

4）興趣小組科研探索——關(guān)注技術(shù)前沿、閱讀科技文獻(xiàn)、研究能力的培養(yǎng)。不少本科生表示他們對(duì)專業(yè)課程學(xué)習(xí)缺乏方向感，且以考試考高分為課程學(xué)習(xí)的最終目的。所以考試之前，學(xué)生熱衷于考前刷題，而不是注重平時(shí)的課堂學(xué)習(xí)。但通過刷題完成的課程不會(huì)在學(xué)生心中留下太多的知識(shí)烙印。數(shù)字信號(hào)處理課程不僅要求學(xué)生掌握基本分析理論與設(shè)計(jì)方法，還要求具有解決實(shí)際問題的思想和算法仿真能力，并為后續(xù)從事電子信息方面的科研工作打下基礎(chǔ)。其實(shí)，對(duì)于本科生而言，教學(xué)與科研并非是截然不同的兩個(gè)范疇：教學(xué)傳播知識(shí)，而科研運(yùn)用科學(xué)的理論和方法研究和解決實(shí)際生活中的問題，并試圖發(fā)現(xiàn)和總結(jié)新的知識(shí)。因此，專業(yè)課學(xué)習(xí)是進(jìn)行科學(xué)研究的基礎(chǔ)，應(yīng)該把科研作為課程學(xué)習(xí)的目標(biāo)之一，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)具有方向感。

通過小組合作完成項(xiàng)目任務(wù)，訓(xùn)練學(xué)生查閱科技文獻(xiàn)、歸納總結(jié)的能力，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)前沿，并鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)目前存在的難題提出解決方案的設(shè)想和建議。

特別地，我們會(huì)動(dòng)員學(xué)有余力且對(duì)信號(hào)處理方向感興趣的同學(xué)，成立興趣小組，學(xué)習(xí)后續(xù)課程“語音信號(hào)處理”“數(shù)字圖像處理”的基礎(chǔ)知識(shí)，引導(dǎo)組織他們閱讀相關(guān)科技文獻(xiàn)，了解該方向的科研現(xiàn)狀。

1.3? 提高素質(zhì)目標(biāo)達(dá)成的舉措

通過課程思政，將思政教育碎片化地融入課堂教學(xué)中，既完成知識(shí)傳播，又潛移默化地引導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生的世界觀、人生觀和價(jià)值觀，開闊視野，豐富他們的精神世界[3-9]，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力，如表5所示。

2? 課程目標(biāo)達(dá)成情況評(píng)價(jià)

逐步建立形成性課程評(píng)價(jià)體系，課程的評(píng)價(jià)采用客觀評(píng)價(jià)和主觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式[10]。

2.1? 課程目標(biāo)達(dá)成客觀評(píng)價(jià)

表6是課程目標(biāo)達(dá)成情況對(duì)比。可見課程目標(biāo)1、2達(dá)成情況明顯提高，課程目標(biāo)3、4從數(shù)字上看稍有下降，是因?yàn)樵u(píng)價(jià)指標(biāo)有變化。2019級(jí)是部分線上教學(xué)只用實(shí)驗(yàn)部分作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，2020級(jí)增加了課程設(shè)計(jì)大作業(yè)部分，提高了對(duì)較復(fù)雜問題的分析、解決能力的考核。

課程成績(jī)采用期末考試及過程性成績(jī)相結(jié)合的方式，期末考試、階段測(cè)試和實(shí)驗(yàn)主要考查了知識(shí)目標(biāo)的達(dá)成情況，專題討論和實(shí)踐成績(jī)主要考查能力目標(biāo)的達(dá)成情況，具體構(gòu)成如圖6所示。

下面是2019級(jí)和2020級(jí)的數(shù)字信號(hào)處理結(jié)課成績(jī)分布對(duì)比，由圖7可見，優(yōu)和良的比例明顯提高，不及格率降低。

2.2? 課程目標(biāo)達(dá)成學(xué)生主觀評(píng)價(jià)

下面是2020級(jí)學(xué)生結(jié)課問卷調(diào)查結(jié)果。從表7至表9的問卷結(jié)果可以看出，只有1/65的同學(xué)認(rèn)為自己沒有掌握數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及MATLAB實(shí)現(xiàn)，學(xué)生主觀認(rèn)為課程目標(biāo)達(dá)成。

3? 結(jié)? 論

從課程視角探索工程教育認(rèn)證背景下的人才培養(yǎng)目標(biāo)，專業(yè)課的課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課程考核、評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，進(jìn)行教學(xué)改革和實(shí)踐，更加注重學(xué)生能力、素養(yǎng)的培養(yǎng)和提升。課程是為培養(yǎng)目標(biāo)服務(wù)的，只有不斷針對(duì)培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成情況，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、方法和模式，才能適應(yīng)人才培養(yǎng)的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓基泰.“數(shù)字信號(hào)處理”課程的學(xué)習(xí)模式優(yōu)化研究 [J].科教導(dǎo)刊，2022（33）：103-105.

[2] 劉洪，林潔馨，梁建娟，等.“數(shù)字信號(hào)處理”課程中的案例式教學(xué)法研究 [J].教育教學(xué)論壇，2022（3）：133-136.

[3] 廖可非.基于OBE理念的數(shù)字信號(hào)處理課程思政實(shí)踐 [J].佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2022，38（11）：115-117.

[4] 江漢，徐以濤，吳丹，等.“數(shù)字信號(hào)處理”課程思政元素庫建設(shè)方法研究 [J].教育教學(xué)論壇，2022（31）：89-92.

[5] 郭德俠，曹萍萍，崔艷.工科本科生課程思政元素挖掘及教學(xué)實(shí)踐——基于工程教育認(rèn)證的視角 [J].北京教育（高教），2023（7）：72-75.

[6] 孟佳娜，薛明亮，李威.工程教育認(rèn)證下專業(yè)課教學(xué)中課程思政的實(shí)施 [J].高教學(xué)刊，2023，9（18）：177-180.

[7] 張林，王艷芬，蘆楠楠.“數(shù)字信號(hào)處理”課程思政探索與實(shí)踐 [J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2022，44（1）：65-68.

[8] 單潔，盧光躍，黃瓊丹.“金課”背景下理工類課程思政內(nèi)生式建設(shè)的研究——以數(shù)字信號(hào)處理課程為例 [J].高教學(xué)刊，2022，8（20）：23-29.

[9] 吳艷云，吳霆.“數(shù)字信號(hào)處理”課程思政的教學(xué)改革與實(shí)踐 [J].廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，22（3）：64-67.

[10] 陸毅，裴明旭，朱幼蓮，等.基于工程教育認(rèn)證的“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)評(píng)價(jià)與分析 [J].江蘇理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，26（6）：104-111.

作者簡(jiǎn)介：吳燕（1978—），女，漢族，河北保定人，講師，碩士，研究方向：信號(hào)處理。