“数字信号处理”课程线上教学模式的研究与实践

沈荻帆 任佳 崔亚妮

[摘 要] 新工科教育的产出导向已经成为高等教育改革的趋势。在突如其来的新冠肺炎疫情下，如何利用网络资源，采用线上多平台辅助混合教学模式，提高专业课程产出效果，实现课程目标，最终培养符合社会需求的高水平专业人才是高校教师亟待研究和解决的问题。“数字信号处理”课程作为电子信息类专业的一门重要专业理论课程，其抽象较难理解的特征使得课程教学难度较大。以“数字信号处理”课程为例，结合新工科教育要求，对线上多平台辅助混合教学模式进行研究与实践，取得了很好的教学效果。

[关键词] 新工科教育;产出导向;数字信号处理

[基金项目] 2018年度海南省高等学校教育教学改革研究项目“产学研用合作人才培养模式的研究与实践——以海南大学为例”（Hnjg2018ZD-6）;2018年度海南大学教育教学改革研究项目“产学研用合作人才培养模式的研究与实践——以海南大学为例”（hdjy1822）;2020年度海南大学教育教学改革研究项目“多维化微项目在电子信息类专业课程教学中的应用——以‘C++程序设计课程为例”（hdjy2051）

[作者简介] 沈荻帆（1975—），女，江苏张家港人，硕士，海南大学信息与通信工程学院讲师，主要从事教学改革与图像处理研究;任 佳（1981—），男，新疆哈密人，博士，海南大学信息与通信工程学院教授，院长，主要从事人工智能研究;崔亚妮（1990—），女，河南焦作人，博士，海南大学信息与通信工程学院讲师，主要从事多智能协同控制研究。

[中图分类号] G648.4   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）38-0062-05    [收稿日期] 2021-02-20

一、研究背景

“数字信号处理”课程是工科电子信息类专业一门重要的专业理论课程[1]，一般院校均在学生先修高等数学、复变函数和信号与系统之后开设。这门课程的特点是理论性强，要求的知识储备起点较高，涉及的知识面比较广。海南大学作为地方一本院校，其信息与通信技术学院下的电子信息专业和通信工程专业均在第五学期开设本课程。从目前的教学反馈来看，学生普遍觉得理论推导和数学公式过多，内容烦琐，且过于抽象，很难将理论联系具体实际进行理解，因此很多情况下只能对其知识点死记硬背，结果导致学习效果不佳。我国于2016年成为国际工程教育学位互认协议《华盛顿协议》正式成员国，并于2017年启动新工科建设[2]。新工科建设坚持问题导向，要求依据产业需求设置专业，根据技术发展优化教学内容，从学校主体推动改革，落实“以学生为中心”的课程教学理念，创新工程教育的方式与手段，从而改进学习效果。因此，在新工科教育指导下，对“数字信号处理”课程进行教学模式研究和实践，是进一步提高课程学习成效、提高专业课教学质量，进而“由点到面”提升专业整体质量的迫切需求。

二、教学模式研究的理论基础

美国著名课程理论家拉尔夫·维尼弗雷德·泰勒提出的课程原理和教学原理的理论体系主要围绕以下四个方面展开：（1）教学目标;（2）为达到教学目标所需的教育经验;（3）组织教育经验;（4）评价结果[3]。确定教学目标时，要考虑课程后续实施中的四大要素——学习者、教育者、教育环境和学科特性，以保证目标之间、目标与产业需求之间、目标与学校宗旨之间的高度一致，以及与学生内部学习条件和外部教育环境相一致。选择学习经验时，不仅要看这类经验是否可能达到教学目标，还要考虑学生与外部环境的相互作用，即选择经验时要考虑能否引发学生内部学习动力和期望。在接下来的组织经验中，则要遵照连续性、顺序性和整合性，以保证课程四大要素之间的横向、纵向和层次性的联系与整合。评价则是确定课程与教学计划实现教育目标程度的问题，其本身不是目的，而是通过测验或者其他方式来确定是否达到教学目标。

三、“数字信号处理”课程的教学模式探索与实践

单个独立课程的教学是为最终培养目标服务的。传统的教学模式中，更强调知识结构的系统性，因此课程的教学目标多定位于知识的“教”与“授”，而对整个培养体系的贡献考虑不多，这就导致课程定位不清，不能解决“为什么学”和“学完能解决什么”等问题，最终引起课程教学重点失当、教学与培养目标脱节。同时，在长期的教学过程中，传统模式均以教育者为主体，缺乏学习者的参与，特别是对“数字信号处理”这样理论性强的课程，传统教学模式很难达到既定教学目标。另外，传统教学模式更强调教学规范，但对课程的考核和总结改进要求不明确，因此不能形成闭环控制，导致结果不可控。

（一）教学目标

确定课程教学目标时，首先要确定毕业生应该具备的能力。对照2020年版工程教育认证标准中的12条毕业要求，电子工程专业对此进行具体化，一方面使其更为专业，符合本行业的发展需求;另一方面，明确对应学生的培养任务，并将具体任务细化到课程教学中去，构建符合电子工程专业的课程体系[4]。课程体系中的每个独立课程对毕业要求形成支撑，作为电子专业核心专业理论课程的“数字信号处理”，其与毕业要求相关的支撑内容如表1所示。在此基础上，具体化“数字信号处理”的学习目标要求，以此作为开课前教师和学生的约定与课程考评标准。该学习目标要求必须明确覆盖表1中的支撑内容，如表2所示。

（二）教学经验选择与组织

1.课程内容组织和准备，明确教学任务。根据课程学习目标，安排课程内容，分清重点、难点，指出课程内容和学习目标要求之间的关系，使得教学活动目的明确，学生和教师都清楚自己的任务。在教学实践中，根据课程目标选定清华大学出版社出版、程佩青编著的《数字信号处理教程》（MATLAB版）教材。表3给出了根据教材“数字信号处理”第二章教学内容组织的框架示例。

2.课程实施过程的时间分配和安排，合理调配学习节奏。课程教学实施前，先要根据经验安排对应章节的大概学时，这个过程非常重要，决定了教师在教学过程中是不是能从容不迫地面对每个教学环节。以海南大学信息学院2019—2020学年度第二学期开设的对应2017级理科实验班的“数字信号处理”课程为例，课程编号为B16191，总学时为48学时，其中42学时为课堂教学，另有6学时为课内实验。在全面研究教材内容，结合以往教学经验后可以判断，在有限的课堂教学时间内要达成课程学习目标非常紧张。在结合新工科教育理念的基础上，如何合理分配时间，安排教学重点和次重点，也是“数字信号处理”这门课程教学效果真正落到實处的必要环节。对教学大纲和对应教材进行仔细研究，结合课程对应章节的学习目标，分析教学对象的实际接受程度。在实施教学前，要对本课程实施过程的时间安排做好大致规划。部分课程教学内容和时间安排大致规划如表4所示。在实践教学过程中，进度和内容基本与规划一致，验证了课时安排的合理性。