以培养应用创新能力为目标的研究生课程教学改革探索
——军队工科院校研究生数字信号处理课程改革实践

◆胡永江 马晓琳 王永川 吕登龙

以培养应用创新能力为目标的研究生课程教学改革探索
——军队工科院校研究生数字信号处理课程改革实践

◆胡永江 马晓琳 王永川 吕登龙

以培养研究生应用创新能力为目标，结合数字信号处理课程在教学实施中存在的难题，建立基础理论、实验研究和专题拓展三个相辅相成的突出能力培养的教学体系，通过近三年的教学实践和考核评估发现，课程改革达到预期目的，学生不仅很好地掌握了基础理论，满足了课题研究需求，还在自主学习、工程实践、科研创新、论文写作以及团队协作等应用创新能力方面有了很大提高，为研究生课程体系教学改革提供了具体思路。

军校工科研究生；应用创新能力；素质教育；教学改革；数字信号处理

1 课程改革背景

突出理工科学生的创新素质培育，加大工程科技创新人才培养，是我国创新型国家建设的必然要求，也是高校落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》的必然选择和历史责任[1]。为此，军械工程学院（以下简称学院）在《关于进一步深化教学改革的意见》中进一步明确了研究生培养目标、课程建设、教学创新以及课程考核等改革要求。然而研究生的应用创新能力究竟应该具备哪些能力素质？这些能力素质要求如何具体落实到具体课程中去培养？如何采用合理有效的教学模式有序地推进落实？本文在分析研究生应用创新能力基本内涵的基础上，以军队工科院校研究生核心学位课程——数字信号处理为例，针对该课程在实施中存在的问题，对课程内容、教学模式及考核方式进行系统改革，通过近三年的实践探索，逐渐形成一个突出创新能力培养的特色教学模式，希望能对以应用创新能力培养为目标的研究生课程体系的教学改革起到抛砖引玉的作用。

2 应用创新能力的基本内涵

创新能力是运用知识和理论，在科学、艺术、技术和各种实践活动领域中不断提供具有经济价值、社会价值、生态价值的新思想、新理论、新方法和新发明的能力[1]。军队工科院校研究生的应用创新主要是指在技术和各种实践中的新方法和新发明，所应具备的知识结构包括基础知识、专业知识、工具知识或方法论知识以及综合知识四类，通常该类应用创新人才应具备以下几个能力要素。

具有扎实的理论基础 理论知识是应用创新的奠基石。具备扎实的专业理论，了解相邻学科及横向学科知识。理论基础应包含基础理论知识和学科前沿知识两大部分，没有理论基础，创新如同空中楼阁，无从谈起。

具有超前的创新思维 创新思维是应用创新的驱动力。具备敏锐的观察能力、深刻的洞察能力、见微知著的直觉能力和一触即发的灵感和顿悟，在进行理论研究和实践探索时，不断训练思维方式的前瞻性、独创性和灵活性，才能保证对一个或多个事物进行分析、综合和判断时的独辟蹊径。

具有优秀的实践技能 实践技能是应用创新的试金石。具备优秀的实践技能，敢于将新的理论和新的技术相结合，形成独特的、卓越的实践应用典范。没有优秀的实践技能，犹如临渊羡鱼，在应用上解决不了实际问题。

具有卓越的表达能力 表达能力是应用创新的打磨机。具备卓越的总结凝练、语言沟通和科技写作等表达能力，将应用实践凝练打磨创新成果，以高质量论文、高水平专利或高层次科技成果来支持应用创新。

具有良好的合作意识 合作意识是应用创新的捷径。具备团队精神、协作能力等合作意识是高技术、多学科应用创新的捷径。

3 课程实施中存在的问题

数字信号处理课程是军队工科院校电子类、控制类及信息类等专业研究生的一门不可或缺的学位课，与最优控制、故障诊断、模式识别等多门学科紧密相连，在培养研究生学科专业理论、实践应用技能、基础学习能力以及创新思维方式等方面具有重要的作用[3-4]。然而，在多年的教学实践中发现以下问题。

作者：胡永江、马晓琳、王永川，军械工程学院无人机工程系；吕登龙，军械工程学院训练部研究生处（050003）。

课程难度大，使得理论基础不易形成 该课程一是数学基础要求高，需要掌握多门工程数学知识；二是课程内容比较抽象，需要使用数学语言对工程实践中的数据采集、分析与处理等问题进行描述，缺少直观性。课程起点高、难度大影响了学生的理论基础形成，直接影响了学生的应用创新能力培养。

专业实践强，使得实践技能难以掌握 课程内容来源于工程实践并用数学语言描述，而分析结果又应用于工程实践，实践环节多，工具运用复杂，对诸如MATLAB软件、DSP处理软件等相关仿真实践基础知识要求高，由于部分军校工科研究生缺乏相关仿真实践知识，导致课程实践非常被动，很难有效掌握实践技能。

基础差距大，使得教学内容难以选择 学院每年招收的硕士研究生的知识背景、知识结构、理论基础、理解能力、实践能力等差别很大。根据统计显示，在学院2011—2013年选修数字信号处理课程的研究生中，有近42%的研究生没有学过信号与系统或自动控制原理，有近36%的研究生缺乏如积分变换和复变函数等重要的数学基础知识。如何选择设计科学合理的教学内容，既能及时补足学生薄弱基础，还要在应用创新能力素质培养上有所拓展，是十分棘手的难题。

研究需求多，使得前沿知识难以均衡 由于学院研究生课题主要是针对具体武器装备展开科学研究，武器装备技术差异大，除了对数字信号处理基础理论相同外，还要针对这些具体信号处理算法在理论和实践上进行拓展，以满足不同专业研究生的课题需求。如何均衡合理选择，拓展理论教学和实践内容，直接关系到教学内容的完整性、系统性和实用性，也直接影响到学生创新思维拓展。

4 课程教学内容设计与实施

以培养研究生应用创新能力为目标，针对学院研究生数字信号处理课程在教学实施中存在的问题，结合课程具体特点和学生基础素质情况，将课程教学内容设计整合并进行实践，形成基础理论、实验研究和专题拓展三个相辅相成的教学体系。

基础理论体系设计与教学实施 按照“精基础”和“重前沿”原则，形成一条“数字信号如何获取、如何分析和如何处理”的理论知识链。

1）在精基础上，精挑选精讲解。首先是扩展部分信号与系统知识，解决学生专业知识薄弱的难题，保证学生能够正常入门；然后讲述如何获取数字信号（即抽样定理）及存在问题（即量化误差分析）；再讲述如何认知数字信号或系统的特性（即频域分析与变换理论）；然后讲述如何处理含噪或受扰数字信号（即滤波器理论与设计）；最后讲述如何根据要求设计一个数字系统（即信号估计与建模）。以问题驱动为牵引，形成一条数字信号如何获取、如何分析与处理及系统综合设计实现的精简理论知识链。

2）在重前沿上，重引入重比较。依据精简理论体系，引入学科专业前沿知识，采用对比法进行讲解学习。如针对乃奎斯特抽样定理的低频采样限制，可引入针对高频采样的带通抽样定理；针对傅立叶变换谱分析所带来的缺陷，对比插入短时傅里叶分析、时频分析和小波分析等理论。

实验研究体系设计与教学实施 按照“厚基础”和“强综合”的原则，基于MATLAB软件和DSP开发工具箱，形成“数字信号如何采集获取、如何进行谱分析、如何变换以及如何滤除杂波”的一条与基础理论相呼应的实验体系。

1）在厚基础上，与基础理论体系相对应，形成数字信号采集与抽样、傅立叶变换与谱分析、滤波器设计与实现和功率谱估计与信号建模等四个基础实验专题，重点解决仿真软件具体运用和基础理论与实践相结合的难题，使学生初步掌握实践基础技能。

2）在强综合上，依据四个基础实验专题，在控制领域、通信领域、雷达领域、机械领域以及测试领域设置五类综合实验项目，重点解决理论综合实践运用中出现的难题，确实提高学生在理论、实践和技能三个方面的融合运用能力，提升学生实践技能，激发学生从运用到创新的激情。

在教学实施过程中，由2～3名学生按五类综合方向分成若干个研究小组，分工协作，通过编写仿真代码、演示仿真结果、撰写实验报告和展开讨论交流等方式，切实提高学生的工程实践能力、论文写作能力和表达沟通能力。

专题拓展体系设计与实施 因每个学生研究方向各不相同，因课时限制，不可能在每个方向上深入地讲、透彻地教。根据学生的研究方向，设立控制信号处理、通信信号处理、雷达信号处理、机械振动信号处理、测试信号处理、图像信号处理和语音信号处理等七个拓展专题。

在教学实施过程中，学生组成2～3人兴趣研究小组，采用分组自主学习、撰写研究报告和课堂讨论交流相结合的方式，保证每个拓展专题对每个学生都学可致用，提高学生跟踪专业发展方向能力。

5 课程考核与效果评估

课程考核方式 合理的课程考核评估不仅是对学生学习动力的指向，也是教与学之间的有效沟通。为了评估课程改革后的教学效果，课程建立了理论考试、实验汇报和专题交流相结合的突出能力的考核评估模式。

1）理论考试重点考查学生的基础理论知识掌握情况，120分钟闭卷模式，成绩占40%。

2）实验汇报重点考查学生写作表达能力、实践技能以及团队合作等情况，依据综合实验研究专题，撰写实验设计、实现方法、实验结果以及结果与理论对应关系分析的实验报告，采用主题报告、现场演示和回答质疑相结合的方式，由2～3名教员组成考评组，每个小组30分钟，成绩占40%。

3）专题交流重点考查学生前沿知识掌握和创新思维拓

展情况，通过在课堂专题报告、讨论交流和回答质疑相结合的方式，由教员和专题负责组长组成考评组，每个小组30分钟，成绩占20%。

图1 2011—2013年选修数字信号处理课程的考核成绩统计图

总体成绩情况 学院2011—2013年选修数字信号处理课程的考核成绩统计如图1所示。其中，成绩A表示在85分以上，成绩B表示在75～85分之间，成绩C表示在60～75分之间。

如图1所示，通过近三年教学实践和考核评估：

1）在课程内容整合初期（2011年度），基础理论得分较高，但在实验汇报和专题交流两个方面不够理想，主要是交流讨论少，汇报表达能力没有得到有效锻炼；

2）在教学内容整合中期（2012年度），采用精讲并增加课堂提问和交流讨论环节，虽然基础理论掌握情况有小幅度回落，但学生的实验汇报环节成绩有了大幅度的提高，工程实践应用能力和汇报表达能力有了明显进步，但在拓展专题上仍然不够理想；

3）在教学内容整合后期（2013年度），在坚持精讲和加强实验专题的基础上，将前两届作业成果精编整理写成实验指导手册，并将各个专题的经典资料整理分类，提供给学生学习研究，通过课程考核可以看出，学生在理论考试、实验汇报和专题交流都有很大幅度提高，尤其是在理论联系实践、实验仿真分析、汇报表达交流、论文撰写等方面的能力有很大的提高，同时也初步学会了课题开展和团队协作等实践知识。

根据近三年学生反馈意见来看，他们对课程内容体系设置和教学模式较为满意，基础较好的学生表示在迅速掌握基础理论的同时，可以花更多精力在实验研究和专题拓展上，提升应用创新能力；基础较薄弱的学生表示通过团队协作，使自己在薄弱环节可以得到帮助，很容易进入正轨。但也有部分学生表示理论前沿和拓展专题较难，不容易吃透。

6 结束语

以培养研究生应用创新能力为目标，通过对数字信号处理课程的教学模式进行改革探索，除了使学生掌握了数字信号处理的基础理论知识，还锻炼了学生的自主学习、工程实践、科研创新、论文写作以及团队协作等应用创新能力，达到课程教学改革的主要目的。在后续教学改革中，可针对理论前沿和拓展专题较难的问题，采用MOOC方式，化繁为简、化难为易、化大为小，真正地让学生“有兴趣学得容易，有问题搞得清楚，有想法能够实现”，切实提高学生的应用创新能力。

[1]唐百锋,鲁宽民.环体因素对理工科大学生创新素质培育力影响分析[J].中国电力教育,2011(13):38-40.

[2]李加勇,白永生,叶和明,等.新形势下提高军校研究生创新能力的策略分析[J].中国电力教育,2012(14):61-63.

[3]胡学友,王颖,胡云龙.“数字信号处理”教学改革与实践[J].高教论坛,2007,6(3):67-69.

[4]蓝会立,廖凤依,文家燕.“数字信号处理”课程教学改革与实践[J].中国电力教育,2012(3):86-87.

G643.2

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