数字信号处理教学改革探索

一、存在的问题

笔者近年承担“控制理论与控制工程”学科硕士研究生的《现代数字信号处理》课程的教学工作，在教学实践过程中，发现相对于传统工科院校，林业类院校工科专业讲授《现代数字信号处理》课程存在如下问题：1.基础知识要求较高，除了要有经典数字信号处理的基础外，并学习过信号与系统、自动控制理论，还要求学生掌握线性代数、矩阵理论、概率理论、数理统计、复变函数等多门工程数学[3]。但实际情况林业类院校工科每年入学的研究生来源广泛，本校生源所占比重偏低，外校生源本科专业差异较大，数学基础薄弱，大部分没有系统性地学习过本门课程所要求的先修课程，导致学生对授课内容理解参差不齐，影响授课效果。这些问题在很多高校相关学科都存在[4]，而对于笔者所在的林业大学该问题体现得更为严重。2.课程内容抽象，数学公式繁多，推导步骤复杂，很多内容缺少直观描述，最多也就是给个流程图[5]。3.工程实践性强，课程内容的发展均是基于实际工程应用的需求，具有很强的工程实践背景。但大部分的教材中，对工程实际的描述又较少，所举的例子均为通用信号，不具备有明确的工程实践背景，从而导致学生在学习过后理论与实际脱节，总感觉课程学习完之后完全应用不到他们研究生课题中[6]。对于笔者所在的林业大学，这个问题更显突出。上述情况提高了学习难度，降低了学习兴趣，同时也向教学工作提出了更高的要求。

二、采取的措施

针对以上问题，笔者对近两年所承担的北京林业大学控制理论与控制工程学科的《现代数字信号处理》课程进行了教学改革。1.整合教学团队。现代数字信号处理课程是一门理论与实践并重的课程，而且一直处于发展过程。单个教师在研究过程中所涉及的领域相对较为集中，无法全面覆盖现代数字信号处理所有内容，故在讲解自己不常用的内容时会显得较为生硬。而考虑以教学团队的形式，不同教师针对自己科研中所涉及的内容分别讲述不同章节知识，从而克服单个老师独立完成授课的不足，一方面提升了学生的学习兴趣，另一方面也加强了课程中理论与实践的结合。2.设计教学框架。经典的数字信号处理经过多年的发展，已经具备了较为完善的课程结构，课程内容的变化不大，而现代数字信号处理仍处于一个发展的过程，各学校、各学科以及各种教材所涉及的课程体系具有多样化的特点，且差异较大。在学时有限的情况不可能涉及所有内容，因此在参考了其他学科教学内容的基础上，结合我学科实际情况对教学内容进行整合。3.加强基础知识。整合教学内容，设计出整体教学框架后，教学团队考虑到我校双控学科的实际情况，尤其是多数外校生源研究生基础薄弱，甚至没有学习过前置课程，认识有必须突出基础知识的教学，在第一章中增加了FFT、频谱分析、频率响应滤波器等本科阶段的内容，并列出多本参数书目，以加强学生的基础。4.结合行业特点。北京林业大学是一所典型的行业院校，教师的科研基本上围绕着行业发展，具有很强的行业实践背景。因此在教学案例的选择上，教学团队精选了鸟鸣声信号及其处理、植物生理水分信号及其处理、木材无损检测信号及其处理、活立木雷达信号及其处理等几个典型的林业科研案例，一方面增加了学生对信号处理的感性认识，另一方面提升了学生对实际问题的理解与处理能力。5.改进教学手段。参考当前先进的翻转课堂概念，对部分章节课程依据翻转课堂模式进行设计[7-9]。开课前两周即为学生提供相关参考资料和案例数据，并以微信群的方式建立网上交流平台，由3—5个自由组合的学生组成一个学习小组，要求其完成案例分析PPT。课堂上针对该案例为特定主题，由学生进行讨论，教师观察学生的讨论并对重点与难点进行集体讲解。通过该方式提升学生学习的主动性。6.改革考核方式。传统的考试方式更注重的是学生对于知识的记忆，上机操作考试虽然也体现了一些动手实践能力的考核，但离研究生培养的学习自主性与科研创新性还有一定差距。而撰写报告或是实验设计类的考核方式由于缺乏有效的监督措施，又导致抄袭、程序拷贝等问题的出现，极大地影响了考核的初衷与公平性。借助于现代数字信号处理这门实践性非常强的课程，教学团队提出了全新的开放式考核方式。考核以机考方式进行，考核结果以电子文件形式提交，在规定的时间与地点，允许学生通过网络查阅任意公开资料，但不允许学生之间相互交流。要求在考核过程中学生全程进行屏幕录像并上交，以避免学生通过网络进行交流，保证了考核结果的公平性。

三、总结及展望

提高教学质量是高校教学改革研究不变的主题。针对林业类院校工科研究生特有情况，我们对《现代数字信号处理》课程的授课过程进行了系统的改革研究，从组建教学团队、设计教学框架着手，结合教学手段与考核方式的改进，以达到全面提升教学质量的目的。从改革实施效果上看，提高了学生的学习兴趣，加强了学生对知识的掌握程度，但同时也加大了教师与学生在时间与精力上的投入，尤其是对于部分基础薄弱的同学，增加了很大的负担，在一定程度也影响了教学效果。翻转课堂的教学理念与开放式的考核模式，为学生提供了更多的自主学习机会，同时也对教师的教学能力提出了更高的要求，应该是以后同类课程教学改革的新方向与新趋势。在这种创新性的教学改革中，师资队伍的培养是改革成败的关键之一。我们也期待本项目的教学改革在发展成熟后可以被更多的课程改革所借鉴。

参考文献：

[1]李梅,刘俊华.“现代数字信号处理”课程的教学改革与实践[J].中国地质教育,2010,75(3):85-87.

[2]高远,袁海英,吴艳.现代数字信号处理课程的教学改革与实践[J].教育教学论坛,2012,16(6):93-94.

[3]欧先锋,李宏民,罗百通,彭鑫,郭龙源.现代数字信号处理课程建设与改革探索[J].成都工业学院学报,2017,20(1):85-87.

[4]王秋生,袁海文,崔勇.《现代数字信号处理》的教学研究与实践[J].北京航空航天大学学报:社会科学版,2009,22(4),77-80.

[5]莫建文,欧阳宁.现代数字信号处理课程教学改革探索[J].大众科技,2017,19(1):85-86,92.

[6]刘刚,文光磊,张国伟.现代数字信号处理课程改革及实践——图像增强技术在变电站的应用[J].内蒙古师范大学学报:教育科学版,2015,28(1):152-154.

[7]徐姗姗.翻转课堂教学设计的内容与案例分析[D].东北师范大学,2015.

[8]赵毅,崔良乐.翻转课堂与研究生教学改革研究[J].教育教学论坛,2016,(7):132-133.

[9]谢晓霞,罗鹏飞,张文明.翻转课堂在研究生核心课程中的实证研究[J].高等教育研究学报,2016,39(2):38-42,54.

作者:林剑辉 单位:北京林业大学