以培養應用創新能力為目標的研究生課程教學改革探索
——軍隊工科院校研究生數字信號處理課程改革實踐

◆胡永江 馬曉琳 王永川 呂登龍

以培養應用創新能力為目標的研究生課程教學改革探索
——軍隊工科院校研究生數字信號處理課程改革實踐

◆胡永江 馬曉琳 王永川 呂登龍

以培養研究生應用創新能力為目標，結合數字信號處理課程在教學實施中存在的難題，建立基礎理論、實驗研究和專題拓展三個相輔相成的突出能力培養的教學體系，通過近三年的教學實踐和考核評估發現，課程改革達到預期目的，學生不僅很好地掌握了基礎理論，滿足了課題研究需求，還在自主學習、工程實踐、科研創新、論文寫作以及團隊協作等應用創新能力方面有了很大提高，為研究生課程體系教學改革提供了具體思路。

軍校工科研究生；應用創新能力；素質教育；教學改革；數字信號處理

1 課程改革背景

突出理工科學生的創新素質培育，加大工程科技創新人才培養，是我國創新型國家建設的必然要求，也是高校落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》的必然選擇和歷史責任[1]。為此，軍械工程學院（以下簡稱學院）在《關于進一步深化教學改革的意見》中進一步明確了研究生培養目標、課程建設、教學創新以及課程考核等改革要求。然而研究生的應用創新能力究竟應該具備哪些能力素質？這些能力素質要求如何具體落實到具體課程中去培養？如何采用合理有效的教學模式有序地推進落實？本文在分析研究生應用創新能力基本內涵的基礎上，以軍隊工科院校研究生核心學位課程——數字信號處理為例，針對該課程在實施中存在的問題，對課程內容、教學模式及考核方式進行系統改革，通過近三年的實踐探索，逐漸形成一個突出創新能力培養的特色教學模式，希望能對以應用創新能力培養為目標的研究生課程體系的教學改革起到拋磚引玉的作用。

2 應用創新能力的基本內涵

創新能力是運用知識和理論，在科學、藝術、技術和各種實踐活動領域中不斷提供具有經濟價值、社會價值、生態價值的新思想、新理論、新方法和新發明的能力[1]。軍隊工科院校研究生的應用創新主要是指在技術和各種實踐中的新方法和新發明，所應具備的知識結構包括基礎知識、專業知識、工具知識或方法論知識以及綜合知識四類，通常該類應用創新人才應具備以下幾個能力要素。

具有扎實的理論基礎 理論知識是應用創新的奠基石。具備扎實的專業理論，了解相鄰學科及橫向學科知識。理論基礎應包含基礎理論知識和學科前沿知識兩大部分，沒有理論基礎，創新如同空中樓閣，無從談起。

具有超前的創新思維 創新思維是應用創新的驅動力。具備敏銳的觀察能力、深刻的洞察能力、見微知著的直覺能力和一觸即發的靈感和頓悟，在進行理論研究和實踐探索時，不斷訓練思維方式的前瞻性、獨創性和靈活性，才能保證對一個或多個事物進行分析、綜合和判斷時的獨辟蹊徑。

具有優秀的實踐技能 實踐技能是應用創新的試金石。具備優秀的實踐技能，敢于將新的理論和新的技術相結合，形成獨特的、卓越的實踐應用典范。沒有優秀的實踐技能，猶如臨淵羨魚，在應用上解決不了實際問題。

具有卓越的表達能力 表達能力是應用創新的打磨機。具備卓越的總結凝練、語言溝通和科技寫作等表達能力，將應用實踐凝練打磨創新成果，以高質量論文、高水平專利或高層次科技成果來支持應用創新。

具有良好的合作意識 合作意識是應用創新的捷徑。具備團隊精神、協作能力等合作意識是高技術、多學科應用創新的捷徑。

3 課程實施中存在的問題

數字信號處理課程是軍隊工科院校電子類、控制類及信息類等專業研究生的一門不可或缺的學位課，與最優控制、故障診斷、模式識別等多門學科緊密相連，在培養研究生學科專業理論、實踐應用技能、基礎學習能力以及創新思維方式等方面具有重要的作用[3-4]。然而，在多年的教學實踐中發現以下問題。

作者：胡永江、馬曉琳、王永川，軍械工程學院無人機工程系；呂登龍，軍械工程學院訓練部研究生處（050003）。

課程難度大，使得理論基礎不易形成 該課程一是數學基礎要求高，需要掌握多門工程數學知識；二是課程內容比較抽象，需要使用數學語言對工程實踐中的數據采集、分析與處理等問題進行描述，缺少直觀性。課程起點高、難度大影響了學生的理論基礎形成，直接影響了學生的應用創新能力培養。

專業實踐強，使得實踐技能難以掌握 課程內容來源于工程實踐并用數學語言描述，而分析結果又應用于工程實踐，實踐環節多，工具運用復雜，對諸如MATLAB軟件、DSP處理軟件等相關仿真實踐基礎知識要求高，由于部分軍校工科研究生缺乏相關仿真實踐知識，導致課程實踐非常被動，很難有效掌握實踐技能。

基礎差距大，使得教學內容難以選擇 學院每年招收的碩士研究生的知識背景、知識結構、理論基礎、理解能力、實踐能力等差別很大。根據統計顯示，在學院2011—2013年選修數字信號處理課程的研究生中，有近42%的研究生沒有學過信號與系統或自動控制原理，有近36%的研究生缺乏如積分變換和復變函數等重要的數學基礎知識。如何選擇設計科學合理的教學內容，既能及時補足學生薄弱基礎，還要在應用創新能力素質培養上有所拓展，是十分棘手的難題。

研究需求多，使得前沿知識難以均衡 由于學院研究生課題主要是針對具體武器裝備展開科學研究，武器裝備技術差異大，除了對數字信號處理基礎理論相同外，還要針對這些具體信號處理算法在理論和實踐上進行拓展，以滿足不同專業研究生的課題需求。如何均衡合理選擇，拓展理論教學和實踐內容，直接關系到教學內容的完整性、系統性和實用性，也直接影響到學生創新思維拓展。

4 課程教學內容設計與實施

以培養研究生應用創新能力為目標，針對學院研究生數字信號處理課程在教學實施中存在的問題，結合課程具體特點和學生基礎素質情況，將課程教學內容設計整合并進行實踐，形成基礎理論、實驗研究和專題拓展三個相輔相成的教學體系。

基礎理論體系設計與教學實施 按照“精基礎”和“重前沿”原則，形成一條“數字信號如何獲取、如何分析和如何處理”的理論知識鏈。

1）在精基礎上，精挑選精講解。首先是擴展部分信號與系統知識，解決學生專業知識薄弱的難題，保證學生能夠正常入門；然后講述如何獲取數字信號（即抽樣定理）及存在問題（即量化誤差分析）；再講述如何認知數字信號或系統的特性（即頻域分析與變換理論）；然后講述如何處理含噪或受擾數字信號（即濾波器理論與設計）；最后講述如何根據要求設計一個數字系統（即信號估計與建模）。以問題驅動為牽引，形成一條數字信號如何獲取、如何分析與處理及系統綜合設計實現的精簡理論知識鏈。

2）在重前沿上，重引入重比較。依據精簡理論體系，引入學科專業前沿知識，采用對比法進行講解學習。如針對乃奎斯特抽樣定理的低頻采樣限制，可引入針對高頻采樣的帶通抽樣定理；針對傅立葉變換譜分析所帶來的缺陷，對比插入短時傅里葉分析、時頻分析和小波分析等理論。

實驗研究體系設計與教學實施 按照“厚基礎”和“強綜合”的原則，基于MATLAB軟件和DSP開發工具箱，形成“數字信號如何采集獲取、如何進行譜分析、如何變換以及如何濾除雜波”的一條與基礎理論相呼應的實驗體系。

1）在厚基礎上，與基礎理論體系相對應，形成數字信號采集與抽樣、傅立葉變換與譜分析、濾波器設計與實現和功率譜估計與信號建模等四個基礎實驗專題，重點解決仿真軟件具體運用和基礎理論與實踐相結合的難題，使學生初步掌握實踐基礎技能。

2）在強綜合上，依據四個基礎實驗專題，在控制領域、通信領域、雷達領域、機械領域以及測試領域設置五類綜合實驗項目，重點解決理論綜合實踐運用中出現的難題，確實提高學生在理論、實踐和技能三個方面的融合運用能力，提升學生實踐技能，激發學生從運用到創新的激情。

在教學實施過程中，由2～3名學生按五類綜合方向分成若干個研究小組，分工協作，通過編寫仿真代碼、演示仿真結果、撰寫實驗報告和展開討論交流等方式，切實提高學生的工程實踐能力、論文寫作能力和表達溝通能力。

專題拓展體系設計與實施 因每個學生研究方向各不相同，因課時限制，不可能在每個方向上深入地講、透徹地教。根據學生的研究方向，設立控制信號處理、通信信號處理、雷達信號處理、機械振動信號處理、測試信號處理、圖像信號處理和語音信號處理等七個拓展專題。

在教學實施過程中，學生組成2～3人興趣研究小組，采用分組自主學習、撰寫研究報告和課堂討論交流相結合的方式，保證每個拓展專題對每個學生都學可致用，提高學生跟蹤專業發展方向能力。

5 課程考核與效果評估

課程考核方式 合理的課程考核評估不僅是對學生學習動力的指向，也是教與學之間的有效溝通。為了評估課程改革后的教學效果，課程建立了理論考試、實驗匯報和專題交流相結合的突出能力的考核評估模式。

1）理論考試重點考查學生的基礎理論知識掌握情況，120分鐘閉卷模式，成績占40%。

2）實驗匯報重點考查學生寫作表達能力、實踐技能以及團隊合作等情況，依據綜合實驗研究專題，撰寫實驗設計、實現方法、實驗結果以及結果與理論對應關系分析的實驗報告，采用主題報告、現場演示和回答質疑相結合的方式，由2～3名教員組成考評組，每個小組30分鐘，成績占40%。

3）專題交流重點考查學生前沿知識掌握和創新思維拓

展情況，通過在課堂專題報告、討論交流和回答質疑相結合的方式，由教員和專題負責組長組成考評組，每個小組30分鐘，成績占20%。

圖1 2011—2013年選修數字信號處理課程的考核成績統計圖

總體成績情況 學院2011—2013年選修數字信號處理課程的考核成績統計如圖1所示。其中，成績A表示在85分以上，成績B表示在75～85分之間，成績C表示在60～75分之間。

如圖1所示，通過近三年教學實踐和考核評估：

1）在課程內容整合初期（2011年度），基礎理論得分較高，但在實驗匯報和專題交流兩個方面不夠理想，主要是交流討論少，匯報表達能力沒有得到有效鍛煉；

2）在教學內容整合中期（2012年度），采用精講并增加課堂提問和交流討論環節，雖然基礎理論掌握情況有小幅度回落，但學生的實驗匯報環節成績有了大幅度的提高，工程實踐應用能力和匯報表達能力有了明顯進步，但在拓展專題上仍然不夠理想；

3）在教學內容整合后期（2013年度），在堅持精講和加強實驗專題的基礎上，將前兩屆作業成果精編整理寫成實驗指導手冊，并將各個專題的經典資料整理分類，提供給學生學習研究，通過課程考核可以看出，學生在理論考試、實驗匯報和專題交流都有很大幅度提高，尤其是在理論聯系實踐、實驗仿真分析、匯報表達交流、論文撰寫等方面的能力有很大的提高，同時也初步學會了課題開展和團隊協作等實踐知識。

根據近三年學生反饋意見來看，他們對課程內容體系設置和教學模式較為滿意，基礎較好的學生表示在迅速掌握基礎理論的同時，可以花更多精力在實驗研究和專題拓展上，提升應用創新能力；基礎較薄弱的學生表示通過團隊協作，使自己在薄弱環節可以得到幫助，很容易進入正軌。但也有部分學生表示理論前沿和拓展專題較難，不容易吃透。

6 結束語

以培養研究生應用創新能力為目標，通過對數字信號處理課程的教學模式進行改革探索，除了使學生掌握了數字信號處理的基礎理論知識，還鍛煉了學生的自主學習、工程實踐、科研創新、論文寫作以及團隊協作等應用創新能力，達到課程教學改革的主要目的。在后續教學改革中，可針對理論前沿和拓展專題較難的問題，采用MOOC方式，化繁為簡、化難為易、化大為小，真正地讓學生“有興趣學得容易，有問題搞得清楚，有想法能夠實現”，切實提高學生的應用創新能力。

[1]唐百鋒,魯寬民.環體因素對理工科大學生創新素質培育力影響分析[J].中國電力教育,2011(13):38-40.

[2]李加勇,白永生,葉和明,等.新形勢下提高軍校研究生創新能力的策略分析[J].中國電力教育,2012(14):61-63.

[3]胡學友,王穎,胡云龍.“數字信號處理”教學改革與實踐[J].高教論壇,2007,6(3):67-69.

[4]藍會立,廖鳳依,文家燕.“數字信號處理”課程教學改革與實踐[J].中國電力教育,2012(3):86-87.

G643.2

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