林業院校工科《現代數字信號處理》課程的教學改革探索

林劍輝

摘要：《現代數字信號處理》是通訊、電氣、控制類學科開設的研究生課程，針對林業類院校工科《現代數字信號處理》課程存在的問題，通過整合教學團隊、加強基礎知識、結合行業特點、改進教學手段與考核方式等多方面措施，對課程教學進行了改革實踐。本文對改革實踐進行了階段性小結，并討論了改革的效果及展望。

關鍵詞：現代數字信號處理；林業院校；翻轉課堂

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）52-0075-02

一、引言

《現代數字信號處理》是相對于經典數字信號處理而專門為研究生開設的一門專業課。由于現代濾波技術、現代譜分析理論、智能信息處理方法等技術的出現，使得現代數字信號處理開始廣泛應用于智能控制、現代通信、新型雷達、精確遙測、醫療數據分析等領域，尤其值得注意的是，現代數字信號處理對于控制科學與工程的研究與實踐有著重要的意義，因此，大部分高校均在控制科學與工程學科為研究生開設了本門課程[1-2]。北京林業大學控制理論與控制工程學科從2014年起開設本門課程。

二、存在的問題

筆者近年承擔“控制理論與控制工程”學科碩士研究生的《現代數字信號處理》課程的教學工作，在教學實踐過程中，發現相對于傳統工科院校，林業類院校工科專業講授《現代數字信號處理》課程存在如下問題：

1.基礎知識要求較高，除了要有經典數字信號處理的基礎外，并學習過信號與系統、自動控制理論，還要求學生掌握線性代數、矩陣理論、概率理論、數理統計、復變函數等多門工程數學[3]。但實際情況林業類院校工科每年入學的研究生來源廣泛，本校生源所占比重偏低，外校生源本科專業差異較大，數學基礎薄弱，大部分沒有系統性地學習過本門課程所要求的先修課程，導致學生對授課內容理解參差不齊，影響授課效果。這些問題在很多高校相關學科都存在[4]，而對于筆者所在的林業大學該問題體現得更為嚴重。

2.課程內容抽象，數學公式繁多，推導步驟復雜，很多內容缺少直觀描述，最多也就是給個流程圖[5]。

3.工程實踐性強，課程內容的發展均是基于實際工程應用的需求，具有很強的工程實踐背景。但大部分的教材中，對工程實際的描述又較少，所舉的例子均為通用信號，不具備有明確的工程實踐背景，從而導致學生在學習過后理論與實際脫節，總感覺課程學習完之后完全應用不到他們研究生課題中[6]。對于筆者所在的林業大學，這個問題更顯突出。

上述情況提高了學習難度，降低了學習興趣，同時也向教學工作提出了更高的要求。

三、采取的措施

針對以上問題，筆者對近兩年所承擔的北京林業大學控制理論與控制工程學科的《現代數字信號處理》課程進行了教學改革。

1.整合教學團隊。現代數字信號處理課程是一門理論與實踐并重的課程，而且一直處于發展過程。單個教師在研究過程中所涉及的領域相對較為集中，無法全面覆蓋現代數字信號處理所有內容，故在講解自己不常用的內容時會顯得較為生硬。而考慮以教學團隊的形式，不同教師針對自己科研中所涉及的內容分別講述不同章節知識，從而克服單個老師獨立完成授課的不足，一方面提升了學生的學習興趣，另一方面也加強了課程中理論與實踐的結合。

2.設計教學框架。經典的數字信號處理經過多年的發展，已經具備了較為完善的課程結構，課程內容的變化不大，而現代數字信號處理仍處于一個發展的過程，各學校、各學科以及各種教材所涉及的課程體系具有多樣化的特點，且差異較大。在學時有限的情況不可能涉及所有內容，因此在參考了其他學科教學內容的基礎上，結合我學科實際情況對教學內容進行整合。

3.加強基礎知識。整合教學內容，設計出整體教學框架后，教學團隊考慮到我校雙控學科的實際情況，尤其是多數外校生源研究生基礎薄弱，甚至沒有學習過前置課程，認識有必須突出基礎知識的教學，在第一章中增加了FFT、頻譜分析、頻率響應濾波器等本科階段的內容，并列出多本參數書目，以加強學生的基礎。

4.結合行業特點。北京林業大學是一所典型的行業院校，教師的科研基本上圍繞著行業發展，具有很強的行業實踐背景。因此在教學案例的選擇上，教學團隊精選了鳥鳴聲信號及其處理、植物生理水分信號及其處理、木材無損檢測信號及其處理、活立木雷達信號及其處理等幾個典型的林業科研案例，一方面增加了學生對信號處理的感性認識，另一方面提升了學生對實際問題的理解與處理能力。

5.改進教學手段。參考當前先進的翻轉課堂概念，對部分章節課程依據翻轉課堂模式進行設計[7-9]。開課前兩周即為學生提供相關參考資料和案例數據，并以微信群的方式建立網上交流平臺，由3—5個自由組合的學生組成一個學習小組，要求其完成案例分析PPT。課堂上針對該案例為特定主題，由學生進行討論，教師觀察學生的討論并對重點與難點進行集體講解。通過該方式提升學生學習的主動性。

6.改革考核方式。傳統的考試方式更注重的是學生對于知識的記憶，上機操作考試雖然也體現了一些動手實踐能力的考核，但離研究生培養的學習自主性與科研創新性還有一定差距。而撰寫報告或是實驗設計類的考核方式由于缺乏有效的監督措施，又導致抄襲、程序拷貝等問題的出現，極大地影響了考核的初衷與公平性。借助于現代數字信號處理這門實踐性非常強的課程，教學團隊提出了全新的開放式考核方式。考核以機考方式進行，考核結果以電子文件形式提交，在規定的時間與地點，允許學生通過網絡查閱任意公開資料，但不允許學生之間相互交流。要求在考核過程中學生全程進行屏幕錄像并上交，以避免學生通過網絡進行交流，保證了考核結果的公平性。

四、總結及展望

提高教學質量是高校教學改革研究不變的主題。針對林業類院校工科研究生特有情況，我們對《現代數字信號處理》課程的授課過程進行了系統的改革研究，從組建教學團隊、設計教學框架著手，結合教學手段與考核方式的改進，以達到全面提升教學質量的目的。從改革實施效果上看，提高了學生的學習興趣，加強了學生對知識的掌握程度，但同時也加大了教師與學生在時間與精力上的投入，尤其是對于部分基礎薄弱的同學，增加了很大的負擔，在一定程度也影響了教學效果。

翻轉課堂的教學理念與開放式的考核模式，為學生提供了更多的自主學習機會，同時也對教師的教學能力提出了更高的要求，應該是以后同類課程教學改革的新方向與新趨勢。在這種創新性的教學改革中，師資隊伍的培養是改革成敗的關鍵之一。我們也期待本項目的教學改革在發展成熟后可以被更多的課程改革所借鑒。

參考文獻：

[1]李梅，劉俊華.“現代數字信號處理”課程的教學改革與實踐[J].中國地質教育，2010，75（3）：85-87.

[2]高遠，袁海英，吳艷.現代數字信號處理課程的教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2012，16（6）：93-94.

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[4]王秋生，袁海文，崔勇.《現代數字信號處理》的教學研究與實踐[J].北京航空航天大學學報：社會科學版，2009，22（4），77-80.

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