校所協同育人機制下數字信號處理教學探索

來毅　劉穎　朱婷鴿　李大湘

[摘 要]數字信號處理在理工科教育體系中具有十分重要的作用，在理工類院校該課程通常被設為主要專業基礎課。課題組從建構主義理論出發，圍繞高效傳授專業知識、大力強化綜合能力和穩步提高學生創造性三個主要問題，探索研究將校所協同育人機制有效融入數字信號處理課程教學的途徑，為建立面向社會應用的創新型信息化人才培養機制奠定了良好的基礎。

[關鍵詞]數字信號處理；協同育人；創新能力；實踐能力

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）02-0043-03

“為什么我們的學校總是培養不出杰出人才？”著名的“錢學森之問”成為叩問中國教育事業發展的一道艱深命題，也給我們當代教育者提出了新的思考方向。而杰出人才必須具備的重要素質之一，就是較強的創新能力。[1]為此，教育部要求高等學校在教學過程中，要把培養學生的創新能力和實踐能力列入教學的重點，并將其確定為教學評估的核心指標。

數字信號處理是面向西安郵電大學工科專業學生開設的專業基礎課程。隨著信息技術日新月異的發展，其原有的教學內容和教學模式已無法滿足國家和社會對創新型人才的迫切需求，因此該課程需要盡快完善和發展。此外，由于實際接觸該課程相關應用領域的對外實踐機會相對較少，學生對該課程內容本質的理解和對概念的掌握有一定困難，使得課程教學效果不甚理想。因此，如何充分利用各種實踐平臺，對數字信號處理課程進行科學合理的教學改革，探索研究創新型人才培養機制，是目前該課程教學工作所面臨的一個極具挑戰性的前瞻性研究課題。

一、國內外研究現狀及發展趨勢

對創新型人才培養機制進行探索性研究，對高等教育具有重大現實需求與重要科學意義。這一課題受到教育界和學術界的廣泛關注，但仍然存在諸多尚未解決的教學問題，亟待在原創理論與實踐途徑方面尋求突破。針對創新型人才培養機制問題，本文分別從傳授專業知識、培養綜合能力和提高創造性三個方面，概述國內外研究現狀和發展趨勢。

（一）傳授專業知識

傳授專業知識是大學教學的基本任務之一。傳授專業知識有利于學生全面系統地掌握所學內容的基本框架和具體內容，是學生未來向更高層次發展的基礎保障。傳授專業知識的方式多種多樣，現在研究比較多的一種新型的教學手段，是運用建構主義方法[2]，以在線學習或移動學習為形式的微課程，這種方法既刷新了教學模式又提高了教學效率。此外，翻轉課堂成為全球教育界關注的熱點，2011年還被加拿大《環球郵報》評為“影響課堂教學的重大技術變革”。特別是“可汗學院”免費提供的優質教學視頻，克服了翻轉課堂實施的重要障礙。而全球教育領域另一個重大事件慕課（MOOCs）的崛起，使翻轉課堂在課前實施的教學內容與教學方式也發生了很大的變化。因此翻轉課堂在教育界日益走紅。國內專家、學者針對當前高校專業課教學中存在的諸多問題也進行了研究，吉小利[3]提出實行集體備課制度凝練教學內容、實行按專長配備師資并加強情景教學、強化實踐教學，構建“全過程、遞進式”的實踐教學模式，通過提高專業課教師科研與實踐能力等來提高專業課教學質量。

（二）培養綜合能力

高等學校教育需要高度重視全面提高學生的綜合素質這一問題，努力培養學生的可持續發展能力，使其適應不斷發展的社會對人才的需要。金正一[4]提出新的實驗教學方式，多設計綜合性、設計性實驗，培養學生敏銳的觀察能力、熟練的實驗操作能力和創新思維能力，讓學生獨立完成一個實驗課題，從而提高學生的科學研究能力。鄭紅[5]以模塊化多課程協作為核心，以教學方法優化為手段進行改革，對于改進本科教學，全面促進學生綜合能力的發展，取得了顯著效果。

（三）提高創造性

問題解決是最常見的思維形式，有些問題解決活動可能比較常規，只是沿用了常用的解法，而有些問題解決活動則可能需要很大的創造性。這就需要培養學生的創造性。而創造性思維是創造性的核心。因此，掌握創造性思維就是解決創造性問題的必要途徑。創造性思維是指個人在已有經驗的基礎上，發現新事物，運用新穎的方式解決問題并創造出獨特產品的思維過程。腦激勵法[6]又叫頭腦風暴法（Brain Storming）或BS法，是指教師先提出問題，然后鼓勵學生進行發散思維，提出盡可能多的解決辦法，而不必考慮方案的正確性；教師也不斷對學生所提出的想法進行評論，直到所有可能想到的方案都被提出來為止。然后學生和教師開始對這些想法進行討論、評價，再修改、合并某些想法，最后形成一個創造性的解決方案。這種方法的基本思路是把想法的產生和對想法的評價分開。此外，吉爾福特提出了一套前后有序的培養創造性思維的策略。[7]他強調，創造性思維中有兩個關鍵的智力活動——發散思維和轉化，所以他的培養方案是著重對學生的發散加工能力和轉化能力進行訓練。吉爾福特提出了一些具體的培養創造性思維的策略，包括拓寬問題、分解問題、常打問號、快速聯想、形式聯系和捕捉靈感等。

綜上所述，傳授專業知識是創新型人才培養的前提，培養綜合能力和提高創造性則是創新型人才培養的關鍵所在。雖然以上方法對學生的創造性培養效果較好，但沒有和具體的應用實踐相聯系，因而在具體教學實踐中容易產生很多問題。因此，本文將校所協同育人機制融入數字信號處理課程教學中，探索研究創新型信息化人才培養機制。

二、數字信號處理課程教學的探索與研究

本文契合陜西省高校“四個一流”建設發展趨勢，充分發揮教學平臺、科研平臺和創新創業平臺各自的優勢，通過將校所協同育人機制融入數字信號處理課程教學中，來探索創新型人才培養模式。具體而言，擬實現如下目標：

一是針對當代大學生的心理發展特點，結合建構主義的最新理論研究成果，合理、科學、規范地設計數字信號處理課程的教學內容、教學方法和教學設計，提高課堂教學效果。

二是將校所協同育人機制融入數字信號處理課程教學，以數字信號處理教學為實施渠道，探索獨具特色的創新型人才培養模式。

圍繞上述研究目標，西安郵電大學結合實際情況，以“知識—能力—素質”一體化培養機制為主線，對高效傳授專業知識、大力強化綜合能力以及穩步提高學生創造性這三個緊緊相扣的內容進行研究。圍繞“教學內容合理化”、“教學方法科學化”和“教學設計規范化”等三個需要重點解決的教學問題，結合校所協同育人機制，基于建構主義理論和人本主義理論等相關理論和方法及學科交叉融合的角度，從解決教學問題、攻關研究內容和教學實踐驗證三個層次著手，將研究內容分解為有機結合的三個方面：高效傳授專業知識、大力強化綜合能力、穩步提高學生創造性。具體采用的教學方法如下：

（一）高效傳授專業知識

數字信號處理作為信號與系統課程與后續專業等課程的銜接課程，其一方面具有復雜的數學公式，另一方面又與實際工程應用緊密聯系，所以具有抽象性、前沿性、多學科交叉融合性及設計復雜性等特點。所以，該課程要求學生既要具有很強的理論基礎，又必須具備廣泛的工程應用背景，這給學生的學習帶來了很大挑戰。本文利用建構主義的最新理論及研究成果，在充分理解教學大綱和教材內容等前提下，結合西安郵電大學工科學生的身心發展特點和各個專業特點，細致篩選精要的教學內容，做到將教學內容合理體系化。另外，可以還從數字信號處理課堂教學中的理論延伸與實踐探索入手。在理論延伸中，教學過程要注重拓展理論外延，激發學生的學習興趣；在實踐探索中，要通過深入淺出的概念理解，延續知識主線，聯系科研實踐，以實際案例探討課堂知識點的科研及工程應用，實現課堂知識與科研活動的有力銜接。對于教學內容晦澀難懂、理解困難的問題，一方面引入有效的實驗平臺，如Matlab、LabView等，積極引導學生進行實踐，使學生做到對原理本質能夠理解，從而學會實際應用；另一方面運用信息技術，基于具體的語音或圖像案例，編寫參數可調的交互式演示程序，命名其可以更加真實形象地展示出來。此外，還應將微時代背景下的數字信號處理教學方法與傳統的教學方法相結合，使泛在學習成為數字信號處理課程學習的有力輔助手段。

（二）大力強化綜合能力

掌握專業知識是對學生學習的最基本要求。然而，隨著社會的快速發展，社會對學生的要求越來越高，學生的內化能力越強，自我教育能力越強，也就越能適應社會的需要。因此，素質教育的全面發展觀要求教育面向全體學生、全過程培養學生和全面發展學生，特別是高等教育在發展上更應偏重能力的培養和訓練。綜合能力提升是大學生素質提高的主要表現之一。高校要以培養創新型卓越人才為目標，通過合理安排課堂教學內容，科學設計教學方法，使學生能夠深刻理解和熟練掌握數字信號處理課程中所蘊含的科學思想，并能將這些思想運用到日后的工作和學習中。比如，在數字信號處理課程中講授系統穩定性時，要讓學生明白有反饋回路的系統才是一個穩定的系統，而這只是知識層面的傳授。更重要的是要從系統論的高度理解，對于任何一個系統，比如一個教學系統，如果沒有反饋（如課堂提問、提交課后作業、考試等），這個系統必將是一個不穩定的系統。再比如，在講授數字濾波器設計時，教師不僅要告訴學生怎樣利用模擬濾波器來設計數字濾波器，還要知道為什么要這么做，更重要的是要掌握這個轉換過程中所蘊含的科學研究思想。因此，通過引導學生領悟數字信號處理算法的基本思想，對課本知識點進行外延拓展，讓學生不僅學好課堂理論知識，更要讓其在以后的工作學習中勤于思考，不斷進取。

與此同時，還要在實踐環節中提高學生的綜合能力。一是基于教學實踐活動，包括專項實驗（如數字信號處理MATLAB仿真實驗和基于DSP的數字圖像處理實驗等）和綜合實踐（如科研訓練、專業課程設計和開放實驗等），對學生所掌握的數字信號處理課程所蘊含的思想進行升華。二是基于科研實踐活動，包括依托圖像與信息處理科研團隊公安部重點實驗室和西安郵電大學—中國科學院西安光學精密機械研究所校所合作的科技創新創業平臺，讓學生接觸到科研一線工作，了解產業發展的最新動態，提升學生的科研實踐能力和創新創業能力。

（三）穩步提高學生創造性

學生在掌握了扎實的專業知識和具備了較強的綜合能力后，是否就等于在實際工作和生活中面臨各種問題時，能夠創造性地提出新思路、新方法，有效地解決所遇到的困難呢？根據我們前期深入的研究和廣泛的調查，結果顯然不能令人滿意。為此，本文嘗試探索研究創新型人才培養模式。一方面，在數字信號處理課程教學過程中，要引入具體科研課題的研究，使學生以辯證唯物主義認識論為指導，明白任何一個知識點都不是孤立存在的，應進一步完善創新思維體系，提高學生自主學習和協作學習能力。首先，教師要利用在科研工作中積累的豐富實踐經驗，在課堂中對所講授的知識點在實際中的應用等方面進行深入淺出的介紹，拓展學生的知識面和提高其學習興趣。其次，要通過實驗指導學生進行課外探究式學習等方式，加深學生對該課程知識的理解和掌握，提高學生對知識的綜合運用能力，建立課堂教學與科研實踐的緊密聯系。

另一方面，要以校所協同育人機制為導向，加強能力和知識在實踐中的綜合有效運用。在實踐中，要使學生接觸到最前沿的數字信號處理技術之典型應用——圖像處理專業技術，培養他們的創新思維；支持學生創新創業，依托前述校所合作科技創新創業平臺，進行圖像處理創新研究和科研實踐；培養學生創業意識，引導學生將科研成果轉化與創業相結合，使學生成為具有創新能力和創業能力的創新型人才。以此來解決教學實踐中存在的種種無法解決的問題，提高學生的實踐能力、創造能力、就業能力和創新能力，以達到提高人才培養質量的目的。

三、結語

本文將校所協同育人機制融入數字信號處理課程教學過程中，結合建構主義的最新理論研究進展，圍繞高效傳授專業知識、大力強化綜合能力和穩步提高學生創造性等三個主要教學問題，探索研究創新型信息化人才培養模式。通過貫徹陜西省高校“四個一流”建設計劃和陜西省科技廳、教育廳《關于科教協同，深化產學研合作，促進科技成果轉化合作協議》文件相關精神，從培養創新型人才的社會需求出發，以數字信號處理教學團隊省級精品課程教學平臺為依托、以圖像與信息處理科研團隊公安部重點實驗室為源泉、以西安郵電大學—中國科學院西安光學精密機械研究所校所合作科技創新創業平臺為橋梁，通過將校所協同育人機制融入數字信號處理課程教學，探索研究創新型人才培養模式，為“四個一流”建設貢獻力量。本文所述的教學實踐活動，推進了數字信號處理課程教學方法、教學內容及教學設計的不斷創新，形成了獨具特色的創新型人才培養模式；同時更加科學合理地改進了數字信號處理課程的教學內容、教學方法和教學設計等，發展了實踐教學體系，提高了學生的實踐能力、創造能力和創業能力。另外，還為校所（企）合作發展提供了寶貴經驗，為軍民融合、產學研結合、通識教育和卓越人才培養等提供了理論參考，推進了科技創新創業平臺建設，助力陜西省經濟的快速發展和成功轉型升級。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 林曉玲.創新創業視角下高校跨學科創新課程體系的構建探析[J].大學教育，2017（1）：1-5.

[2] Hug T. Microlearning： A new peda-gogical challenge （Introduc？鄄

tory Note）[C].Microlearning Conference.，2005：7-12.

[3] 吉小利，劉健，邢宏龍，譚德新，疏瑞文，甘穎. 以提高專業課教學質量為抓手，培養綜合能力強的理工類人才[J].高教學刊，2016（15）：215-218.

[4] 金正一，黃永春.改革實驗教學方式，培養綜合能力[J].高教學刊，2008（1）：135-137.

[5] 鄭紅，張海波.構建以培養綜合能力為目標的心理學專業實驗課程體系[J]. 哈爾濱學院學報，2012（6）：106-108.

[6] 陳琦，劉儒德.當代教育心理學[M].北京：北京師范大學出版社，2007.

[7] 趙麗，呂文皎，邰鷺明.創造力教育在國內外的研究現狀及發展趨勢[J].當代教育理論與實踐，2015（11）：71-74.

[責任編輯：劉鳳華]