新時代背景下的數字信號處理課程改革

李艷鳳 陳后金 黃琳琳

摘要：面向時代發展，課程組提出了“知而有識、學而善用”的教學理念，優化了課程教學體系和教學內容。以“為什么、是什么、做什么”為主線，開展了“問題驅動”的案例教學和“問題引領”的探究性教學，建設了豐富的課程教學資源，如國家級視頻公開課、教育部英語授課品牌課程、國家級在線開放課程，出版了國家級規劃教材。課程建設成果獲得了北京市教學成果獎，發揮了積極的示范與輻射作用。

關鍵詞：課程改革;教學理念;數字信號處理

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9324（2020）22-0200-02

一、引言

隨著信息技術的發展，社會對電子信息類人才的需求也發生了改變[1]，社會需要具有深厚理論基礎、多學科綜合能力以及創新能力的優秀人才。傳統的數字信號處理課程在教學內容上未能及時將教研和科研成果轉化為教學內容和教學素材，教學內容相對滯后。在教學方法上，難以激發學生的探究興趣，未能充分鍛煉學生理論聯系實際解決復雜工程問題的能力。在教學資源上，面向工程實際的教學案例和在線開放課程較少，難以滿足學生個性化學習需求。因此，需要深化數字信號處理課程改革，提高本科生課程的教學質量。

本次課程改革以教學理念更新為先導，以課程體系內容改革為核心，以創新人才培養為目標，提出了“知而有識、學而善用”的教學理念，優化了課程教學體系和教學內容，建設了國家級英語授課品牌課程、國家級視頻公開課以及國家級規劃教材;以“為什么、是什么、做什么”為主線，開展了“問題驅動”的案例教學和“問題引領”的探究性教學;研發了面向工程實際應用的教學案例，開播了數字信號處理MOOC課程。

二、面向時代發展，提出了新的課程教學理念

高等學校的根本任務是培養和造就適應時代發展的優秀人才，課程教學是人才培養的重要環節[2]，教學理念對教學過程和結果具有深刻影響。傳統的大學教育大多停留在讓學生“知”，而沒有引導學生由“知”內化為“識”，進而付諸“行”，造成學生只知道一些書本上的定義、性質和習題演算。人們獲取知識的主要目的是創造知識和應用知識，創造知識需要“有識”，應用知識需要“善用”。若學生僅滿足于記憶這些書本內容，則難以獲得真知灼見，創新創造更無從談起，造成國家教育資源的浪費和人才培養的落后。因此，學生應該在汲取現有知識基礎上深思熟慮，心領神會，學以致用，從而形成自己的學識和能力，努力成為“知而有識、學而善用”的創新創業人才[3]。

三、豐富教學內涵，優化了課程教學體系

數字信號處理是電子信息類相關專業的重要課程，既包含理論性知識又具有技術性內容。積極吸收教研與科研成果，優化了課程教學體系，豐富了課程教學內涵。例如，更正了現有國內外同類教材中普遍存在的關于“抽樣定理”的表述和結論[4]。重構了信號抽樣模型，以全新的角度詮釋了信號時域抽樣定理的本質內容。剖析了FFT算法的內在關系[5]，揭示了FFT算法蘊含的對稱之美，開闊了學生學習其他信號處理算法的視野。

面向信息技術的發展，結合科研實踐，更新了教學內容，如新增了多速率信號處理、多通道濾波器組、信號時頻分析等內容。以夯實理論基礎、強化工程應用為目標，形成了原理、方法、技術一體化的教學體系，建設了數字信號處理教育部來華留學英語授課品牌課程。物化課程教學體系和教學內容，編著出版了原理和方法為主的教材《數字信號處理》和技術為主的教材《DSP技術及其應用》，兩部教材均入選國家級規劃教材，其中《數字信號處理》教材被評為國家級精品教材;出版了《信號分析與處理實驗》，該教材被評為北京市高等教育精品教材。應邀翻譯的國外原版教材《數字信號處理及MATLAB仿真》，被評為最佳翻譯教材。新的課程教學體系和內容體現了“厚理博術”的教學內涵，有利于把學生培養為“知而有識、學而善用”的優秀人才。

四、激發探究興趣，改革了課程教學方法

根據新的教學理念，大學教育應從注重書本內容的傳授，逐步轉變為以教學內容為載體，啟發引導學生在學習中汲取知識的精華，在探究中領悟知識的真諦，在創新中感受知識的魅力。教師要以自己的學識來講解相關知識的來龍去脈，講解為什么要引入此知識，其本質內容是什么，如何去應用，以及存在哪些工程局限等。本課程實施了以“為什么、是什么、做什么”為主線的教學方法。在引入新的理論和方法時，通過“為什么”，闡述此知識模塊與其他知識模塊之間的內在關系，明晰知識模塊脈絡;通過“是什么”，突出該知識模塊的本質內容，促使學生將“知”內化為“識”;通過“做什么”，加深學生對知識原理的理解，促使學生由“識”付諸“行”。

通過問題的引入、問題的分析、問題的解決，開展了“問題驅動”的案例教學。基于課程重點，針對工程應用，設計了教學案例。如“DFT在軌道交通控制信號識別中的應用”案例，分析了機車信號識別實時性與有效性之間的約束，引導學生思考與掌握DFT參數的工程含義，理論聯系實際;“IIR濾波器在脈搏信號分析中的應用”案例，分析了采集到的脈搏信號中各類噪聲的特點以及來源，引導學生思考與掌握如何合理選擇濾波器類型及設計指標。為了培養學生的探究精神和應用知識解決工程問題的能力，開展了“問題引領”的探究性教學。教師啟發學生綜合應用課程的原理、方法和技術開展探究性學習與實踐，如“歌曲檢索器的設計與實現”“鋼琴校音器的設計與實現”。

案例教學和探究性教學激發了學生的探究興趣，學生由被動接受知識轉變為主動和互動獲取知識，由側重理解問題轉變為側重發現問題，由注重知識學習轉變為注重知識應用，增強了學生的工程素質和創新意識，鍛煉了學生理論聯系實際解決工程問題的能力。

五、轉化科教成果，建設了課程教學資源

團隊教師積極開展教學研究，將科研與教研成果轉化為教學資源，建設了面向工程實際應用，涵蓋課程核心知識點的教學案例。這些案例包括全通系統和最小相位系統的應用案例;信號的時域抽樣與重建的應用案例;回聲產生及消除的應用案例;利用DFT分析信號頻譜的應用案例;音樂電子記譜的應用案例;IIR濾波器在脈搏信號分析中的應用案例;FIR濾波器的應用案例;多速率信號處理的應用案例;基于小波域信號去噪與壓縮的應用案例;電話撥號音產生與識別的應用案例;聽音識曲系統的應用案例;FFT在OFDM通信中的應用案例;DFT在軌道交通控制信號識別中的應用案例。目前案例已在課程教學中全部應用，取得了積極效果，提高了課程質量。

圍繞數字信號處理課程改革，建設了國家級視頻公開課“走近數字技術”、國家精品在線開放課程“數字信號處理”（中國大學MOOC網，http：//www.icourse163.org）。“走近數字技術”主要內容包括數字化原理及數字化在聲音與圖像中的應用。課程深入淺出、形象生動，可作為數字信號處理的先修課程。“數字信號處理”MOOC課程包括信號抽樣、信號頻譜分析、數字濾波器設計、多速率信號處理、小波時頻分析等。課程內容緊跟學科發展，教學內涵明晰，教學案例豐富，推進了課內課外、線上線下教學，滿足了學生個性化學習需求，輻射了教學資源。

六、小結

該課程改革成果豐碩，發揮了示范與輻射作用。編著出版的國家級規劃教材《數字信號處理》已發行70000多冊。國家級視頻公開課“走近數字技術”自上線以來瀏覽量3800多人次。國家精品在線開放課程“數字信號處理”MOOC課程已在中國大學MOOC網開播五學期，累計學習者已超過3萬人。面向工程實踐的教學案例已全面應用，增強了學生理論聯系實際解決工程問題的能力。

參考文獻：

[1]張干清，郭磊，向陽輝.新工科雙創人才培養的實踐教學范式[J].高教探索，2018，（08）：55-60.

[2]李海芬，李丹青.提高我國高等院校本科基礎課程建設質量的建議[J].高教探索，2008，（04）：68-71.

[3]陳后金.轉變教育觀念 造就知而有識學而善用的優秀人才[J].中國大學教學，2013，（10）：10-11+15.

[4]薛健，陳后金，胡健，郝曉莉，錢滿義.信號時域抽樣的教學探索與研究[J].電氣電子教學學報，2009，31（06）：99-101.

[5]李艷鳳，陳后金，胡健.淺析FFT算法中對稱關系[J].電氣電子教學學報，2017，39（05）：78-80+84.

The Course Reform of Digital Signal Processing in the New Era

LI Yan-feng， CHEN Hou-jin， HUANG Lin-lin

（School of Electronic and Information Engineering， Beijing Jiaotong University，

Beijing 100044， China）

Abstract： Facing the development of the times， we put forward the teaching idea of "knowing and having knowledge， learning and making good use of knowledge" and optimize the course teaching system and content. Using "why-what-do" as the principle， the problem-driven case teaching and problem-led inquiry teaching are carried out. Rich teaching resources are constructed， including the national video open courses， Ministry of Education English brand courses， national-level MOOCs and nationally planned textbooks. The achievements of the course construction have won the Beijing teaching achievement award， which has played an active demonstration and radiation role.

Key words： course reform; teaching idea; Digital Signal Processing

收稿日期：2019-09-12

基金項目：2016年教育部國家級實驗教學示范中心項目“電工電子國家級實驗教學示范中心建設項目”（編號：351003535）;2018年北京交通大學教改項目“信號處理系列課程‘金課探索與實踐”（編號：133187522）;2017年北京交通大學教改項目“《近代數字信號處理》課程建設”（編號：134749522）;2019年北京交通大學教改項目“面向新經濟的信息工程專業改造升級路徑探索與實踐”

作者簡介：李艷鳳（1988-），女（漢族），河北廊坊人，博士，副教授，研究方向：圖像處理與模式識別;陳后金（1965-），男（漢族），安徽馬鞍山人，博士，教授，研究方向：圖像處理與模式識別。