以項目為驅(qū)動的信號處理類課程教學(xué)改革實踐

苗 丹， 盧 偉

（邢臺學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，河北邢臺054000）

0 引 言

《關(guān)于大力推進(jìn)高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育和大學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)工作的意見》發(fā)布以來，全國的高校把如何培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新性和創(chuàng)造力作為重要的研究課題之一［1］。為了培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，結(jié)合創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，對重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程以及其實踐環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)改革，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，增強創(chuàng)新意識，提升創(chuàng)新能力，至關(guān)重要。

基于我校電子信息專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和課程設(shè)置特點，提出將“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”兩門信號處理課程進(jìn)行改革。這兩門課程在教學(xué)內(nèi)容上關(guān)聯(lián)性很強，有部分重疊，并且具有知識體系嚴(yán)謹(jǐn)，概念抽象，理論推導(dǎo)繁瑣復(fù)雜，理論與實踐聯(lián)系又很緊密的特點［2］。因此需要把提高學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生綜合運用知識解決實際問題的能力作為改革目標(biāo)，以此達(dá)到創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目的，滿足工程認(rèn)證背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案中對人才培養(yǎng)和畢業(yè)的新要求。

1 課程教學(xué)改革的內(nèi)容

在教學(xué)內(nèi)容上，將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深度交叉融合，打破內(nèi)容壁壘，統(tǒng)一協(xié)調(diào)組織，以此達(dá)到事半功倍。在2019 年人才培養(yǎng)方案中，理論學(xué)時壓縮和培養(yǎng)模式微調(diào)，按照工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)重新編寫教學(xué)大綱，將這兩門課程之間的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)順序進(jìn)行調(diào)整，重疊部分放在一門課中重點講授，銜接部分自然過渡［3］。例如“信號與系統(tǒng)”教學(xué)內(nèi)容側(cè)重點放在連續(xù)信號和連續(xù)系統(tǒng)課程中分析，重點講解連續(xù)信號傅里葉變換和拉普拉斯變換，對于離散序列和離散系統(tǒng)的分析則側(cè)重放在“數(shù)字信號處理”課程中，重點講解離散序列的離散時間傅里葉變換（DTFT）和Z 變換，這樣重點突出，內(nèi)容無重疊，學(xué)生聽起來也無重復(fù)性，理論教學(xué)課時可以有效減少［4］。

在教學(xué)方式上，提出“三層項目驅(qū)動”教學(xué)方式見圖1，以實現(xiàn)逐步強化學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和工程實踐能力。第1 層，以項目驅(qū)動理論教學(xué)。將PBL 教學(xué)法［5］、問題引導(dǎo)教學(xué)法、案例設(shè)計授課等不同形式進(jìn)行融合，應(yīng)用于信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理課程中，實現(xiàn)對學(xué)生基本能力和素養(yǎng)的培養(yǎng)，理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合。第2 層，以項目驅(qū)動實驗教學(xué)。通過實踐課程強化理論知識，運用分類實驗項目卡和開放式教學(xué)法，強化學(xué)生工程應(yīng)用和項目開發(fā)的能力，實驗教學(xué)可與畢業(yè)設(shè)計對接。第3 層，以項目驅(qū)動畢業(yè)設(shè)計。通過項目驅(qū)動畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)提升學(xué)生的綜合能力，強化學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，并可在第8 學(xué)期的畢業(yè)實習(xí)環(huán)節(jié)中進(jìn)入企業(yè)實習(xí)，完成畢業(yè)設(shè)計。

圖1 “三層項目驅(qū)動”教學(xué)方式

2 課程教學(xué)改革實踐

2.1 項目驅(qū)動理論教學(xué)方式

由于“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”這兩門課程都具有枯燥的公式推導(dǎo)，大量的數(shù)學(xué)運算，理論知識與實踐應(yīng)用又聯(lián)系緊密的特點［6］，創(chuàng)新性培養(yǎng)模式是培養(yǎng)學(xué)生對知識的使用能力和探究能力，因此傳統(tǒng)的“老師講，學(xué)生聽”［7］“填鴨式教學(xué)”形式已經(jīng)不適合創(chuàng)新性教學(xué)。

采用項目式教學(xué)法（PBL）［8］進(jìn)行課程教學(xué)改革，該教學(xué)法以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為中心；以學(xué)習(xí)和解決問題任務(wù)緊密聯(lián)系，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中思考解決問題的方法；以學(xué)生自主探究和合作的方式來解決問題，這樣的教學(xué)模式能從根本上提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，分析和解決問題的水平，以此達(dá)到改革目的［9］。

PBL教學(xué)法的精髓在于發(fā)揮問題對學(xué)習(xí)過程的指導(dǎo)作用，調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性。在信號處理課程中以學(xué)生熟知的音樂、圖片為切入點，提出信號處理的實際問題，以學(xué)生為研究主體，啟發(fā)式教學(xué)，以此來培養(yǎng)學(xué)生的能力［10］。PBL 教學(xué)方式主要分為以下4個方面：

（1）以問題為學(xué)習(xí)的起點，作為一切學(xué)習(xí)的主軸；

（2）以小組為學(xué)習(xí)和自學(xué)的主題，學(xué)生通過共同合作解決問題發(fā)現(xiàn)各自的優(yōu)勢，從而各司所職；

（3）整個學(xué)習(xí)過程都是以學(xué)生為主導(dǎo)，以學(xué)生為中心，小組成員承擔(dān)自己的任務(wù)職責(zé)；

（4）指導(dǎo)教師的任務(wù)是從旁指導(dǎo)和引導(dǎo)，并對最終的結(jié)果進(jìn)行評價，效果推廣，總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)。

利用PBL教學(xué)法在“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”課程的理論教學(xué)方面有如下實踐案例。

案例1在“信號與系統(tǒng)”課程中講授傅里葉變換知識時，提出“如何濾除美妙音樂中刺耳噪聲”的項目問題。首先將原始聲音信號提供給學(xué)生，然后根據(jù)課程內(nèi)容分解為3 個子任務(wù)：聲音信號的頻譜分析；刺耳噪聲的疊加合成；聲音中噪聲信號的濾波。

在學(xué)完“非周期信號頻譜”知識點后，讓學(xué)生在課下利用Matlab 中的fftshift函數(shù)顯示出聲音信號頻譜，如圖2（a）所示；在學(xué)完“周期信號的傅里葉變換”知識點后，讓學(xué)生思考刺耳噪聲是哪種信號？如何加入刺耳噪聲？時域加入三角函數(shù)，即高頻信號，就可以在頻域增加了高頻噪聲如圖2（b）所示。最后濾波部分需要學(xué)生查閱資料，分組研究時域卷積定理，最終根據(jù)學(xué)生研究結(jié)果，利用濾波器系統(tǒng)函數(shù)與頻譜系統(tǒng)函數(shù)相乘濾除高頻噪聲，如圖2（c）和（d）所示的IIR 和FIR濾波結(jié)果。

案例2在“數(shù)字信號處理”課程中講授FIR數(shù)字濾波器設(shè)計一章中，提出“瑪麗蓮·愛因斯坦”照片合成的案例項目［11］。首先將原圖像發(fā)送給學(xué)生，然后將該項目分解為3 個子任務(wù)：圖像信號的傅里葉變換分析；圖像信號的FIR濾波處理；圖像信號的合成。在這個項目案例中存在以下問題：

圖2 聲音信號處理案例仿真圖

（1）由于信號處理課程中所學(xué)的知識均是用在一維信號的傅里葉變換上，而圖像信號為二維信號，因此學(xué)生需要查閱資料完成圖像信號的傅里葉變換方法。圖3 所示為學(xué)生通過學(xué)習(xí)二維傅里葉變換得到的圖片傅里葉變換結(jié)果。

圖3 圖像傅里葉變換案例仿真結(jié)果

（2）由于理論課學(xué)習(xí)過FIR 濾波器和IIR 濾波器，并且均為一維濾波器，因此學(xué)生需要理論聯(lián)系實際進(jìn)行濾波器選擇和設(shè)計二維濾波器。

（3）圖像合成需要在時域還是頻域完成？該問題考查學(xué)生掌握時域卷積定理的應(yīng)用，因此學(xué)生需要將理論知識熟練運用到實際問題中來。圖4 所示為學(xué)生進(jìn)行合成后的結(jié)果圖。

班內(nèi)同學(xué)分組在課下進(jìn)行查閱資料完成子任務(wù)。然后在課堂上利用6 學(xué)時的理論課堂時間讓學(xué)生講述任務(wù)分配和完成情況，最終由教師總結(jié)結(jié)果。在這樣以任務(wù)項目為驅(qū)動的教學(xué)方式下，學(xué)生帶著問題和興趣去解決任務(wù)，效果良好。

圖4 圖像濾波合成案例仿真結(jié)果

2.2 項目驅(qū)動實驗教學(xué)改革

實驗教學(xué)的目的在于培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力，解決實際問題的能力，信號處理類課程的實踐性很強，需要大量、反復(fù)的操作和訓(xùn)練才能達(dá)到學(xué)以致用的目標(biāo)。

2.2.1 傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ?/p>

課前教師發(fā)放實驗資料，學(xué)生自主預(yù)習(xí)；課上教師花費一定的時間講授原理和方法，隨后學(xué)生進(jìn)行操作仿真，與此同時教師進(jìn)行指導(dǎo)；課后學(xué)生提交報告，教師給出實驗成績［12］。近年來，傳統(tǒng)的教學(xué)方法已不能滿足我校工程認(rèn)證背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案中關(guān)于“能夠運用專業(yè)知識和工程技能，獨立發(fā)現(xiàn)、研究、解決問題”的培養(yǎng)目標(biāo)要求和關(guān)于“能夠設(shè)計針對電子信息領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的解決方案，通過設(shè)計、分析、解釋數(shù)據(jù)，并通過信息綜合得到合理有效結(jié)論”的畢業(yè)要求；并且傳統(tǒng)方法在調(diào)動學(xué)生主動性、積極性和興趣性方面能力不足。

2.2.2 項目驅(qū)動實驗?zāi)Ｊ?/p>

針對以上問題，對“數(shù)字信號處理”實驗課程教學(xué)提出了基于“項目驅(qū)動”理念組織教學(xué)，提出以分類實驗項目卡作為實驗教學(xué)改革的切入點，提出以下改革和實踐方法：

（1）針對學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)問題。在簡單驗證實驗的基礎(chǔ)上增加綜合性、設(shè)計性實驗項目的比例［13］。根據(jù)本專業(yè)學(xué)生特點和人才培養(yǎng)方案目標(biāo)，將信號處理類實驗課的綜合性、設(shè)計性實驗設(shè)置比例提高至62.5%。例如“數(shù)字信號處理”課程的實驗學(xué)時數(shù)16 學(xué)時，分8 周完成，其中設(shè)計性和綜合性實驗學(xué)時數(shù)10 學(xué)時。

（2）針對學(xué)生解決實際問題能力和對實驗認(rèn)知程度的不同，采用開放式實驗教學(xué)法。即把每個實驗項目進(jìn)行難度等級劃分，分解為2 或3 個子項目，子項目下設(shè)ABC三個難度層級（由A 向C 難度系數(shù)遞增），實驗成績由難度層級系數(shù)和完成情況折合而來。這樣既保證基礎(chǔ)薄弱同學(xué)完成基礎(chǔ)實驗，又可以提供部分學(xué)生項目更高難度項目挑戰(zhàn)的機會。表1 所示給出了數(shù)字信號處理課程的實驗項目的具體設(shè)置。

（3）針對工程認(rèn)證背景下創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案中，對學(xué)生實際工程問題解決和處理能力的培養(yǎng)要求，實驗項目中“綜合設(shè)計性”實驗采用項目驅(qū)動式實踐方法。主要方法如下：學(xué)生自由結(jié)組，一般5 ～8 人1 組，共同完成項目，組內(nèi)推薦項目組長，小組討論生成任務(wù)分工，主要由方案設(shè)計、程序設(shè)計、仿真執(zhí)行、過程控制和項目匯報等幾部分構(gòu)成，學(xué)生可根據(jù)個人特長進(jìn)行任務(wù)選擇。最終每組將實驗項目的結(jié)果以視頻的形式提交給指導(dǎo)教師，課上完成學(xué)生答辯、演示和教師總結(jié)。指導(dǎo)教師會將制作優(yōu)良、設(shè)計完整，有代表性的實驗視頻上傳至網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，供全體學(xué)生交流學(xué)習(xí)。

（4）鼓勵學(xué)生課后完成對實驗的升級驗證和仿真測試。即在課上完成實驗內(nèi)容基礎(chǔ)上，可利用課下時間完成更高難度實驗項目，并提升該學(xué)時實驗成績。

2.2.3 教改成效

通過項目驅(qū)動式實驗教改，實現(xiàn)了一般實驗與復(fù)雜實驗、驗證性實驗與綜合性試驗、課堂實驗與課后實驗的有機結(jié)合，實驗內(nèi)容全面并有代表性，實驗形式趨于工程化，提升了實驗效果，滿足了人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求。

以我校電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為例，在“有限長單位沖激響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器設(shè)計”實驗中，45%學(xué)生選擇了實驗卡A窗函數(shù)法設(shè)計FIR數(shù)字濾波器，35%學(xué)生選擇了實驗卡B 頻率采樣法設(shè)計FIR 數(shù)字濾波器，25%的學(xué)生選擇了實驗卡C 利用FIR數(shù)字濾波器消除音樂中的噪聲；課上完成率100%，課后50%的學(xué)生選擇了自學(xué)并完成高一層級難度的實驗卡，提高了實驗成績。

2.3 項目驅(qū)動畢業(yè)設(shè)計

2.3.1 教改提高畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量

我校目前畢業(yè)設(shè)計選題鼓勵教師把控、學(xué)生自擬生成畢業(yè)設(shè)計題目，因此每年畢業(yè)設(shè)計題目均以實際應(yīng)用型為主，圍繞信號處理類子項目進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計，具體實施方法如下：

表1 數(shù)字信號處理課程的實驗項目

（1）將多個可行性綜合項目進(jìn)行模塊化，劃分成相互獨立但有關(guān)聯(lián)的若干子課題，以此制定畢業(yè)論文（設(shè)計）題目。依據(jù)學(xué)生特點，進(jìn)行題目分配和任務(wù)分工。往年課題如圖5 所示。

圖5 2019屆學(xué)生畢業(yè)設(shè)計選題截圖

（2）對畢業(yè)論文（設(shè)計）題目的技術(shù)分析，主要包含了項目的先進(jìn)性和設(shè)計可行性，作出全面評估，并告知學(xué)生設(shè)計難點、創(chuàng)新點。

（3）畢業(yè)設(shè)計過程按項目制把控，做到時間節(jié)點規(guī)定明確，內(nèi)容完成度要求清晰，定期進(jìn)行答疑、探討和項目進(jìn)度匯報，鼓勵一個綜合項目中各個子項目人員之間增加溝通。

通過上述方案，將畢業(yè)設(shè)計過程交由學(xué)生自主把控，提高了學(xué)生獨立解決工程問題的能力和積極性。教師負(fù)責(zé)全面把控流程，提供適時技術(shù)支持。

2.3.2 畢業(yè)設(shè)計反哺教改應(yīng)用

將畢業(yè)設(shè)計中的優(yōu)秀設(shè)計，納入實訓(xùn)、實驗等實訓(xùn)課程環(huán)節(jié)和理論教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生對信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理課程形成更加直觀、形象的認(rèn)知，對整個培養(yǎng)環(huán)節(jié)形成更加深入的了解。

圖6、7 所示是2018 屆畢業(yè)生利用GUI 平臺設(shè)計的關(guān)于信號處理的實驗平臺。該同學(xué)主要設(shè)計和完成了“信號與系統(tǒng)仿真教學(xué)實驗平臺”的主界面和主菜單。該畢業(yè)設(shè)計的平臺在信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中得到應(yīng)用。

圖6 信號與系統(tǒng)可視化交互仿真設(shè)計

圖7 信號與系統(tǒng)可視化交互仿真平臺項目——連續(xù)信號的時域分析

圖8、9 所示分別是2019 屆畢業(yè)生設(shè)計的數(shù)字信號處理仿真平臺的主頁面和主菜單。該畢業(yè)設(shè)計的平臺在數(shù)字信號處理課程教學(xué)中得到應(yīng)用，鑒于Matlab編譯器可以將m 文件直接編譯為可以獨立運行的.exe可執(zhí)行文件，在理論教學(xué)中可以不用依賴于Matlab仿真環(huán)境，就可執(zhí)行獨立的exe文件進(jìn)行仿真，執(zhí)行速度也優(yōu)于原m 文件［14］，因此在課堂教學(xué)中將畢業(yè)生設(shè)計的GUI平臺進(jìn)行文件打包發(fā)布，就可以進(jìn)行仿真演示，因此教學(xué)效果較好。

圖8 數(shù)字信號處理仿真平臺設(shè)計

圖9 數(shù)字信號處理仿真平臺項目——離散信號分析

3 結(jié) 語

在以學(xué)生為中心的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)下，將人才培養(yǎng)的模式從“獲得知識”改變?yōu)椤芭囵B(yǎng)能力”［15］。基于該目標(biāo)，對信號處理類課程在教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行融合，在理論教學(xué)方法、實驗教學(xué)模式、畢業(yè)設(shè)計方式上進(jìn)行“三層項目驅(qū)動”式教學(xué)改革和實踐。通過教學(xué)改革與實踐，大大提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，調(diào)動了學(xué)生的參與性，激發(fā)了學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力。“三層項目驅(qū)動”式教學(xué)改革方法為以學(xué)生為中心的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)奠定了良好的基礎(chǔ)。