面向過程考核的數字信號處理實驗教學方法

王秋生，富 立，崔 勇

（北京航空航天大學機械與控制工程國家級（虛擬仿真）實驗教學中心，北京 100191）

0 引言

數字信號處理（Digital signal processing，DSP）技術在通信工程、電子信息、自動控制、生物醫學、人工智能、遙感遙測、航空航天等領域得到了廣泛應用，是影響現代社會、經濟、國防等領域發展的重要技術。數字信號處理課程受到國內外高等院校的普遍重視，已經成為理工科院校相關專業的必修課程或優選課程。我校自動化學院于2017 年將數字信號處理作為核心課程，面向大學本科三年級學生開設（40 學時），并設置了硬件與軟件相結合的實驗課程（16 學時）。

數字信號處理課程具有基礎性、抽象性、系統性與實踐性的顯著特點。經過國內外高校教師的共同努力，目前擁有了比較完善的教材體系，且高質量的教材與參考書不斷涌現［1-4］。與此同時，在教學探索與實踐上也卓有成效，主要包括：精品課程建設、課堂教學方法、實驗教學方法、仿真實驗教學、多媒體教學、MOOC建設、教學改革實踐等，豐富的教學成果推動著課程教學質量不斷提高［5-12］。

作為教學活動的重要組成部分，數字信號處理實驗在鞏固基礎知識、培養實踐意識、提高創新能力等方面有著不可替代的作用。但是受到實驗條件、實驗內容、管理模式等多種主觀與客觀因素制約，根據公開發表的教學文獻，對課程實驗教學方法探索仍然是薄弱環節，如何提高實驗教學質量仍然是課程教學的熱點問題。

數字信號處理的實驗教學既要培養學生的技術性能力（包括知識理解、知識掌握與知識運用等傳統能力），又要培養學生的非技術性能力（包括溝通交流、質疑辯論等現代能力），以適應新工科發展的客觀要求。以實驗結果為導向的傳統教學模式，無法協同提升學生的技術性能力與非技術性能力，因此探索嶄新的實驗教學方法勢在必行。

探索并實踐數字信號處理實驗教學方法，以期實現考核模式的轉變——從面向結果的考核轉變為面向過程的考核。通過評價實驗過程與實驗結果，調動了學生學習的主動性，提高實驗課程的教學效率，以此面向第四次工業革命需求協同培養學生的綜合能力。

1 基本思想

針對數字信號處理傳統實驗教學方法的局限性，提出了面向過程考核的實驗教學方法，將實驗教學中面向單一目標（實驗結果）的片面考核，轉化為面向多個目標（階段過程與最終成果）的協同考核，協同培養學生的綜合能力，以適應現代企業的未來發展需求，特別是第四次工業革命對創新型人才的需求，如圖1 所示。在學習工廠（Learning Factory）教學模式下，賦予傳統能力與現代能力嶄新內涵，不再贅述。

圖1 面向過程考核的實驗教學目標

為了實現圖1 所示的教學目標，在實驗教學方法探索中遵循面向過程考核的思想：①將數字信號處理的每個實驗劃分為若干個組成部分，且每個部分都有可展示的階段性結果，并設定相應的評分標準。②依據評分標準對每一部分的完成情況進行現場考核（包括技術性與非技術性考核），并作為本次實驗成績；③加權處理所有實驗成績與實驗報告成績，作為課程實驗的最終成績。

與傳統的實驗教學方法不同，提出的面向過程考核的實驗教學方法，不僅考核每次實驗的階段性成果，而且考核學生課后提交的實驗報告。受實驗內容限制，雖然受實驗內容限制，很難全面覆蓋傳統能力與現代能力，但是通過檢查學生的階段性成果，可以實現技術能力的考核；通過教師與學生的交流，可以實現非技術能力考核；通過綜合評價個體完成與總體完成情況，可以實現多人實驗的協同考核，進而確定每個學生的能力達成情況。

值得注意的是，面向過程考核的實驗教學方法必須解決兩個關鍵問題：①設計面向過程考核方法的工作流程；②教學方法要通過教學檢驗。

2 工作流程

根據數字信號處理實驗課程要求，結合上述教學思想，設計了面向過程考核的工作流程，如圖2 所示，它包含準備實驗、指導實驗、實驗考核與確定成績等4個階段，覆蓋了課程實驗教學的全過程，其中陰影部分與面向過程考核直接相關。

圖2 面向過程考核的實驗教學方法

（1）實驗準備階段。①按照實驗內容的難度系數與實驗結果的可展示度，將每個實驗劃分為若干個組成部分，而每個部分有可展示的成果。②針對每個組成部分設置考核指標，包括現場考核指標與實驗報告指標，分別用于現場考核成績與實驗報告成績評定。③將實驗內容及其考核標準以電子郵件或教學網站方式提供給學生，要求學生預習實驗內容、知曉考核標準。

（2）指導實驗階段。①指導教師簡要地講解實驗背景與原理，給出注意問題及考核標準。②學生依據實驗內容要求，按照既定順序開展DSP的硬件實驗或基于Matlab的軟件實驗。③指導教師巡視實驗，隨時解答學生的疑問，并對共性問題提出建議。指導教師的主要職責不是依據考核標準回答問題，而是啟發學生如何針對實驗要求提出有創造性的實驗方法。

（3）實驗考核階段。在進行面向過程的實驗現場考核時，①要求學生對實驗內容進行分項陳述，包括實驗原理、參數設置、實驗方法、實驗結果等內容；②針對學生的口頭陳述情況、匯報準確度等方面，按照既定評分標準進行現場打分；③指導教師指出實驗中存在的瑕疵或問題，給出改正的建議與意見，要求學生弄清問題所在，實現有針對性地持續改進。

（4）確定成績階段。①針對學生提交的實驗報告，按照第1 階段的考核指標進行逐項考核，側重于實驗結果的分析與討論；②對實驗報告中出現的問題或瑕疵，進行符號標識，以便分析共性問題、實現持續改進；③將實驗現場考核成績與實驗報告成績加權求和，作為學生開展數字信號處理實驗的最終成績。

該過程考核的實驗教學方法，核心工作集中在“實驗現場考核”階段，既評定了學生的技術能力，又考核了學生的非技術能力。現場考核階段的權重占80%，而實驗報告部分只占20%，這與僅依靠實驗報告確定成績的傳統方法截然不同。圖2 所示的工作流程有如下特點：①對每項實驗進行現場考核，避免只關注實驗報告中提供結果的片面性；②將技術性與非技術性考核相結合，實現對能力的綜合考核；③要求學生現場陳述實驗內容與結果，有利于培養學生的非技術性能力；④以面向過程考核代替面向結果考核，使實驗成績更加客觀與公正。

3 實施流程

針對面向過程考核實驗教學方法的關鍵環節，設計了圖3 所示的教學方法實施流程，它包括確定考核指標、實驗現場考核、確定實驗成績等3 個模塊。

圖3 面向過程考核方法的實施流程

（1）確定考核指標。將每個實驗分解為若干個組成部分，綜合考慮實現難度、所選方法、復雜程度、獨立程度等因素，確定每一部分可展示內容的考核指標，包括現場考核指標與實驗報告指標，前者用于實驗現場考核，而后者用于評定實驗報告。

（2）實驗現場考核。學生在考核階段陳述基本原理、實現方法、參數選擇、實驗結果等實驗內容。指導教師針對陳述內容與實驗結果，按照考核指標給出實驗成績，同時指出實驗與陳述中存在的瑕疵與改進建議，要求學生將改進內容寫入實驗報告。

（3）確定綜合成績。實驗成績包含現場考核成績與實驗報告成績兩部分。前者是學生陳述內容、回答提問、實驗結果等成績的加權組合，后者是報告質量、實驗結果、分析討論等成績的加權組合。特別地，前者在總成績中所占的比重遠大于后者所占的比重。

圖3 所示的面向過程考核的實施流程，能夠協同培養學生的綜合能力（包括技術能力與非技術能力）：①通過學生陳述實驗內容并回答現場提問，培養學生利用科技語言表達與溝通能力；②通過學生按照分階段方式完成實驗內容，側重培養學生分析復雜工程問題能力；③通過撰寫實驗報告，側重培養學生運用科技語言的寫作能力與邏輯思維能力。

4 教學效果

基于面向過程考核的實驗教學方法，開展了為期2 年的教學實踐。數字信號處理實驗內容包括4 個硬件與3 個軟件實驗，將每個實驗劃分為A、B、C、D、E 5個階段（部分實驗為4 個階段），考核成績分配如表1所示。指導教師依據考核標準對所有實驗進行現場考核，其中現場考核成績占80 分、實驗報告成績占20分，所占比重為4∶1。

表1 面向過程考核的實驗成績分配情況

在為期2 年的教學實踐中，對比傳統實驗教學方法，采用過程考核實驗教學方法取得了良好效果：①學生能夠自覺地開展課程實驗，拷貝他人實驗結果的現象很少；②學生能夠在實驗之前充分預習實驗指導書，明顯地提高了實驗效率；③學生能夠在實驗之前復習相關章節，加深了所學知識的理解程度；④學生能夠系統地組織實驗素材與實驗結果，實驗報告質量得到了明顯提高；⑤通過指導教師在實驗現場與學生溝通與交流，提高了學生的非技術能力。以第7 個實驗“數字心電圖信號的濾波技術”為例，由于實驗內容較多且難度較高，在2017 年以前實驗報告雷同較多，但實施面向過程考核之后，很難再看到實驗報告雷同情況。

與此同時，學生對數字信號處理實驗的認可度大幅提升。以2019 年春季學期的課程實驗為例，經過問卷調查統計，學生對實驗課程的滿意度達到95%以上，學生通過課程實驗，既學習到了技術性能力，又學到了非技術性能力，各項能力的達成情況如圖4 所示，實現了多種能力的協同達成，面向過程考核的實驗教學方法成功得到了實驗教學檢驗。

圖4 面向過程考核實驗教學方法的能力達成情況

特別提出的是面向過程考核的實驗教學方法，其核心理念與教育部專業認證的教學理念是一致的。①通過面向過程的實驗考核，提高了學生解決復雜工程問題能力；②面向過程考核的實驗教學克服了單純依據實驗結果考核的片面性；③通過面向過程的考核環節，指導教師可以全面地掌握課程情況；④協同培養了學生的非技術性能力，特別是運用科技語言交流能力；⑤指導教師可以及時獲得反饋信息，為課程持續改進提供了客觀依據。

5 結語

針對數字信號處理課程傳統實驗教學的局限性，提出了面向過程考核的實驗教學方法，闡述了它的基本思想、工作流程及面向過程考核的實施過程；結合為期2 年的實驗教學工作，簡述了該教學方法取得的實際效果，調查結果表明，它可以實現各項能力的協同培養。面向過程考核的實驗教學方法與教育部專業認證的理念完全一致。