徐以濤,江 漢,童曉兵,張玉明
(陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210007)
在2011 年漢諾威博覽會(huì)上,德國(guó)首次提出了工業(yè)4.0的概念,隨后其他國(guó)家也紛紛出臺(tái)了類似的國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃[1-2]。第四次工業(yè)革命的到來(lái),促使工程教育進(jìn)行全方位的變革,“新工科”改革倡議正是我國(guó)工程教育面對(duì)新的工業(yè)革命所做出的積極回應(yīng)[3-4]。
新工科發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)我國(guó)高等工程教育提出了新要求,更加注重學(xué)生創(chuàng)新思維、工程實(shí)踐等多方面能力的培養(yǎng)。以“數(shù)字信號(hào)處理”課程為例,其相關(guān)理論和技術(shù)近三十年來(lái)取得了飛躍性發(fā)展,已經(jīng)滲透到生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域;“數(shù)字信號(hào)處理”不僅是電子工程、通信工程、語(yǔ)音處理、圖像處理等傳統(tǒng)本科專業(yè)的核心課程,同樣也成為大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)工程等新工科專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程。因此,開展面向新工科的“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)改革與實(shí)踐,適應(yīng)新工科的發(fā)展變化需求,具有重要意義。
本文以提高學(xué)生綜合運(yùn)用能力、創(chuàng)新思維能力、自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力等“四力”培養(yǎng)為目標(biāo),探討了“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)改革的舉措和方法,為提高“數(shù)字信號(hào)處理”的整體教學(xué)水平和效果等提供有力支撐。
“數(shù)字信號(hào)處理”是一門理論性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程,包含了很多抽象概念和理論,一些定理和結(jié)論的推導(dǎo)涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)過程,對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)功底要求較高,與“高等數(shù)學(xué)”“復(fù)變函數(shù)”“信號(hào)與系統(tǒng)”等先修課程的相關(guān)內(nèi)容聯(lián)系緊密。此外,“數(shù)字信號(hào)處理”又是一門理論和應(yīng)用結(jié)合非常密切的課程,教學(xué)內(nèi)容在實(shí)際科研、工程中有廣泛的應(yīng)用環(huán)境,扎實(shí)掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本原理和方法,對(duì)后續(xù)“數(shù)字通信原理”“語(yǔ)音信號(hào)處理”“圖像處理”等專業(yè)課程的學(xué)習(xí),提高工程實(shí)踐能力具有重要的意義。
“數(shù)字信號(hào)處理”課程在教學(xué)實(shí)施過程中面臨很大的挑戰(zhàn),普遍存在“難教難學(xué)”的問題。課程建設(shè)與新工科人才培養(yǎng)從知識(shí)到能力轉(zhuǎn)化的需求還存在一定差距,在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)資源建設(shè)等各方面,仍存在一些共性問題,具體表現(xiàn)在:
(1)教學(xué)內(nèi)容上各知識(shí)模塊相對(duì)獨(dú)立,前后缺乏有機(jī)關(guān)聯(lián),以定義、定理以及相關(guān)性質(zhì)介紹為主,缺少綜合知識(shí)應(yīng)用做支撐,難以體現(xiàn)綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)。
(2)內(nèi)容的數(shù)學(xué)公式多、概念多,學(xué)生以被動(dòng)接受和記憶信息為主,停留在淺層次學(xué)習(xí);教學(xué)方法以理論講授為主,探究式、案例式方法采用較少,難以鍛煉學(xué)員創(chuàng)新思維能力。
(3)配套教學(xué)資源建設(shè)不夠完善,缺少以核心知識(shí)點(diǎn)為主、碎片知識(shí)點(diǎn)為輔的微課、慕課支撐;實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)以驗(yàn)證性為主,缺乏綜合性、拓展性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,支撐學(xué)生參加各類科技創(chuàng)新競(jìng)賽的平臺(tái)資源薄弱,學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力得不到鍛煉。
(4)理論和實(shí)踐脫節(jié),缺乏典型工程應(yīng)用案例做支撐,難以做到“學(xué)以致用”;在課堂引入、應(yīng)用實(shí)例、知識(shí)拓展等層面與信息技術(shù)發(fā)展和實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用關(guān)聯(lián)度不夠,學(xué)生工程實(shí)踐能力得不到有效鍛煉。
國(guó)內(nèi)大多數(shù)理工科院校都開設(shè)了“數(shù)字信號(hào)處理”課程,相關(guān)教學(xué)團(tuán)隊(duì)開展了多種多樣的教學(xué)改革和實(shí)踐。例如,電子科技大學(xué)胡彭啟琮教授和西安電子科技大學(xué)的高西全教授等對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程進(jìn)行了較為全面的探索和改革,從教學(xué)內(nèi)容、教材建設(shè)、教學(xué)方法、考核方式等多方面入手,全面提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握[5-7]。解放軍信息工程大學(xué)的張冬玲等老師運(yùn)用工科思維方式來(lái)啟發(fā)學(xué)生,探究各種數(shù)字信號(hào)處理方法產(chǎn)生的背景和原因,讓學(xué)生明白知識(shí)應(yīng)用的場(chǎng)合或使用的范疇[8]。趙發(fā)勇等老師采用基于問題學(xué)習(xí)的探究式教學(xué)方法,讓學(xué)生通過實(shí)際的現(xiàn)象提出問題、分析問題、解決問題,實(shí)現(xiàn)師生教學(xué)互動(dòng)的教學(xué)模式,引導(dǎo)學(xué)生深入思考,主動(dòng)學(xué)習(xí)[9]。楊毅明和丑永新等老師對(duì)課程的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了改革,將實(shí)際的工程案例融入課堂教學(xué),使學(xué)員在實(shí)踐中學(xué)習(xí)和運(yùn)用理論知識(shí),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)效率[10-11]。
綜上所述,經(jīng)過多年的改革和實(shí)踐,“數(shù)字信號(hào)處理”課程建設(shè)取得了較大的進(jìn)步,但是對(duì)標(biāo)新工科背景下的人才培養(yǎng)需求,仍然存在一定的差距,因此,深入開展有針對(duì)性的“數(shù)字信號(hào)處理”教學(xué)改革勢(shì)在必行。增加研究性、創(chuàng)新性、綜合性教學(xué)內(nèi)容,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式和個(gè)性化學(xué)習(xí),培養(yǎng)深度分析、大膽質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神和能力,實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力、素質(zhì)等培養(yǎng)目標(biāo)的有機(jī)融合。
本文結(jié)合“數(shù)字信號(hào)處理”的課程定位和特點(diǎn),以綜合運(yùn)用能力、創(chuàng)新思維能力、自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力等四個(gè)方面的能力培養(yǎng)為抓手,提出改革思路和方法,優(yōu)化課程內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)方法、拓展教學(xué)資源、探索“數(shù)字信號(hào)處理”的教學(xué)實(shí)踐模式,為面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的“數(shù)字信號(hào)處理”課程建設(shè)提供新思路。
著眼于“注重基礎(chǔ)理論、面向工程應(yīng)用、適應(yīng)技術(shù)發(fā)展”,以共同性的“基本概念、基本理論和基本方法”內(nèi)容為基礎(chǔ),以“實(shí)踐環(huán)節(jié)”內(nèi)容為橋梁,以“典型應(yīng)用”內(nèi)容為牽引,對(duì)原有的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重組和優(yōu)化。按離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域分析、離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的頻域分析、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)和多抽樣率信號(hào)處理四個(gè)模塊重組和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容體系,建立知識(shí)圖譜,如圖1所示,刪減與相關(guān)課程重疊、過時(shí)的內(nèi)容,突出頻譜分析和數(shù)字濾波的具體應(yīng)用,增加和實(shí)際工程關(guān)聯(lián)緊密的綜合應(yīng)用案例,形成服務(wù)于培養(yǎng)學(xué)員綜合應(yīng)用能力的課程內(nèi)容體系。

圖1 “數(shù)字信號(hào)處理”知識(shí)圖譜
(1)橫向關(guān)聯(lián),強(qiáng)調(diào)各知識(shí)模塊之間的內(nèi)在聯(lián)系。以頻譜分析為例,從Z變換到離散時(shí)間傅里葉變換,再到周期序列離散傅里葉級(jí)數(shù),最后到離散傅里葉變換,幾種變換既有區(qū)別,又有聯(lián)系,遵循從一般到特殊、從單域離散到時(shí)頻域皆離散化的過程。講解時(shí)不能孤立地理解,一定要相互聯(lián)系、相互比較,對(duì)加強(qiáng)頻譜分析的物理含義、綜合理解與應(yīng)用起到畫龍點(diǎn)睛的作用。
(2)縱向落實(shí),突出從理論到實(shí)現(xiàn)的綜合應(yīng)用。“數(shù)字信號(hào)處理”課程理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)公式多、推導(dǎo)多,學(xué)生很容易把學(xué)習(xí)重點(diǎn)放在理論計(jì)算、公式記憶上,滿足于通過考試而忽略了知識(shí)的加工、應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)在基本知識(shí)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上,打通理論支撐——知識(shí)要素——設(shè)計(jì)方法——工程應(yīng)用的綜合能力培養(yǎng)路徑,向應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)落實(shí)。應(yīng)當(dāng)增加體現(xiàn)知識(shí)綜合運(yùn)用的大型作業(yè)或思考題,強(qiáng)化設(shè)計(jì)方法和工程應(yīng)用能力的訓(xùn)練,真正掌握數(shù)字信號(hào)處理理論和方法的內(nèi)涵,能夠靈活運(yùn)用。
結(jié)合教師自身科研工作經(jīng)驗(yàn),將數(shù)字信號(hào)處理科研成果融入課堂,反哺教學(xué)。采用問題式、啟發(fā)式和研討式教學(xué)方法,提高學(xué)員創(chuàng)新思維能力和解決復(fù)雜問題的能力。
(1)以科研促教學(xué)。針對(duì)課程的具體知識(shí)點(diǎn),充分挖掘其歷史背景和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用,及時(shí)將最新的科研成果內(nèi)化為教學(xué)內(nèi)容。例如,在介紹快速傅里葉變換FFT時(shí),結(jié)合4G/5G移動(dòng)通信OFDM系統(tǒng)的實(shí)例,拓展FFT在多載波調(diào)制和解調(diào)中的應(yīng)用,豐富學(xué)生對(duì)FFT的理解。精心完成問題的構(gòu)建,剖析解決問題的思路,并列舉典型應(yīng)用實(shí)例。例如,在講解濾波器設(shè)計(jì)方法時(shí),將科研中的話音干擾濾除問題引入FIR濾波器的教學(xué)中,通過圖2的FIR濾波器設(shè)計(jì)過程啟發(fā)學(xué)員深入思考,用理論和實(shí)例的有機(jī)結(jié)合激發(fā)其創(chuàng)新性思考。

圖2 FIR濾波器設(shè)計(jì)過程
(2)深度學(xué)習(xí)。常見的學(xué)習(xí)方法有兩種,即對(duì)知識(shí)的“淺層”加工方法和“深度”加工方法,分別稱為“淺層學(xué)習(xí)”和“深度學(xué)習(xí)”[12]。淺層學(xué)習(xí)指被動(dòng)接受和記憶信息,并將其作為獨(dú)立、無(wú)關(guān)的事實(shí),它只是膚淺地掌握考試內(nèi)容,并未促進(jìn)理解或長(zhǎng)期保留知識(shí)與信息。深度學(xué)習(xí)是指學(xué)習(xí)者使用高級(jí)認(rèn)知技能(如分析、綜合、解決問題和元認(rèn)知的能力)處理信息并構(gòu)建長(zhǎng)期而深刻的理解。它涉及對(duì)新思想的批判性分析,將新思想與已知概念和原理相關(guān)聯(lián),并應(yīng)用于解決新的情境中的問題。以窗函數(shù)知識(shí)點(diǎn)為例,它是由FIR濾波器設(shè)計(jì)引出,從最簡(jiǎn)單的矩形窗進(jìn)行分析,得出加窗后對(duì)性能帶來(lái)的影響,理解吉布斯效應(yīng)的存在,這個(gè)過程屬于淺層次的學(xué)習(xí)。在深入分析FIR濾波器性能與加窗長(zhǎng)度、窗函數(shù)主瓣旁瓣特性、窗函數(shù)類型等內(nèi)在關(guān)系后,采用理論分析、仿真驗(yàn)證等手段,得出窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR的一般規(guī)律、性能折衷、優(yōu)化提升等方法,才算真正掌握了窗函數(shù)的內(nèi)涵;其次,有了窗函數(shù)的系統(tǒng)知識(shí)后,可以和前面已講授過的DFT頻譜分析進(jìn)行關(guān)聯(lián),進(jìn)而得出頻譜泄露誤差產(chǎn)生的根本原因,啟發(fā)學(xué)生利用加窗法改進(jìn)頻譜分析性能,這樣就提高了學(xué)生分析、綜合和解決問題的高級(jí)認(rèn)知能力。
從被動(dòng)教學(xué)向主動(dòng)學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變,從教師為中心的教學(xué)方法向?qū)W生為中心的學(xué)習(xí)活動(dòng)的轉(zhuǎn)變,可培養(yǎng)學(xué)生引向更深層次的理解和更高水平的自主學(xué)習(xí)技能。
(1)創(chuàng)建線上學(xué)習(xí)環(huán)境。信息技術(shù)拓寬了學(xué)習(xí)環(huán)境的概念,使學(xué)習(xí)體驗(yàn)可以擴(kuò)展到傳統(tǒng)課堂之外。學(xué)生通過在線平臺(tái)和移動(dòng)學(xué)習(xí)設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)和任何形式的學(xué)習(xí)活動(dòng)。以傅里葉變換、濾波器設(shè)計(jì)等重難點(diǎn)內(nèi)容為主、以線性卷積、因果穩(wěn)定性判斷、典型窗函數(shù)等知識(shí)碎片為輔開展微課、慕課資源建設(shè),方便學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí),對(duì)關(guān)注的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析、比較和綜合學(xué)習(xí);構(gòu)建與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的文獻(xiàn)資料庫(kù)以及技術(shù)發(fā)展介紹,拓展學(xué)生的知識(shí)面;采用形式多樣的在線學(xué)習(xí)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)在線討論、實(shí)時(shí)交流、信息發(fā)布,開展在線作業(yè)與考試,在線實(shí)驗(yàn)與研究,以增強(qiáng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。
(2)開展合作學(xué)習(xí)。合作學(xué)習(xí)是在教師指導(dǎo)下,以合作學(xué)習(xí)小組為單位,系統(tǒng)地利用教學(xué)中各種動(dòng)態(tài)因素之間的互動(dòng),促進(jìn)學(xué)生進(jìn)步,以個(gè)體和整體的成績(jī)?yōu)樵u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),共同達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)活動(dòng)。合作式學(xué)習(xí)的根本特點(diǎn)是小組活動(dòng),通過小組內(nèi)成員的各方面差異,使活動(dòng)的組織與開展具有一定的互補(bǔ)性。
在“數(shù)字信號(hào)處理”教學(xué)過程中,鼓勵(lì)學(xué)生利用微信、QQ、釘釘?shù)壬缃卉浖?chuàng)建學(xué)習(xí)社區(qū),激發(fā)自主學(xué)習(xí)熱情。老師從圖1所示的知識(shí)圖譜中提取合適的主題,讓學(xué)生分小組進(jìn)行討論。對(duì)于基本的概念主題,小組分工后,協(xié)作查找資料,小組討論后直接給出結(jié)論;對(duì)于進(jìn)階的辨析主題,除了分組討論數(shù)字信號(hào)處理的基本理論外,還需要發(fā)揮組內(nèi)學(xué)生各自特長(zhǎng),分別開展理論推導(dǎo)和仿真驗(yàn)證;有些主題內(nèi)容較深,則需進(jìn)行全班集體討論,或者小組討論后再進(jìn)行各小組辯論等。討論主題的產(chǎn)生、分發(fā),資料的整理、消化,小組的匯報(bào)、討論以及辯論等,學(xué)生都是主動(dòng)參與者。合作式學(xué)習(xí)整個(gè)過程可提高學(xué)生的參與度,使其自主學(xué)習(xí)能力得到鍛煉提高。
(1)引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn),增強(qiáng)應(yīng)用實(shí)踐體驗(yàn)。數(shù)字信號(hào)處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上,運(yùn)用了虛擬儀器技術(shù)、云計(jì)算技術(shù),能夠替代信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)室中多種傳統(tǒng)儀器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[13-14]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)室設(shè)備繁多、儀器重復(fù)購(gòu)置、利用率低、儀器損壞率高的問題,可以為信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)提供方便、簡(jiǎn)潔、高效的實(shí)驗(yàn)儀器。通過與信號(hào)處理專業(yè)現(xiàn)有的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)驗(yàn)虛擬化,打破實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空間和時(shí)間的束縛,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率;在增強(qiáng)沉浸式學(xué)習(xí)逼真度的同時(shí),也讓學(xué)生能更加清晰、明確的了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用圖形化積木式的編程語(yǔ)言,以流程圖形式編程,提供了豐富數(shù)值分析、信號(hào)處理和設(shè)備驅(qū)動(dòng)等功能,直觀圖形化的編程接口可以彌補(bǔ)Matlab仿真的內(nèi)生不足,學(xué)生可以方便地建立自己的虛擬儀器,使得編程和使用都生動(dòng)有趣。通過精心設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,搭建起理論到工程實(shí)踐的橋梁。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋多種波形發(fā)生器、信號(hào)時(shí)域及頻域分析、FFT計(jì)算蝶形調(diào)整、數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)和參數(shù)調(diào)整,可直觀顯示系統(tǒng)模塊參數(shù)調(diào)整后對(duì)信號(hào)處理性能的影響。可對(duì)信號(hào)處理理論及實(shí)現(xiàn)中抽象的、難以理解的概念進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬仿真,從而清晰、感性地再現(xiàn)多種信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐教學(xué)效果。
(2)依托Matlab和eZdsp實(shí)踐平臺(tái),設(shè)計(jì)典型工程案例庫(kù)。在開展數(shù)字信號(hào)處理實(shí)踐教學(xué)時(shí),經(jīng)常感覺到學(xué)生們?cè)谛盘?hào)處理理論和實(shí)踐方面的脫節(jié),學(xué)生大都害怕或不愿接觸實(shí)踐開發(fā)環(huán)節(jié),即使開始動(dòng)手實(shí)驗(yàn),也容易讓一些“似是而非”的程序錯(cuò)誤打擊信心。存在上述現(xiàn)象的主要原因是平時(shí)缺少典型工程案例實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練,在理論算法和工程實(shí)現(xiàn)之間存在巨大的鴻溝。
通過全面梳理數(shù)字信號(hào)理論知識(shí)點(diǎn),以Matlab仿真軟件和eZdsp實(shí)踐平臺(tái)為基礎(chǔ),建立典型的工程案例庫(kù),精心設(shè)計(jì)具體實(shí)踐案例,把晦澀難懂的理論推導(dǎo)換之以物理概念的理解和啟發(fā)思考的實(shí)驗(yàn)題目,學(xué)生依據(jù)案例指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展相應(yīng)的仿真驗(yàn)證,也可通過不同案例模塊組合,實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。基于工程案例開展的實(shí)踐教學(xué),可有效培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思維,增強(qiáng)工程實(shí)踐能力。部分工程案例庫(kù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 典型工程案例庫(kù)
伴隨著大數(shù)據(jù)、人工智能和互聯(lián)網(wǎng)+等新一輪科技革命,以及“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略的需要,圍繞新理念、新模式、新體系,重塑學(xué)生工程實(shí)踐能力成為當(dāng)前高等工程教育領(lǐng)域改革的前沿。本文結(jié)合新工科建設(shè)新要求,全面分析探討了“數(shù)字信號(hào)處理”課程改革的必要性及建設(shè)新思路,針對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)存在的共性問題,以聚焦提高學(xué)生綜合運(yùn)用能力、創(chuàng)新思維能力、自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力等為目標(biāo),提出了針對(duì)性的改革方法及建議,對(duì)促進(jìn)“數(shù)字信號(hào)處理”教學(xué)研究與實(shí)踐、提高課程教學(xué)質(zhì)量,提供有益的幫助。