新工科和疫情背景下數字信號處理實驗教學方法的研究

吳 玲,曹 霞,鄔小林,李亞蘭

(1.湖北工程學院 物理與電子信息工程學院，湖北 孝感 432000；2.武漢晴川學院 電子信息學院，湖北 武漢 430074；3.湘南學院 物理與電子電氣工程學院，湖南 郴州 423000)

隨著“新工科”概念的提出，培養具有創新意識和數字化思維的新工科人才成為高校的工科人才培養目標。2020年初，全國 “新型冠狀病毒肺 炎”疫情爆發，教育部提出“停課不停教與學”。筆者所在學校借助互聯網開放教育資源已能解決大部分理論課程的網上教學問題。可是實驗教學需要借助實驗設備，實驗教學因此也缺乏充分的應對措施，因而實驗教學面臨著前所未有的壓力[1]。

“數字信號處理”是一門工程性很強的課程，也是后續專業課程的基礎和貫穿學科內容的紐帶。近年來，社會和企業對既掌握學科理論知識又掌握相關工程技術人才的需求呈爆發式增長。本文基于新工科和疫情背景，研究了“數字信號處理”的實驗教學，旨在幫助學生理解理論知識，并用來解決實際問題，培養學生的創新思維和創新能力。

1 數字信號處理實驗的教學改革思路

縱觀研究數字信號處理實驗課程教學的文獻，大致可以分為三類：第一類是基于傳統的實驗教學方法改革[2-3]。第二類是將虛擬仿真技術應用于實驗的教學方法[4-7]。第三類是與網絡數字資源結合的實驗教學方法[8]。結合新工科和疫情背景，本文從實驗內容、混合式實驗教學模式和實驗考核多元化模式三個方面探討數字信號處理實驗課程的教學方法。與傳統數字信號處理實驗教學相比，本文提出了基于Matlab GUI的虛擬仿真教學平臺與學習通結合的混合式實驗教學模式，具體的實驗教學改革思路如圖1所示。

圖1 數字信號處理實驗教學改革思路

2 實驗內容研究

以培養學生實踐能力為目標，圍繞數字信號處理的重難點知識，構建多層次和多類型的實驗內容體系來滿足不同基礎的學生的需求。多層次體現在實驗內容按照難易程度分為基礎實驗和拔高實驗。多類型體現在實驗不僅有傳統實驗教學中的驗證性實驗，還增加綜合實驗和設計實驗。具體如表1所示。

表1 數字信號處理實驗內容安排

3 實驗教學模式混合化

虛擬仿真實驗教學具備真實實驗不具備或難以完成的教學功能。尤其在疫情或者其他緊急情況下無法開展正常教學時，虛擬仿真實驗教學顯得尤為重要。采用Matlab虛擬仿真軟件中的GUI來搭建虛擬仿真實驗平臺，實現數字信號處理的基礎實驗和拔高實驗的相關功能，以增強實踐教學的直觀性和生動性。

超星學習通是翻轉課堂中的一種新穎而有效的教學方法。學生不再是課堂上被灌輸知識，而是在課堂上需要參與各種有意思的教學活動，比如討論、搶答等。數字信號處理實驗的原理講解和實驗演示非常適合采用視頻的形式來進行。教師在課前將錄制好的視頻發布到學習通，同時在學習通中還可以設置一些具有啟發式的問題。比如表1實驗2中，教師可以提出以下幾個問題：1)離散系統的頻率響應函數有什么物理意義？2)系統的極點分布與因果穩定性關系；3)零極點對系統的幅頻響應函數的影響？4)在濾波器設計中，如何設置零極點？學生通過學習通可以隨時隨地預習實驗，并對教師提出的問題進行思考和回答。同時在實驗中，教師可以根據學生的回答以及操作中的問題等進行有針對性的講解或者討論。

對比傳統的實驗教學，混合式實驗教學可以更好地促進學生積極思考，啟發學生的創新思維，培養學生的創新能力。

4 實驗考核方式多元化

根據筆者以往的教學經驗，發現傳統的實驗考核主要以實驗報告為主，存在抄襲現象嚴重、學生缺乏學習積極性等缺點。為了更好地提升學生實踐能力和創新能力，有必要對實驗考核方式進行改革。我們提出的多元化實驗考核方式如圖2所示。

圖2 多元化的實驗考核方案

除了實驗報告和實驗操作，該實驗考核的多元化體現在學習通中的實驗預習以及提問和回答問題環節。實驗預習占整體成績的20%，教師在學習通電腦端或者手機端可以查看學生預習情況，對于沒有預習的同學可以督促提醒。提問和回答問題環節占整體成績的20%，教師在發布每次實驗時，根據實驗內容設置部分思考題，學生可以在學習通中留言回答，該環節可以促進學生主動思考。另外，對于學生自主完成的拔高型實驗，教師可以根據完成情況額外加分。綜上所述，改革后的實驗考核方案更能促進學生的自主學習能力和創新能力的提高。

5 結束語

2020年下學期，筆者所在學校電子信息工程專業部分班級初步應用本文實驗教學方法，取得了如下的成效：1)大部分學生養成提前預習的習慣；2)通過思考學習通里的問題，培養了部分學生積極思考的創新思維能力；3)由于提前預習和思考，學生解決問題能力明顯提高。除了上述成效，也存在一些問題。如學生通過學習通觀看學習視頻遇到問題時無法與教師實時溝通，這也是后續要解決的問題。