新工科背景下研究生“現(xiàn)代信息與信號處理”課程教學(xué)改革與探索

王毅 趙飛 楊少川 郭慧 邸金紅

摘?要：本文面向“新工科”建設(shè)的內(nèi)涵和發(fā)展要求，針對電子信息類研究生學(xué)科基礎(chǔ)課“現(xiàn)代信息與信號處理”的教學(xué)改革展開初步探索。首先，從課程自身特點(diǎn)、內(nèi)容學(xué)時安排、考核組織形式等方面分析了該課程在以往教學(xué)過程中存在的主要問題。進(jìn)而，提出了梳理課程體系、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、增設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、豐富教學(xué)方式以及強(qiáng)化過程性考核等多個維度的教學(xué)改革的具體措施與路徑，由此不斷強(qiáng)化該門課程在電子信息類研究生培養(yǎng)過程中的基礎(chǔ)性作用。

關(guān)鍵詞：新工科；研究生；現(xiàn)代信息與信號處理；教學(xué)改革

1?概述

為主動應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，加快培養(yǎng)新興領(lǐng)域工程科技人才，改造升級傳統(tǒng)工科專業(yè)，主動布局未來戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域人才培養(yǎng)，自2017年以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，指出工科優(yōu)勢高校要對工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)揮主體作用，并先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”等指導(dǎo)性文件，提出了面向工程教育的“新理念”“新結(jié)構(gòu)”“新模式”“新質(zhì)量”和“新體系”五大建設(shè)內(nèi)涵。與此同時，我國為推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，實(shí)施“一帶一路”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等一系列重大戰(zhàn)略，對工程技術(shù)人才培養(yǎng)提出了新的更高要求，要求面向產(chǎn)業(yè)、面向世界、面向未來建設(shè)“新工科”。

根據(jù)新工科建設(shè)的發(fā)展要求，高校人才培養(yǎng)的內(nèi)涵發(fā)生重要變化，加快高等院校的工科專業(yè)課程教學(xué)改革和實(shí)踐勢在必行。以功率譜估計、維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾波器及應(yīng)用等經(jīng)典信號處理方法為代表的現(xiàn)代信息與信號處理技術(shù)是信息技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展最迅速的學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課之一，廣泛應(yīng)用于通信信號處理、雷達(dá)信號處理、語音信號處理等領(lǐng)域，涉及信息與通信工程、計算機(jī)科學(xué)技術(shù)、控制科學(xué)與工程等多個學(xué)科門類，該技術(shù)具有理論深、實(shí)踐強(qiáng)和應(yīng)用廣的特點(diǎn)。與之對應(yīng)的“現(xiàn)代信息與信號處理”課程內(nèi)容豐富，相關(guān)理論在信息技術(shù)前沿領(lǐng)域有著極為重要的作用，因此，諸多高校將該門課程作為電子信息類專業(yè)研究生的核心專業(yè)基礎(chǔ)課。在新工科建設(shè)背景下，做好“現(xiàn)代信息與信號處理”課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，對于加強(qiáng)電子信息類研究生的理論基礎(chǔ)，夯實(shí)研究生創(chuàng)新能力有著決定性影響，也直接關(guān)系到人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，如右圖所示。

“新工科”建設(shè)內(nèi)涵要求與培養(yǎng)方案、課程體系及教學(xué)實(shí)踐改革關(guān)系導(dǎo)圖

2?“現(xiàn)代信息與信號處理”課程教學(xué)現(xiàn)狀與問題剖析

“現(xiàn)代信息與信號處理”課程作為電子信息類研究生培養(yǎng)方案中的學(xué)位專業(yè)基礎(chǔ)課，是該專業(yè)研究生順利開展科研工作的重要理論支撐。如何通過設(shè)置合理的知識內(nèi)容體系、豐富的教學(xué)模式等以提升教學(xué)質(zhì)量關(guān)系到電子信息類研究生高質(zhì)量培養(yǎng)的目標(biāo)達(dá)成。許多高校對該課程進(jìn)行了前期的教學(xué)改革與實(shí)踐探索，雖然一定程度上改善了教學(xué)效果，但仍存在許多問題亟待解決。

2.1?課程自身難度系數(shù)對課程培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成度的影響

與經(jīng)典的數(shù)字信號處理課程相比，“現(xiàn)代信息與信號處理”課程對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求更高，需要隨機(jī)過程、工程矩陣論、最優(yōu)化方法等作為前導(dǎo)基礎(chǔ)課。課程的分析對象從簡單的一維信號和確定過程升級為高維信號和隨機(jī)過程等，分析方法眾多，涉及指標(biāo)廣泛，特別是該課程涉及的優(yōu)化算法、譜估計、頻率估計等，講授內(nèi)容抽象，多為復(fù)雜的數(shù)學(xué)表述，缺少直觀性。而工科研究生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對薄弱，而且來自不同院校或相近專業(yè)的研究生，自身基礎(chǔ)有較大差異，較多學(xué)生反映該門課程學(xué)習(xí)難度較大，給教師授課也帶來很大挑戰(zhàn)。在此情況下，傳統(tǒng)的課程內(nèi)容設(shè)置、授課方式、實(shí)驗(yàn)案例很難達(dá)到預(yù)期設(shè)定的培養(yǎng)目標(biāo)。

2.2?教學(xué)實(shí)踐課時與課程內(nèi)容復(fù)雜繁多之間的矛盾

該課程涉及知識面廣，知識點(diǎn)多，重點(diǎn)難點(diǎn)分散，理論功底要求高。在講授過程中，除了引入現(xiàn)代信號處理的概率、原理、方法等，還需要不斷地幫助學(xué)生回顧前導(dǎo)課程內(nèi)容，將零碎的知識點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合在一起。值得注意的是，現(xiàn)代信號處理技術(shù)所涉及的理論、算法、框架等發(fā)展迅速，新技術(shù)、新概念、新方法層出不窮，這些因素使課程附帶的教學(xué)內(nèi)容量節(jié)節(jié)攀升，但課程學(xué)時的安排卻鮮有改觀（以鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院為例，“現(xiàn)代信息與信號處理”課程僅設(shè)置36學(xué)時，且無課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時），這也造成了課時分配難以滿足教學(xué)內(nèi)容的需要，由此導(dǎo)致難以深入講解各章節(jié)要點(diǎn)，同時，實(shí)驗(yàn)課時的不足也使學(xué)生對理論知識的運(yùn)用缺乏直觀體驗(yàn)。

2.3?技術(shù)理論發(fā)展迅速與理論實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新緩慢的矛盾

通信技術(shù)、電子技術(shù)、自動化控制等相關(guān)學(xué)科門類的高度融合和快速發(fā)展，催生了現(xiàn)代信號處理領(lǐng)域的新理論和新方法，用來解決實(shí)際場景中的新問題，而經(jīng)典信號處理理論已經(jīng)相對久遠(yuǎn)，盡管其基本原理對于現(xiàn)有技術(shù)體系具有很好的指導(dǎo)意義，但面對新場景的新模型時，從算法方案到性能指標(biāo)等都很難滿足設(shè)計要求。目前多數(shù)高校對該課程的教學(xué)體系仍然沿襲傳統(tǒng)模式，講述的知識內(nèi)容和要點(diǎn)明顯滯后于當(dāng)前主流技術(shù)，而且大多數(shù)都是基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)案例或者陳舊的仿真項(xiàng)目，與現(xiàn)代智能信號處理新技術(shù)嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)生難以通過理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)充分認(rèn)識該門課程涉及領(lǐng)域的最新動態(tài)。課程中的經(jīng)典理論知識和新近出現(xiàn)的技術(shù)得不到完整有效的結(jié)合，對實(shí)際場景中遇到的新問題、新模型等很難充分感知，這就造成了所掌握的理論知識、專業(yè)技能與就業(yè)崗位需求不適，對研究生的科研、學(xué)術(shù)、工程實(shí)踐能力產(chǎn)生不利影響。

2.4?課程考核方式僵化與學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的矛盾

該門課程的考核方式大多采用閉卷考試，題型單一，內(nèi)容死板，學(xué)生多通過做題應(yīng)對考試，導(dǎo)致很難評估學(xué)生對該門課程內(nèi)容的掌握程度，特別是對實(shí)際問題的分析和解決能力。作為研究生課程，更應(yīng)注重學(xué)生創(chuàng)新、實(shí)踐、應(yīng)用等能力，以閉卷考試為主的考核模式容易造成“重知識輕能力”的傾向，與研究生課程需要突出創(chuàng)新和實(shí)踐能力培養(yǎng)的初衷相背離。同時，傳統(tǒng)的閉卷考核模式對過程性環(huán)節(jié)的考核重視不足，對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的設(shè)計算法、編程仿真、撰寫報告等環(huán)節(jié)的考核不充分，不能全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，僅通過一次期末考試來對學(xué)生的學(xué)習(xí)做出評價，對于一門實(shí)踐性和應(yīng)用性較強(qiáng)的研究生課程是不合適的，這會使“現(xiàn)代信息與信號處理”這門課程失去了作為培養(yǎng)電子信息類專業(yè)研究生的基礎(chǔ)課程意義。

3?教學(xué)改革的具體措施與實(shí)踐探索

3.1?定位培養(yǎng)目標(biāo)，重塑課程體系，梳理知識脈絡(luò)

電子信息類專業(yè)研究生應(yīng)該具備堅實(shí)的基礎(chǔ)理論、寬廣的專業(yè)知識和較強(qiáng)的創(chuàng)新思維，掌握現(xiàn)代信號處理理論方法，能夠運(yùn)用現(xiàn)代開發(fā)工具、先進(jìn)的工程化方法和技術(shù)從事電子信息領(lǐng)域工程技術(shù)問題分析、電子信息系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)等工作，該專業(yè)對研究生的培養(yǎng)應(yīng)更加注重理論成果的研究、工程實(shí)踐的應(yīng)用以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。“現(xiàn)代信息與信號處理”課程體系龐雜，需要加強(qiáng)其與前導(dǎo)基礎(chǔ)課程和后續(xù)專業(yè)課程的聯(lián)系，綜合知識結(jié)構(gòu)，理清課程脈絡(luò)，使學(xué)生更透徹地理解現(xiàn)代信號處理的原理，并對信號處理的算法設(shè)計和指標(biāo)構(gòu)成有更全面的了解，讓主要知識點(diǎn)的掌握脈絡(luò)化。

結(jié)合本課程的特點(diǎn)，理清“前導(dǎo)知識—基礎(chǔ)理論—基本算法—分析方法—設(shè)計實(shí)驗(yàn)—驗(yàn)證結(jié)論—應(yīng)用創(chuàng)新”這一思路。加強(qiáng)相關(guān)前導(dǎo)課程開設(shè)和布局，例如隨機(jī)過程、工程矩陣論、凸優(yōu)化理論等可設(shè)定為電子信息類公共基礎(chǔ)課，學(xué)生通過前導(dǎo)課程的學(xué)習(xí)打好理論基礎(chǔ)，對于后續(xù)“現(xiàn)代信息與信號處理”的學(xué)習(xí)會事半功倍。同時，在授課過程中，要不斷強(qiáng)化課程知識體系梳理，讓學(xué)生從瑣碎的課程內(nèi)容中找到主線，幫助學(xué)生理清學(xué)習(xí)思路，有計劃有步驟地主動學(xué)習(xí)本課程。

3.2?合理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，理清重點(diǎn)難點(diǎn)，推廣案例式啟發(fā)教學(xué)

針對課程學(xué)時受限的客觀限制，除了可以適當(dāng)增加學(xué)時外，如何充分利用有限學(xué)時讓學(xué)生最大限度地掌握“現(xiàn)代信息與信號處理”課程的知識點(diǎn)并學(xué)會運(yùn)用，是更為核心的問題。首先，對該課程與其他相關(guān)課程有重疊的知識點(diǎn)進(jìn)行梳理、刪減和合并，讓學(xué)生利用課余時間復(fù)習(xí)前導(dǎo)課程基礎(chǔ)內(nèi)容。其次，經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，對該課程的全部知識點(diǎn)根據(jù)難易進(jìn)行分門別類。難度較小的知識點(diǎn)，可采取學(xué)生自學(xué)和討論學(xué)習(xí)的模式，培養(yǎng)學(xué)生交流表達(dá)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力；難度較大的知識點(diǎn)，可由教師進(jìn)行總結(jié)概括，通過啟發(fā)式教學(xué)，引入知識點(diǎn)背景，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)自思考，既可以保證教學(xué)時間內(nèi)課程知識點(diǎn)的有效講授，又能夠鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力、獨(dú)立分析問題能力以及運(yùn)用知識的能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。因此，梳理教學(xué)內(nèi)容合理分配學(xué)時是該門課程改革的前提基礎(chǔ)。

該門課程中涉及的數(shù)學(xué)公式、定理推論眾多，為了避免學(xué)生覺得枯燥空洞，應(yīng)從物理概念和工程背景的角度導(dǎo)入知識點(diǎn)的講解，采用案例式教學(xué)增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，以楊綠溪教授編著的《現(xiàn)代數(shù)字信號處理》教材為例，第六章最優(yōu)線性濾波器涉及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)及矩陣分析，師生普遍反應(yīng)難度大。因此，在授課過程中可以通過“基于維納濾波器的MIMO系統(tǒng)信道均衡技術(shù)”教學(xué)案例，結(jié)合MATLAB軟件的仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生更直觀地感受這部分理論知識在4G移動通信系統(tǒng)中多天線技術(shù)的具體背景和工程意義，由此可將抽象復(fù)雜的數(shù)學(xué)內(nèi)容具體化、形象化，讓學(xué)生切實(shí)感受到課程內(nèi)容在實(shí)際工程中的具體應(yīng)用方法。

3.3?重視理論與實(shí)踐相結(jié)合，增加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，廣泛開展前沿技術(shù)專題研討

雖然“現(xiàn)代信息與信號處理”課程的數(shù)學(xué)理論內(nèi)容較多，但其與工程應(yīng)用結(jié)合十分緊密，因此，有必要加強(qiáng)在理論知識學(xué)習(xí)過程中對工程問題背景的引入以及學(xué)生自主開展的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在實(shí)際工程中學(xué)習(xí)、理解、運(yùn)用知識，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐促進(jìn)學(xué)生對課程知識點(diǎn)的理解，實(shí)現(xiàn)“學(xué)中用和用中學(xué)”。在授課過程中，教師可從實(shí)際工程問題引入，給出解決思路，分析解決方案，并給出仿真結(jié)果，使其充分理解本門課程在工程應(yīng)用的物理意義。在課程實(shí)驗(yàn)安排上，可通過MATLAB軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)，既可以采用編程仿真，也可以采用模塊化仿真，靈活性強(qiáng)。通過設(shè)計仿真實(shí)驗(yàn)庫，以驗(yàn)證類仿真（如“功率譜估計的格型參數(shù)法”）和綜合分析類仿真（如“機(jī)載通信中的回波抵消算法設(shè)計”）等多類型實(shí)驗(yàn)為主，可使學(xué)生由淺入深，由表及里，逐步理解、掌握、運(yùn)用所學(xué)知識點(diǎn)。最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的目標(biāo)要求，要求學(xué)生撰寫完整的實(shí)驗(yàn)報告或設(shè)計報告，增強(qiáng)學(xué)生撰寫科技理論的能力，建立良好的科研規(guī)范和習(xí)慣。

此外，該門課程涉及的技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展速度快，新概念、新方法層出不窮，教師可以結(jié)合所在團(tuán)隊(duì)研究方向，選取當(dāng)下熱門技術(shù)積極開展專題研討，采用課下分組學(xué)習(xí)，課上分組報告和集體交流，啟發(fā)學(xué)生研究學(xué)習(xí)新技術(shù)中所涉及的信號處理方法。以自適應(yīng)濾波器教學(xué)內(nèi)容為例，可組織學(xué)生開展關(guān)于“5G大規(guī)模MIMO時變信道下的信道估計與預(yù)測技術(shù)”的專題交流，以當(dāng)下5G熱門研究領(lǐng)域?yàn)榍腥朦c(diǎn)，引入時變信道這一重要應(yīng)用場景，讓學(xué)生分析其所使用的自適應(yīng)信道估計和預(yù)測技術(shù)，既能加深學(xué)生對信號處理新技術(shù)的理解，又能擴(kuò)展學(xué)生對本領(lǐng)域前沿技術(shù)的知識面。

3.4?從單一形式考核向注重過程要素的多維考核模式轉(zhuǎn)變

針對課程考核模式單一的問題，應(yīng)加強(qiáng)對過程要素的考核，多維度評測更全面地反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，并能及時掌握學(xué)生全過程中的訴求和困難，實(shí)時優(yōu)化教學(xué)方案。本課程的考核擬將最初的平時作業(yè)和閉卷考試兩個維度考核指標(biāo)調(diào)整為課后作業(yè)、專題討論、主題匯報、案例分析、研究報告、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐和期末閉卷考試等全過程考核，期末考試成績占比約為30%，過程要素成績占比70%，并根據(jù)改革情況適時調(diào)整。該考核模式更加注重考核學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對知識的理解和掌握程度，通過不同的考核內(nèi)容（如PPT匯報、撰寫實(shí)驗(yàn)報告、設(shè)計系統(tǒng)方案等），讓學(xué)生在全過程中能發(fā)揮主觀能動性，提高學(xué)生自主思考能力、動手能力以及綜合應(yīng)用能力，避免了以往課堂隨性、考前突擊、死記硬背的應(yīng)試現(xiàn)象。

結(jié)語

本文從“新工科”建設(shè)背景出發(fā)，對“現(xiàn)代信息與信號處理”課程的教學(xué)改革進(jìn)行了初步探索，堅持以學(xué)生為中心，理論與實(shí)踐并重。通過重塑課程體系，加強(qiáng)前導(dǎo)與后續(xù)課程聯(lián)系，對教學(xué)內(nèi)容分門別類因材施教，擴(kuò)展課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時強(qiáng)調(diào)對知識的理解與運(yùn)用，推廣啟發(fā)式案例教學(xué)模式，增強(qiáng)學(xué)生對工程應(yīng)用背景的認(rèn)識，強(qiáng)化過程性考核，全面綜合評價學(xué)生掌握知識的效果，多措并舉，不斷增強(qiáng)知識、能力和素質(zhì)的有機(jī)融合，從而達(dá)到培養(yǎng)研究生解決復(fù)雜工程問題的能力及創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

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資助項(xiàng)目：河南省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（學(xué)位與研究生教育）（項(xiàng)目編號2021SJGLX247Y）；鄭州航院研究生教育改革與發(fā)展研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號2023YJS?JG12，2023YJSJG13）

作者簡介：王毅（1984—?），男，河南三門峽人，博士，副教授，研究方向：大規(guī)模MIMO、能效通信、無人機(jī)輔助通信等。