基于“PBL+翻轉課堂”的自適應信號處理課程改革與實踐

摘要：面向聲吶設計與研究領域創新型人才自主培養的重大需求，結合自適應信號處理課程的特點，本文提出了基于“PBL+翻轉課堂”的自適應信號處理課程改革方法。以科研項目中的實際工程問題為導向，以“翻轉課堂”的教學方法為途徑，實現了理論教學與工程實踐教學的有機結合，取得了更好的教學效果。本文提出的自適應信號處理課程改革思路對于其他院校的同類課程具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：自適應信號處理；PBL；翻轉課堂；問題導向

一、概述

伴隨著信號處理研究領域的蓬勃發展與計算能力的顯著提升，自主化與智能化成為現代聲吶的發展趨勢［1］。目前，我國聲吶設備的整體水平仍然落后于發達國家，尤其是自主化和智能化水平還遠不能滿足需求。“自適應”是聲吶自主化與智能化的核心特點，主要指聲吶能夠以海洋環境特征、搭載平臺特征、目標特征等信息為輸入，自動地實現工作模式、工作參數的調整與優化，以更好地完成其任務使命。哈爾濱工程大學水聲工程學院是我國高水平水聲科研與技術人才的搖籃，承載著培養我國聲吶設計與研究領域創新人才的重要使命。面向國家重大戰略需求，基于現代聲吶的發展趨勢，水聲工程學院在新版本科生課程設置中，開設了自適應信號處理本科生專業課，重點講授經典的自適應信號處理理論、自適應信號處理領域的最新研究成果以及自適應信號處理在聲吶設備中的應用，培養學生利用新技術、新方法和新思路解決具體工程問題的能力。

自適應信號處理課程作為一門信號處理類課程，具有以下的特點：

（1）自適應信號處理課程的理論性很強，公式推導嚴密，需要學生具備扎實的數學背景，以及對多學科知識的整合和運用能力。

（2）自適應信號處理課程的實踐性很強，課程學習不應拘泥于公式推導，而是應服務于實踐應用，要求學生在完成課程學習后具備解決實際科研問題的能力。

（3）自適應信號處理課程內容發展迅速、時效性強。隨著人工智能、深度學習、數據挖掘等典型應用的大量普及，自適應信號處理課程的知識體系一直在快速迭代更新。

基于此，要求學生除了要掌握扎實的理論基礎外，還有具備一定的創新思維，能夠快速吸收消化該領域內的最新研究成果，并把所學的知識靈活應用。

基于以上的課程特點，在進行自適應信號處理課程教學時主要面臨以下問題：首先，由于該課程具有較強的理論性，公式推導晦澀難懂，容易造成學生對該課程過早地失去學習興趣，進而造成學習積極性不高，學習效率顯著下降，教學效果不佳。此外，學生在完成該課程理論學習后，仍無法將所學到的理論知識有效應用于工程實踐中，難以做到知行合一，課程未能起到培養學生自主創新能力的目的。以上的問題在其他信號處理類課程教學中也常出現。針對上述問題，張曉光等人提出將案例式教學融入信號處理類課程教學中，并從課前案例準備、課中案例教學和課后案例總結三個方面介紹了相應的案例設計方法［2］；苗丹等人提出了以項目為驅動的教學改革方法，充分發揮了問題對教學過程的指導作用，充分調動了學生的學習主動性和積極性［3］；李建龍等人通過實際應用案例的講解和訓練以及前沿知識的擴展，有效提升了學生的動手能力及解決實際問題的能力，激發了學生的學習熱情和積極性［4］；馬雷等人從信號處理課程的分層教學設計、實驗的分層設計和分層課程設計三個方面對課程的層次化教學設計進行了深入的研究，顯著提升了學生學習興趣和教師教學效果［5］。

二、“PBL+翻轉課堂”教學模式的提出

自適應信號處理課程教學的目的不是讓學生記住復雜的公式推導與晦澀的理論，而是指導學生能夠將理論知識有效吸收和消化，并用于解決實際的工程問題，以有效提升學生的綜合素質和創新能力。傳統的以教師為中心、以教材為主導的教學模式已經難以滿足自適應信號處理課程教學的需求。

“翻轉課堂”是當今教學研究的熱點，將教學大綱內容分為課前自主學習、課堂教學設計、課后知識鞏固三個部分，現已被逐漸應用于教學中，成為推動教學改革的重點之一［68］。“翻轉課堂”一般是指，將傳統的教學過程進行翻轉，讓學生通過在課外觀看視頻、查閱和調研文獻等途徑獲取一些理論知識，然后進行課堂上的討論、匯報、答疑等互動。但其實，這種教學方法難以使學生對實際問題進行深入的思考研究。如何在保證課程授課內容的前提下，顯著提高同學們的自學能力、獨立思考能力和團隊協作能力是自適應信號處理課程“翻轉課堂”教學模式需要重點關注的問題。

問題式教學法（ProblemBasedLearning，PBL）是一種以問題為導向的教學方法，它強調學生在解決實際問題的過程中，通過自主學習、合作學習等手段，掌握知識，培養技能，并學習思考和創造［9］。問題式教學法通過以真實的工程問題為切入點，將學生置身于實際工作場景中。這種學習模式能夠顯著激發學生的學習興趣，培養他們的問題解決和團隊協作能力。

本文提出將“問題式教學法”和“翻轉課程”教學理念相結合，形成一種新的教學模式，并引入自適應信號處理課程教學中。通過教師引導，以相關聲吶設計和研制科研項目中的相關自適應信號處理問題為基礎，以學生為中心，以小組研討和合作的形式，將相關工程問題的解決思路和迭代過程與正統授課知識點相結合。這種教學方法的優勢在于：

（1）提高學生自主學習能力：通過翻轉課堂的形式，學生在課前自主完成理論知識的學習與解決方案的設計，課堂上主要進行討論和質詢，從而提高學生的自主學習能力。

（2）增強學生批判性思維：PBL教學方法以問題為導向，引導學生發現問題、分析問題和解決問題。這種學習方式可以增強學生的批判性思維，提高學生的創新能力。

（3）提升教學質量：通過課堂上的答疑和討論，教師可以及時了解學生學習情況，并針對實際工程問題進行指導和講解，從而提升教學質量。

（4）促進師生互動：翻轉課堂和PBL教學方法都需要師生之間進行充分的互動與交流，這種互動可以促進師生之間的了解和合作，提升教學效果。

三、“PBL+翻轉課堂”教學方式的實踐

為在自適應信號處理課程中實踐“PBL+翻轉課堂”教學方式，授課教師需深度挖掘和有效梳理現有科研項目中涉及的自適應信號處理理論知識點，并以此為基礎，設計相應的教學環節，以實現理論教學與工程實踐教學的有機結合，達到更好的教學效果。

具體教學方式與內容設置如下：

（一）問題準備

授課教師需要根據教學目標和教學內容，提出多個與自適應信號處理課程理論相關的實際工程問題，并為學生提供相關的資料和軟硬件工具。自適應信號處理理論在聲吶設備中應用十分廣泛，自適應信號處理器是提升聲吶設備能力的重要途徑之一，因此可以通過在研或已結題的相關科研項目，來凝練實際的工程問題。下表給出了4個問題示例，每個問題均來源于實際的科研項目，且與自適應信號處理課程教學大綱中的內容存在對應關系。

（二）課前準備

首先將學生分成若干個小組，每組5～7人，每組選取一個題目，并需要給出相應的解決方案。小組成員有序分工，互相監督，群策群力為問題的解決貢獻力量。具體的小組成員分工要包括：問題背景分析、問題數學建模、研究思路設計、問題的求解、算法的參數優化與迭代、算法的編程實現、PPT的制作與展示等。小組成員首先通過查閱文獻資料等方式，自主完成對上述問題的調研和探索，思考解決問題的方案，之后進行小組內部交流和合作，分享想法與經驗，形成“頭腦風暴”，根據任務分工完成問題解決方案的初步設計。

（三）課堂教學

通過小組內部的團結協作與討論迭代，各小組形成一套完善的問題解決方案并進行課上成果展示與匯報，其他小組成員進行質詢和討論，授課教師對解決方案進行指導與斧正。全部小組匯報結束后，授課教師對學生的學習過程和成果進行評價和總結，對各解決方案中普遍存在的一些問題進行講解，指出不足和改進方向。

（四）課后考核

以小組為單位，結合課堂討論和授課教師提出的意見，對提出的解決方案進行迭代和優化，并形成一份科技報告。科技報告要涵蓋研究問題闡述、國內外研究現狀、方案算法設計、算法性能驗證、結論等內容，格式規范，要素齊全。

四、教學效果評價

經過一學期的實踐，基于“PBL+翻轉課堂”的自適應信號處理課程改革取得了顯著的成果。學生的綜合素質和創新能力得到了提高，同時，教師的教學水平和專業素養也得到了提升。具體成果包括：

（一）學習成績提升

期末考試成績是衡量教學效果的一個重要指標。在推行“PBL+翻轉課堂”教學模式前的2022年秋季學期，期末考試成績平均分為77.6分（滿分100分），而在推行“PBL+翻轉課堂”教學模式后的2023年秋季學期，平均分提升為85.4分（滿分100分）。特別是在兩次期末考試中均對單通道/多通道自適應陷波濾波器及自適應線譜增強器兩個重要的知識點進行了考核。在2022年秋季學期兩個知識點的正確率分別為80%、74%，在2023年秋季學期正確率則分別提升至88%、92%。可見，課程的教學效果取得了顯著的進步。

（二）學習積極性提升

對于自適應信號處理這種知識點比較龐雜、理論難度較高的課程，傳統的教師向學生單向輸出知識的教學方法難以達到良好的課堂教學效果，同時也無法有效培養學生的自主學習能力。2022年秋季學期，自適應信號處理課程推行了翻轉課堂的教學模式，學生需要在課前搜集自適應信號處理領域的最新研究成果并進行課上匯報，授課教師對成果的創新性和可行性進行討論。然而，由于這種傳統的翻轉課堂教學模式缺少問題導向的思維，無法有效激發學生的學習興趣，導致課堂氣氛比較沉悶，學生參與積極性不足，很多時候課堂仍然是授課教師為主導。2023年秋季學期起，自適應信號處理課程開始推行“PBL+翻轉課堂”的教學模式，要求學生以實際科研項目中真正需要解決的問題為牽引，充分發揮文獻檢索能力與自主學習能力，完成解決方案的設計。與2022年秋季學期相比，學生的課堂參與度顯著提升，思維活躍，課堂的學術氛圍更加濃厚，教學效果顯著提升。

（三）學生綜合素質提升

學生在自主學習、合作學習和批判性思維等方面得到了鍛煉和提高，同時，學生的實踐能力和創新意識也得到了培養。通過“PBL+翻轉課堂”相結合的教學方法，學生能夠更好地理解和掌握自適應信號處理課程的知識點，并且能夠將理論知識應用于實際問題的解決之中。多名學生后續參與了“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、“互聯網+”大學生創新創業大賽等科技創新比賽，并取得了優異成績。

（四）教師教學水平提升

授課教師在提煉工程問題、制作教學資源、組織教學活動和指導學生方面得到了鍛煉和提高，同時，授課教師對自適應信號處理課程內容的理解和把握也更加深入。通過實踐，授課教師不斷優化教學策略和方法，有效提升了自身的教學水平和素養。

結語

本文針對自適應信號處理課程教學改革進行研究與探索。針對自適應信號處理課程特點，深度剖析工程應用與理論研究的內在關聯，將聲吶設計與研制等工程實踐活動中遇到的問題與課堂講授內容相結合，提出“PBL+翻轉課堂”的自適應信號處理教學模式，以工程需求牽引基礎理論教學，激發學生學習的主動性和積極性，全面提升科技創新型人才自主培養水平。

參考文獻：

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［3］苗丹，盧偉.以項目為驅動的信號處理類課程教學改革實踐［J］.實驗室研究與探索，2021，40（01）：212217.

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［5］馬雷，時愈，元海文.“數字信號處理”課程層次化教學設計研究［J］.教育教學論壇，2023（25）：6770.

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［10］鄭建祥，劉洪憲，楊美.PBL教學模式下計算流體動力學教學案例及其效果研究［J］.黑龍江科學，2023，14（19）：115117.

［11］李超.基于PBL人工智能實踐類課程教學研究［J］.山西青年，2023（20）：4648.

基金項目：哈爾濱工程大學2023年教學改革研究項目“面向創新型人才自主培養的自適應信號處理課程改革與實踐”

作者簡介：郝宇（1993—），男，漢族，黑龍江齊齊哈爾人，博士，講師，研究方向：水聲信號處理。

*通訊作者：邱龍皓（1988—），男，漢族，吉林四平人，博士，講師，研究方向：水聲信號處理。