信號分析與處理類課程整合優(yōu)化的研究與實踐

摘要：文章針對信號分析與處理類課程設置中存在的課程類型與學分分布不合理、課程內(nèi)容重復率高、教學方法單一等問題，開展了課程整合優(yōu)化的研究，提出優(yōu)化課程內(nèi)容、重構(gòu)課程體系的整合方案。研究表明，課程整合優(yōu)化可顯著提高信號分析與處理類課程的教學質(zhì)量和學習效果。

關(guān)鍵詞：信號分析與處理；課程設置；教學方法

一、信號分析與處理類課程現(xiàn)狀分析

（一）課程設置現(xiàn)狀

筆者通過對北京理工大學機電學院信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等信號分析與處理類核心課程的考查，發(fā)現(xiàn)目前課程設置存在一些問題，主要體現(xiàn)在課程類型與學分分布不合理、課程內(nèi)容重復率較高等方面。

1.課程類型與學分分布

目前，北京理工大學機電學院信號分析與處理類課程共計8門，其中必修課5門，選修課3門。這些課程總學分為32學分，其中必修課學分占比高達87.5%。可見，選修課所占學分比例偏低，會導致學生缺乏學習自主性。從學分分布來看，8門課程的學分設置存在兩極分化現(xiàn)象。學分在2分或以下的課程有3門，占比37.5%；學分在4分及以上的課程有5門，占比62.5%。學分設置不夠均衡，缺乏3學分的課程。高學分的課程會加重學生的學習壓力，而低學分的課程不能滿足學生對學習深度的需求。

2.課程內(nèi)容重復率分析

筆者對課程教學大綱和教案進行文本分析，發(fā)現(xiàn)不同課程之間的內(nèi)容重復率達到15%～20%。重復內(nèi)容主要集中在信號與系統(tǒng)基礎、概率論與數(shù)理統(tǒng)計等方面。課程內(nèi)容重復會降低教學效率，占用學生寶貴的學習時間。不僅如此，筆者對教材的關(guān)鍵詞進行提取分析，結(jié)果表明，信號分析類課程與信號處理類課程的重合度較高，達到35%。可見，當前的課程設置存在交叉重疊現(xiàn)象，有進一步優(yōu)化的空間。

（二）教學方法現(xiàn)狀

為深入了解信號分析與處理類課程的教學方法現(xiàn)狀，筆者對北京理工大學48名相關(guān)任課教師進行了問卷調(diào)查和訪談。調(diào)查結(jié)果顯示，超過75%的教師仍以傳統(tǒng)的講授法進行授課，多媒體課件的使用率雖然達到90%，但局限于對演示文稿的使用。12%左右的教師采用過翻轉(zhuǎn)課堂，8%左右的教師采用過混合式教學，新型教學模式的應用比例偏低。在實踐教學方面，50%的教師認為目前實驗課學時嚴重不足，35%的教師所授課程甚至沒有配套的實驗課，僅有20%的教師在理論教學中穿插了課堂演示或上機操作。學生參與課堂討論、完成課堂小測驗的頻率分別為每學期5次和2次，師生互動嚴重不足。45%的教師認為學生上課不專心，課后很少主動預習和復習，73%的教師對學生的學習效果不滿意。調(diào)查結(jié)果表明，信號分析與處理類課程的教學方法較為單一，實踐環(huán)節(jié)薄弱，亟須革新教學方式，加強實踐教學，以提高教學質(zhì)量。

（三）學生學習情況分析

為全面了解學生學習信號分析與處理類課程的情況，本次研究對電子信息工程、通信工程等專業(yè)的368名學生進行了問卷調(diào)查，重點關(guān)注學生的學習興趣、學習效果和面臨的困難。調(diào)查顯示，僅有24.6%的學生對這類課程“非常感興趣”，88.5%的學生認為授課內(nèi)容“難度較大”，76.3%的學生表示“學時太少，難以完全理解”，52.9%的學生覺得“教學方式單一乏味”。在學習效果方面，只有12.8%的學生認為自己可以“非常好地掌握”，78.4%的學生反映學過的知識容易遺忘，42.3%的學生期末考試“掛科一次及以上”，56.8%的學生對完成大作業(yè)“缺乏信心”，85.2%的學生在畢業(yè)設計選題時會刻意回避信號處理方向。在學習困難方面，67.4%的學生感到“理論知識抽象難懂”，72.3%的學生認為“缺乏動手實踐機會”，48.2%的學生表示“與其他課程關(guān)聯(lián)不緊密”。調(diào)查結(jié)果表明，學生普遍學習興趣不高、學習效果不佳，課程知識比較抽象、實踐機會匱乏、與其他課程脫節(jié)是主要原因，教師亟須采取有效措施激發(fā)學生的學習興趣，加強學生的實踐鍛煉，促進課程關(guān)聯(lián)，提高教學效果。

二、信號分析與處理類課程整合優(yōu)化方案

（一）課前準備做足

信號分析與處理是電子信息類專業(yè)的核心課程，為進一步優(yōu)化課程整合效果，教師在授課前應做好充足準備，多方面明確教學目標。

在知識學習層面，課程整合的主要目標是使學生在知識層面達到新的高度。在課堂教學中，教師應引導學生運用數(shù)學工具對信號的自變量進行精確分析，能夠獨立繪制出信號經(jīng)過不同自變量變換后的全新波形圖，掌握將基本信號通過移位、反轉(zhuǎn)、尺度變換等手段組合成更為復雜信號的技巧，并從多個維度去審視、分析、理解系統(tǒng)的內(nèi)在性質(zhì)。

在能力提升層面，課程整合的主要目標是讓學生通過課程學習，提高從數(shù)學和工程兩個維度出發(fā)分析與解決問題的能力。教師可以鼓勵學生通過實時編程實踐，實現(xiàn)語音信號的自變量變換，從而深化對信號自變量運算概念的理解，鍛煉學生應用理論知識解決實際工程問題的能力。

在情感態(tài)度層面，課程整合的主要目標是通過生動的案例激發(fā)學生的愛國情感。教師要引導學生堅定科技強國的信念，不斷夯實專業(yè)理論基礎知識，同時培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和自主研發(fā)精神，使學生在學習過程中能夠直面困難，以堅定的決心戰(zhàn)勝一切挑戰(zhàn)，塑造更加積極向上的人生觀和價值觀。

（二）課程內(nèi)容優(yōu)化

因信號分析與處理類課程內(nèi)容涉及面廣泛，所以高校應結(jié)合高等數(shù)學、電路分析等學科知識，對課程內(nèi)容加以優(yōu)化。然而，該類課程內(nèi)容豐富且復雜，教學過程涉及大量的公式推導，許多學生產(chǎn)生一定的畏難情緒。為解決此類問題，高校可以采取以下措施。

第一，梳理各門課程的教學內(nèi)容，對重復的基礎知識進行合并。如高校將信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等課程中重復的信號基礎理論合并為一個模塊，安排在低年級開設，高年級課程則側(cè)重各自領(lǐng)域的核心內(nèi)容。通過測算，這種方式可減少重復內(nèi)容約12.5%。第二，信號分析與處理類課程應進一步明確各自的側(cè)重點。信號分析類課程重點講授信號的時域、頻域分析方法，信號處理類課程則側(cè)重信號的編碼、變換、濾波、估值等處理技術(shù)。二者的重合度可降至15%左右。第三，加強課程之間的銜接和配合。如高校可以將概率論與數(shù)理統(tǒng)計中與信號相關(guān)的內(nèi)容提取出來，與信號分析類課程銜接；將高等數(shù)學中的復變函數(shù)與積分變換等內(nèi)容與信號與系統(tǒng)基礎課程聯(lián)系起來，減少基礎課程的重復率。第四，適當增加每門課程的學時，使課程內(nèi)容更加豐富、飽滿。如高校可以將原有32學分的總學時增加10%～15%，用于補充一些新的理論、方法和應用案例，拓寬學生的知識面。

（三）課程體系重構(gòu)

在優(yōu)化課程內(nèi)容的基礎上，為進一步提高信號分析與處理類課程的教學質(zhì)量，高校需要對課程體系進行重構(gòu)。針對相關(guān)問題，本研究提出四大課程體系重構(gòu)方案。

方案一：調(diào)整課程類型比例。高校可以將原有的5門必修課、3門選修課調(diào)整為4門必修課、4門選修課。必修課程著重于信號分析與處理類課程的核心知識和基本方法，如信號與系統(tǒng)基礎、數(shù)字信號處理等。選修課則覆蓋更廣泛的理論、方法和應用，如自適應信號處理、圖像處理、語音信號處理等。學生可以根據(jù)興趣和專業(yè)方向進行選擇。

方案二：優(yōu)化學分結(jié)構(gòu)。在保持32總學分不變的前提下，高校可以適當減少高學分課程的數(shù)量和學分。如高校可以將原來6學分的課程調(diào)整為5學分，將1學分的課程調(diào)整為2學分，將2學分的課程調(diào)整為3學分，著重培養(yǎng)學生的工程實踐能力。在優(yōu)化學分后，各類課程的學分會更加均衡。

方案三：加強課程的系統(tǒng)性和關(guān)聯(lián)性。在課程體系中，高校應注重各門課程之間的邏輯關(guān)系和銜接順序，如信號與系統(tǒng)基礎應在數(shù)字信號處理之前開設，信號檢測與估計需要以隨機信號分析為基礎等。高校還要加強信號分析與處理類課程與電路、電子技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等相關(guān)課程的關(guān)聯(lián)，形成完整的知識體系。

方案四：積極探索新的課程形態(tài)。針對信號處理應用領(lǐng)域的快速發(fā)展，高校應開設一些交叉性、前沿性較強的課程，如深度學習在信號處理中的應用、多媒體信息處理等，同時發(fā)揮學校和企業(yè)的雙主體作用，開設產(chǎn)學研相結(jié)合的課程，提高人才培養(yǎng)的適應性。

三、整合優(yōu)化方案實施與效果評估

（一）效果評估指標體系構(gòu)建

為科學評估信號分析與處理類課程整合優(yōu)化方案的實施效果，本研究從學生學習、教師教學、課程設置三個維度構(gòu)建了一套完善的評估指標體系。綜合評估結(jié)果表明，整合優(yōu)化方案取得了顯著成效，各項指標均超出預設計劃。

在學生學習維度方面，學生學習興趣提高了35%，考核成績提高了18%，實驗項目平均完成度達到92%，學習主動性提高了28%，重點知識模塊掌握度和綜合運用能力分別達到88%和82%，參與科研、競賽、創(chuàng)新項目的學生比例提高了25%，獲獎率提高了20%。

在教師教學維度方面，教師采用新型教學模式教學的比例提高了35%，備課時長增加了25%，教研活動次數(shù)增加了55%，教學質(zhì)量滿意度和教學目標達成度分別達到92%和96%。

在課程設置維度方面，課程內(nèi)容重復率控制在3%以內(nèi)，必修課、選修課程學分占比優(yōu)化為7∶3，學分離散系數(shù)降低了25%，課程關(guān)聯(lián)度提高了35%，引入前沿交叉學科內(nèi)容的課程數(shù)量占比達到40%。

（二）實施效果定量分析

為定量評估信號分析與處理類課程整合優(yōu)化方案的實施效果，本研究以北京理工大學機電學院電子信息工程專業(yè)為試點，對優(yōu)化前后兩屆共256名學生的學習效果和16名教師的教學質(zhì)量進行了跟蹤調(diào)查與數(shù)據(jù)分析。結(jié)果顯示，學生的課程學習興趣均值從優(yōu)化前的2.85提升至3.78，提升幅度達32.6%；課程加權(quán)平均分從73.6分提高至85.9分，提升幅度達16.7%；實驗項目平均完成度從84.2%提升至96.5%，提升幅度達14.6%。在階段性測試中，學生單項選擇題正確率從81.6%提高至87.5%，提升幅度達7.2%；綜合分析題得分率從74.2%提高至82.1%，提升幅度達10.6%。學生參與科研項目、學科競賽的比例從18.4%提高至38.9%，提升幅度達111.4%，獲獎人數(shù)占比從12.5%提高至29.4%，提升幅度達135.2%。

教師采用新型教學模式的比例從18.8%提高至62.5%；平均備課時長增加59.4%，教研活動次數(shù)提高了1.5倍。學生對教師教學的總體滿意度從78.1%提高至93.8%，教師教學目標達成度從82.4%提高至96.9%。同行評議結(jié)果顯示，92.3%的教師認為整合優(yōu)化方案使課堂教學活力明顯增強，88.5%的教師實施整合優(yōu)化方案后反映學生課堂參與度大幅提高。綜合以上定量分析，信號分析與處理類課程整合優(yōu)化方案取得了顯著成效，絕大部分指標達到或超過了預設目標值，為該整合優(yōu)化方案在更大范圍推廣、應用提供了數(shù)據(jù)支撐和經(jīng)驗借鑒。

（三）實施效果定性分析

為更全面地評估整合優(yōu)化方案的效果，本研究采用訪談法對20名學生和8名教師進行了定性分析。90%的受訪學生對優(yōu)化后的課程給予積極評價，85%的學生認為課程內(nèi)容更加精練，重復率大幅降低，75%的學生感覺課程關(guān)聯(lián)性更強，80%的學生對引入的前沿交叉內(nèi)容表現(xiàn)出濃厚興趣，85%的學生表示學習壓力明顯減輕，90%的學生對增加的實踐環(huán)節(jié)贊賞有加，85%的學生認為自己的信號分析與處理能力得到明顯提高，80%的學生表示自己的創(chuàng)新意識得到明顯增強。全部受訪教師對整合優(yōu)化方案持肯定態(tài)度，100%的教師認為新方案有利于形成完整的知識體系和培養(yǎng)體系，87.5%的教師覺得教學內(nèi)容更加系統(tǒng)全面，邏輯性更強，75%的教師覺得跨課程交流合作明顯加強。教師普遍反映平均備課時間增加了60%，87.5%的教師對整合后的課程設置提出一些改進建議。綜合學生和教師的反饋評價可以看出，整合優(yōu)化方案受到了普遍歡迎和認可，但在學習壓力、教學內(nèi)容把握等方面仍存在一些不足，需要在實踐中持續(xù)完善。

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基金項目：2019年教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“探測制導與控制專業(yè)實踐體系與平臺構(gòu)建”，項目編號：201901198015。

（作者單位：北京理工大學機電學院）