面向創新型人才培養的數字信號處理教學模式改革與實踐研究

摘要：以創新型人才培養為導向，改革電子信息類專業核心課程數字信號處理的教育教學模式，提升數字信號處理課程對創新型人才培養的支撐作用。結合STEM教育理念，融入TRIZ創新理論，對教學內容、教學方法、評價體系進行重構改革和教學實踐，培養學生創新思維能力。采用直接和間接評價方法對課程目標達成情況進行分析。結果表明，該教學模式有效提升了學生的學習興趣和創新能力，教學滿意度較高。該研究為電子信息類專業核心課程建設提供了新的思路，也為未來產業創新型人才培養路徑的探索提供了參考。

關鍵詞：創新型人才培養；電子信息類；數字信號處理；教育教學模式；課程目標達成情況分析

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）02-0108-05 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

“十四五”時期，國家深入實施創新驅動發展戰略，部署縱深推進大眾創業萬眾創新，為高校深化創新創業教育改革指明了方向。習近平總書記也強調，要增強教育服務創新發展能力，培養更多適應高質量發展、高水平自立自強的各類人才。為順應時代發展，我國高等院校正在積極探索滿足社會需求的創新創業教育人才培養模式[1]。創新型人才需要具備豐富的實踐經驗、過硬的專業本領、較強的分析解決問題能力、長遠的目光以及一定的管理才能。因此，高校在培養創新型人才時，既要夯實學生的理論基礎，又要注重提升其綜合實踐能力[2-3]。

數字信號處理是電子信息類專業的核心課程，與人才培養方案中的多門課程密切相關，其教學效果直接影響學生對其他課程的學習。數字信號處理利用數值計算方法，對信號進行采集、變換、綜合、估值和識別。課程要求通過應用和實踐掌握基本概念、基本理論和常用算法，使學生能夠運用數字信號處理技術解決電子信息領域的實際工程問題，并具備獨立設計具有一定功能的數字信號處理系統的能力。數字信號處理天然連接了數學理論和信息系統設計實踐，有助于學生創新思維的訓練[4]。將數字信號處理與創新教育融合，有助于提升學生在專業領域的分析綜合能力、實踐動手能力和創新能力。

1 創新型人才培養研究思路

結合高校實際，以培養創新型人才為目標，本研究提出以下假設：1） 開展符合課程實際的課程思政教育，能夠提升學生的專業素養和社會責任感；2） 開展多學科綜合的案例教學，并引入創新理論，能夠提升學生的主觀能動性；3） 運用動態學習數據分析技術，能夠持續改進課程教學方法。

基于以上假設，本研究以數字信號處理為例，探索將教育教學模式改革與創新型人才培養相結合，提升課程對創新型人才培養的支撐作用，幫助學生具備服務地方經濟建設和區域社會發展所需的綜合與創新能力。主要研究思路包括：

1） 重構課程教學內容。在知識體系中融入思政元素，在潛移默化中達到立德樹人的目標；在實踐教學中融入TRIZ創新理論，培養學生合作找尋問題最佳解決方案的能力。

2） 調整教學方式方法。合理設置案例環節，通過“理論+實踐+理論”教學，培養學生創新思維能力；結合STEM教育理念，培養學生從多學科知識綜合應用的角度解決實際問題。

3） 建立閉環教學評價體系。通過學習分析技術，結合在線課程平臺，動態監測課程教學設計與學生學習指標之間的關系，以持續改進對不同特點學生應用的教學方法。

2 教學模式改革

2.1 重構教學內容

隨著信息化技術的發展，數字信號處理的發展也日新月異，理論和技術方面不斷創新，成為多學科相互連接的橋梁和紐帶。基于創新型人才培養需求，結合電子信息類專業人才培養目標，我們制定了數字信號處理課程目標，包括：能將時域離散信號和系統的基本知識，時域分析、頻域分析的基本原理和性質，用于描述和解決專業工程問題，強化學生的社會責任感與投身電子信息相關行業的職業精神；能夠綜合運用DTFT、ZT、DFT、FFT的基本原理和性質分析解決電子信息系統中數字信號采集、傳送和處理等相關問題；能夠針對性能指標，利用IIR和FIR數字濾波器的基本設計方法和技術，設計開發數字信號處理系統。

根據課程目標，在重構教學內容時，主要采用以下方法進行探索和實踐

1） 課前發布與新技術新方法相關的拓展內容，使學生能夠在課前通過查閱資料，了解數字信號處理新技術新方法的產生歷程，讓學生感受到相關知識點在工程實際問題中的應用，強化學生的社會責任感與投身電子信息相關行業的職業精神，達到課程思政育人的目的[5]。例如在課程開始前，可先發布思考題“數字信號處理在5G網絡向6G網絡發展中的作用”，如圖1 所示，激起學生探索該門課程的興趣。

2） 課堂采用波形圖或者框圖的方式將抽象的概念形象化[6]，比如利用Matlab仿真工具將原始信號波形和其傅里葉變換頻譜顯示出來，通過小組討論引導學生得到FFT變換的內涵和物理意義，討論場景如圖2和3所示。

3） 進行目標明確、融入自然的課程思政教育。緊密圍繞社會主義核心價值觀，結合課程目標對社會責任感和職業精神的要求，明確課程思政所要達到的培養目標。深入挖掘專業教學內容，精選并提煉緊貼課程內容、符合思政育人目標、時代性突出的思政元素，通過問題導入、案例分析、項目驅動等多樣性的師生互動和交流，促進學生價值觀的成長。例如介紹數字信號處理技術在礦產勘探、農業監測等領域的應用，引導學生思考資源安全與農業建設的意義。

4） 基于TRIZ創新理論開展工程實踐教學[7]，結合實際工程問題，如藍牙耳機的噪聲消除問題，引導學生利用FFT的基本原理去分析信號頻譜和噪聲頻譜的異同點，從而引出濾波器的設計問題。允許學生采用試錯法或者頭腦風暴法，提出多種解決方案，既培養學生的學習熱情，也能夠讓學生突破思維定式，激活學生的創新思維，示意圖如圖4所示。

2.2 改革教學方法

數字信號處理涉及很多數學分析與變換過程，同時又與信息、通信工程領域的實際應用結合緊密，這種特點適用于STEM教育理念[8]，培養學生用科學、技術、工程和數學綜合的角度解決具體問題。在重構教學內容的基礎上，優化的教學方法是教學過程的靈魂和核心，也是貫徹培養學生創新能力的核心。在改革教學方法方面，遵循“教師是主導、學生是主體、實踐是核心”的原則，開展教學方法改革與實踐。教師在熟練掌握教學內容的前提下，針對學生的學習背景和已經學習內容的掌握情況，圍繞創新思維培養，設置啟發式案例，從工程中存在哪些問題、問題如何引出、問題如何解決等方面入手，循序漸進，調動學生的積極性和主動性，激發學生的探索和求知欲望。以項目課程為載體，密切結合理論與實踐，循序漸進、由淺入深開展教學，提升學生的實踐創新能力。基于STEM 教育理念開展教學方法改革的示意圖如圖5所示。

如何充分調動學生的學習積極性和主觀能動性是培養學生科學思維和創新能力的關鍵。鑒于數字信號處理具有抽象程度高、理論性強的特點，遵循“理論+實踐+理論”的模式[9]，設置項目實例，督促學生廣泛深入參與項目設計方案的討論中，突出學生的主體地位，讓學生在體驗、操作和實踐中有效提高知識運用和創新能力。結合科技前沿和社會熱點設置綜合能力提升型思考題，引導學生系統化知識學習，并用理論指導實踐。鼓勵學生主動思考，勤于總結，啟發學生用工程化思維去解決分析問題，并將解決問題的方法和處理結果歸納總結，去撰寫科研論文，從而逐步培養學生的科技創新意識，提高科技創新能力。例如吸納學生參與某圖像處理項目的信號處理環節中，讓其思考如何采用小波變換實現圖像融合，去體會運用所學理論去解決工程實踐問題。通過參與這些實踐環節，不僅提高了學生的學習興趣，還激發了學生進行科技創新的積極性。

2.3 建立閉環教學評價體系

科學、合理、有效、可操作性強的教學評價體系，應具備評價主體多元、評價內容全面、評價方法多樣、評價結果適用的特點，并且能夠形成完整閉環。在建立閉環教學評價體系的實踐過程中，主要采用基于形成性評價為主的迭代改進評價體系[10]，其示意圖如圖6所示。形成性評價是在教學過程中對學生的學習情況進行評價，為教師和學生提供反饋，評價過程中收集到的信息用于調整教學以滿足學生需求，提高教學質量。

對學生的數字信號處理學習過程進行模型化分析，評價教學中的關鍵影響因素。實現學習分析的基礎是充分的學習狀態信息。數字信號處理的數字化互動教學資源將得到進一步的擴展和豐富，以便共享資源，收集學習表現。采用超星學習通在線平臺，能夠監測學生的學習狀態，分析其用在該門課程上的時間，能夠針對作業、測試的成績提供針對性的幫助，預防學習風險。利用各種網絡社交平臺，采用群組、小程序等方式，實現學習交流、數據統計的作用。基于學習分析技術，提高教師對學生學習情況的了解，及時調整和改進教學方法，并且針對不同學生提供有效的指導和幫助，促進學生的學習進步。

課程考核結束后，采用形成性評價和終結性評價相結合的方式，對課程目標的達成情況進行評價，針對課程目標的達成情況進行分析，提出新一輪的教學方法改進措施，針對學生的創新學習能力，修訂課程目標，以使課程達到對人才培養的支撐作用。

3 實踐效果分析

3.1 課程目標達成情況分析——直接評價

在課程目標的達成情況方面，通過教學改革，學生是否能夠深入理解數字信號處理的基本原理和方法，掌握主要算法與技術，以及培養扎實的數學基礎和分析問題的能力，成為評估改革成效的重要指標。考核評價的綜合計分方法見表1。

采用考核成績分析法完成課程目標達成情況的直接評價，每個課程目標的達成度的評價數據來源于各個考核環節的得分。課程目標1采用章節測試和期末考試的第一部分進行評價分析，章節測試的滿分為9分，統計得到學生的平均分為6.4分，期末考試第一部分的滿分為21分，統計得到學生的平均分為13.6 分，故學生課程目標1的平均得分為20分，滿分為30 分，則課程目標1的達成度為20/30=0.67。類似的，通過計算得到其他課程目標的達成度，見表2。三個課程目標達成情況分別是0.67、0.70、0.71，均超過0.6合格線，達成總體課程目標，說明學生通過學習，能夠理解數字信號處理的基本原理和方法，掌握主要算法與技術，數學基礎和分析問題的能力得到提升。

針對所有學生，分析學生個人課程目標的達成情況。課程目標1的考核內容要求學生能將時域離散信號和系統的基本知識，時域分析、頻域分析的基本原理和性質，用于描述和解決專業工程問題，強化學生的社會責任感與投身電子信息相關行業的職業精神。課程目標1達成情況為0.67。從個人達成分布情況來看，有21.4%的學生達到0.80以上。本課程目標過程性考核的方式為章節測試，達成情況為0.71，達成情況良好；終結性考核主要通過考試，達成情況為0.65，達成情況合格。

課程目標2的考核內容要求學生能夠綜合運用DTFT、ZT、DFT、FFT的基本原理和性質分析解決電子信息系統中數字信號采集、傳送和處理等相關問題。課程目標2達成情況為0.70。從個人達成分布情況來看，有30.4%的學生達到0.80以上。本課程目標過程性考核的方式為作業，達成情況為0.87，達成情況良好；終結性考核主要通過考試，達成情況為0.63，達成情況合格。

課程目標3的考核內容要求學生能夠針對性能指標，利用IIR和FIR數字濾波器的基本設計方法和技術，設計開發數字信號處理系統。課程目標3達成情況為0.71。從個人達成分布情況來看，有35.7%的學生達到0.80以上。本課程目標過程性考核的方式為課內實驗，達成情況為0.81，達成情況良好；終結性考核主要通過考試，達成情況為0.67，達成情況合格。

從實踐結果來看，通過優化整合教學內容、引入最新技術和應用案例，以及強化實踐應用環節，課程目標得到了較好地實現。通過分析課程目標的達成情況，結合在線平臺對學生學習狀態的監測情況，可以針對不同層次學生的學習特點進行改進。成績優秀的學生，知識要點掌握較快，作業完成質量較高，需要擴展教學資源，豐富可選任務，鼓勵參與課外競賽。成績一般的學生，能夠基本掌握課程內容，但學習動力不夠充分，需要強化學習方法的指導，并通過小組互助提升學習效率。成績較差的學生，學習困難較大，需要提供基礎知識的補充，建立更為平緩的學習曲線。

3.2 課程目標達成情況分析——間接評價

學生反饋是評估教學改革實踐效果的重要依據。通過收集和分析學生的反饋意見，可以了解學生對教學改革的認可程度、對教學方法和內容的滿意度以及存在的問題和不足。對三個課程目標的滿意度進行分析統計，如圖10所示。從圖中結果來看，近70%的學生對教學改革的認可度還是非常滿意的，對教學方法和內容的滿意度也較高。從反饋結果來看，大多數學生對教學改革持積極態度，認為新的教學模式有助于提升學習效果和實踐能力。

不同層次學生的反饋側重點存在區別。成績優秀的學生大多期望增加課程的挑戰性，成績一般的學生經常提出對某些知識點理解存在困難，成績較差的學生往往強調基礎不牢固、學習強度過大。針對這些反饋，需要在后續的改進中強化差異化的教學培養，進一步豐富教學資源，為優秀學生自我成長創造空間。改進具體知識點的教學方法，提升一般學生的學習效率。提供先導課程中關鍵知識的補充，強調過程評價，確保后進學生跟上進度。

實踐應用的效果也是衡量教學改革實踐結果的重要方面。通過引導學生參與實際項目、應用所學知識解決實際問題，可以檢驗學生對數字信號處理技術的掌握程度和應用能力。目前統計到學生參與發表學術論文7篇，參與申請實用新型專利6項。結果充分表明，學生在參與項目實踐過程中能夠較好地運用所學知識解決實際問題，表現出較高的綜合素質和實踐能力。

綜上所述，數字信號處理教學改革實踐在多個方面取得了顯著成效，包括教學目標的達成、教學方法的有效性、學生反饋以及實踐應用的效果等。根據課程目標達成情況分析，后續研究還將在深化實踐教學內容、跨學科融合教學等方面進一步深化教學改革，以促進學生創新思維和能力的培養。

4 結論

根據創新型人才培養需要，探索和實踐電子信息類專業核心課程數字信號處理的教育教學模式。基于TRIZ創新理論開展工程實踐教學，重構課程教學內容，遵循“理論+實踐+理論”的模式，開展基于STEM 教育理念的教學方法改革和實踐，構建以形成性評價為主的迭代改進評價體系。通過直接評價和間接評價，對學生的綜合能力進行分析，評價課程目標的達成情況，統計學生對教學改革的滿意度。實踐結果表明，學生的綜合能力有所提升，對教學改革的滿意度也較高，能夠達到面向創新型人才培養的課程目標。后續將聯合其他課程開展教學模式改革，提升該課程在電子信息類專業人才培養中的支撐作用。

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【通聯編輯：王 力】

基金項目：2023 年度陜西本科和高等繼續教育教學改革研究重點項目“應用型本科院校一流專業高質量建設路徑的研究與實踐——以西安航空學院電子信息工程專業為例”（23BZ070） ；2023 年度陜西本科和高等繼續教育教學改革研究重點項目“以學科建設為牽引深化應用型本科院校高質量發展路徑研究與實踐——以西安航空學院為例”（23BZ069） ；2023 年度陜西省教師教育改革與教師發展研究項目“電子信息類專業核心課程群的建設路徑創新與實踐研究”（SJS2023YB077） ；陜西省教育科學“十四五”規劃2022 年度一般課題“面向創新型人才培養的《數字信號處理》教學模式研究”（SGH22Y1491） ；2023 年西安航空學院校級知識圖譜建設項目“信號與系統”（23ZLGC3004） ；2023 年西安航空學院校級課程思政建設項目“電磁場與電磁波”“信息論與編碼”（23ZLGC5009、23ZLGC5010） ；2022 年度西安航空學院校級本科一流課程建設項目“信號與系統”（22ZLGC5012）