以培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新能力為目標(biāo)的研究生課程教學(xué)改革探索
——軍隊(duì)工科院校研究生數(shù)字信號(hào)處理課程改革實(shí)踐

◆胡永江 馬曉琳 王永川 呂登龍

以培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新能力為目標(biāo)的研究生課程教學(xué)改革探索
——軍隊(duì)工科院校研究生數(shù)字信號(hào)處理課程改革實(shí)踐

◆胡永江 馬曉琳 王永川 呂登龍

以培養(yǎng)研究生應(yīng)用創(chuàng)新能力為目標(biāo)，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理課程在教學(xué)實(shí)施中存在的難題，建立基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)研究和專題拓展三個(gè)相輔相成的突出能力培養(yǎng)的教學(xué)體系，通過(guò)近三年的教學(xué)實(shí)踐和考核評(píng)估發(fā)現(xiàn)，課程改革達(dá)到預(yù)期目的，學(xué)生不僅很好地掌握了基礎(chǔ)理論，滿足了課題研究需求，還在自主學(xué)習(xí)、工程實(shí)踐、科研創(chuàng)新、論文寫(xiě)作以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等應(yīng)用創(chuàng)新能力方面有了很大提高，為研究生課程體系教學(xué)改革提供了具體思路。

軍校工科研究生；應(yīng)用創(chuàng)新能力；素質(zhì)教育；教學(xué)改革；數(shù)字信號(hào)處理

1 課程改革背景

突出理工科學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)培育，加大工程科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)，是我國(guó)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)的必然要求，也是高校落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》的必然選擇和歷史責(zé)任[1]。為此，軍械工程學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱學(xué)院）在《關(guān)于進(jìn)一步深化教學(xué)改革的意見(jiàn)》中進(jìn)一步明確了研究生培養(yǎng)目標(biāo)、課程建設(shè)、教學(xué)創(chuàng)新以及課程考核等改革要求。然而研究生的應(yīng)用創(chuàng)新能力究竟應(yīng)該具備哪些能力素質(zhì)？這些能力素質(zhì)要求如何具體落實(shí)到具體課程中去培養(yǎng)？如何采用合理有效的教學(xué)模式有序地推進(jìn)落實(shí)？本文在分析研究生應(yīng)用創(chuàng)新能力基本內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，以軍隊(duì)工科院校研究生核心學(xué)位課程——數(shù)字信號(hào)處理為例，針對(duì)該課程在實(shí)施中存在的問(wèn)題，對(duì)課程內(nèi)容、教學(xué)模式及考核方式進(jìn)行系統(tǒng)改革，通過(guò)近三年的實(shí)踐探索，逐漸形成一個(gè)突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)的特色教學(xué)模式，希望能對(duì)以應(yīng)用創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的研究生課程體系的教學(xué)改革起到拋磚引玉的作用。

2 應(yīng)用創(chuàng)新能力的基本內(nèi)涵

創(chuàng)新能力是運(yùn)用知識(shí)和理論，在科學(xué)、藝術(shù)、技術(shù)和各種實(shí)踐活動(dòng)領(lǐng)域中不斷提供具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值的新思想、新理論、新方法和新發(fā)明的能力[1]。軍隊(duì)工科院校研究生的應(yīng)用創(chuàng)新主要是指在技術(shù)和各種實(shí)踐中的新方法和新發(fā)明，所應(yīng)具備的知識(shí)結(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)知識(shí)、工具知識(shí)或方法論知識(shí)以及綜合知識(shí)四類，通常該類應(yīng)用創(chuàng)新人才應(yīng)具備以下幾個(gè)能力要素。

具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ) 理論知識(shí)是應(yīng)用創(chuàng)新的奠基石。具備扎實(shí)的專業(yè)理論，了解相鄰學(xué)科及橫向?qū)W科知識(shí)。理論基礎(chǔ)應(yīng)包含基礎(chǔ)理論知識(shí)和學(xué)科前沿知識(shí)兩大部分，沒(méi)有理論基礎(chǔ)，創(chuàng)新如同空中樓閣，無(wú)從談起。

具有超前的創(chuàng)新思維 創(chuàng)新思維是應(yīng)用創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)力。具備敏銳的觀察能力、深刻的洞察能力、見(jiàn)微知著的直覺(jué)能力和一觸即發(fā)的靈感和頓悟，在進(jìn)行理論研究和實(shí)踐探索時(shí)，不斷訓(xùn)練思維方式的前瞻性、獨(dú)創(chuàng)性和靈活性，才能保證對(duì)一個(gè)或多個(gè)事物進(jìn)行分析、綜合和判斷時(shí)的獨(dú)辟蹊徑。

具有優(yōu)秀的實(shí)踐技能 實(shí)踐技能是應(yīng)用創(chuàng)新的試金石。具備優(yōu)秀的實(shí)踐技能，敢于將新的理論和新的技術(shù)相結(jié)合，形成獨(dú)特的、卓越的實(shí)踐應(yīng)用典范。沒(méi)有優(yōu)秀的實(shí)踐技能，猶如臨淵羨魚(yú)，在應(yīng)用上解決不了實(shí)際問(wèn)題。

具有卓越的表達(dá)能力 表達(dá)能力是應(yīng)用創(chuàng)新的打磨機(jī)。具備卓越的總結(jié)凝練、語(yǔ)言溝通和科技寫(xiě)作等表達(dá)能力，將應(yīng)用實(shí)踐凝練打磨創(chuàng)新成果，以高質(zhì)量論文、高水平專利或高層次科技成果來(lái)支持應(yīng)用創(chuàng)新。

具有良好的合作意識(shí) 合作意識(shí)是應(yīng)用創(chuàng)新的捷徑。具備團(tuán)隊(duì)精神、協(xié)作能力等合作意識(shí)是高技術(shù)、多學(xué)科應(yīng)用創(chuàng)新的捷徑。

3 課程實(shí)施中存在的問(wèn)題

數(shù)字信號(hào)處理課程是軍隊(duì)工科院校電子類、控制類及信息類等專業(yè)研究生的一門(mén)不可或缺的學(xué)位課，與最優(yōu)控制、故障診斷、模式識(shí)別等多門(mén)學(xué)科緊密相連，在培養(yǎng)研究生學(xué)科專業(yè)理論、實(shí)踐應(yīng)用技能、基礎(chǔ)學(xué)習(xí)能力以及創(chuàng)新思維方式等方面具有重要的作用[3-4]。然而，在多年的教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題。

作者：胡永江、馬曉琳、王永川，軍械工程學(xué)院無(wú)人機(jī)工程系；呂登龍，軍械工程學(xué)院訓(xùn)練部研究生處（050003）。

課程難度大，使得理論基礎(chǔ)不易形成 該課程一是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，需要掌握多門(mén)工程數(shù)學(xué)知識(shí)；二是課程內(nèi)容比較抽象，需要使用數(shù)學(xué)語(yǔ)言對(duì)工程實(shí)踐中的數(shù)據(jù)采集、分析與處理等問(wèn)題進(jìn)行描述，缺少直觀性。課程起點(diǎn)高、難度大影響了學(xué)生的理論基礎(chǔ)形成，直接影響了學(xué)生的應(yīng)用創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

專業(yè)實(shí)踐強(qiáng)，使得實(shí)踐技能難以掌握 課程內(nèi)容來(lái)源于工程實(shí)踐并用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述，而分析結(jié)果又應(yīng)用于工程實(shí)踐，實(shí)踐環(huán)節(jié)多，工具運(yùn)用復(fù)雜，對(duì)諸如MATLAB軟件、DSP處理軟件等相關(guān)仿真實(shí)踐基礎(chǔ)知識(shí)要求高，由于部分軍校工科研究生缺乏相關(guān)仿真實(shí)踐知識(shí)，導(dǎo)致課程實(shí)踐非常被動(dòng)，很難有效掌握實(shí)踐技能。

基礎(chǔ)差距大，使得教學(xué)內(nèi)容難以選擇 學(xué)院每年招收的碩士研究生的知識(shí)背景、知識(shí)結(jié)構(gòu)、理論基礎(chǔ)、理解能力、實(shí)踐能力等差別很大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在學(xué)院2011—2013年選修數(shù)字信號(hào)處理課程的研究生中，有近42%的研究生沒(méi)有學(xué)過(guò)信號(hào)與系統(tǒng)或自動(dòng)控制原理，有近36%的研究生缺乏如積分變換和復(fù)變函數(shù)等重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)。如何選擇設(shè)計(jì)科學(xué)合理的教學(xué)內(nèi)容，既能及時(shí)補(bǔ)足學(xué)生薄弱基礎(chǔ)，還要在應(yīng)用創(chuàng)新能力素質(zhì)培養(yǎng)上有所拓展，是十分棘手的難題。

研究需求多，使得前沿知識(shí)難以均衡 由于學(xué)院研究生課題主要是針對(duì)具體武器裝備展開(kāi)科學(xué)研究，武器裝備技術(shù)差異大，除了對(duì)數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)理論相同外，還要針對(duì)這些具體信號(hào)處理算法在理論和實(shí)踐上進(jìn)行拓展，以滿足不同專業(yè)研究生的課題需求。如何均衡合理選擇，拓展理論教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容，直接關(guān)系到教學(xué)內(nèi)容的完整性、系統(tǒng)性和實(shí)用性，也直接影響到學(xué)生創(chuàng)新思維拓展。

4 課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)施

以培養(yǎng)研究生應(yīng)用創(chuàng)新能力為目標(biāo)，針對(duì)學(xué)院研究生數(shù)字信號(hào)處理課程在教學(xué)實(shí)施中存在的問(wèn)題，結(jié)合課程具體特點(diǎn)和學(xué)生基礎(chǔ)素質(zhì)情況，將課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)整合并進(jìn)行實(shí)踐，形成基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)研究和專題拓展三個(gè)相輔相成的教學(xué)體系。

基礎(chǔ)理論體系設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施 按照“精基礎(chǔ)”和“重前沿”原則，形成一條“數(shù)字信號(hào)如何獲取、如何分析和如何處理”的理論知識(shí)鏈。

1）在精基礎(chǔ)上，精挑選精講解。首先是擴(kuò)展部分信號(hào)與系統(tǒng)知識(shí)，解決學(xué)生專業(yè)知識(shí)薄弱的難題，保證學(xué)生能夠正常入門(mén)；然后講述如何獲取數(shù)字信號(hào)（即抽樣定理）及存在問(wèn)題（即量化誤差分析）；再講述如何認(rèn)知數(shù)字信號(hào)或系統(tǒng)的特性（即頻域分析與變換理論）；然后講述如何處理含噪或受擾數(shù)字信號(hào)（即濾波器理論與設(shè)計(jì)）；最后講述如何根據(jù)要求設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)（即信號(hào)估計(jì)與建模）。以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)為牽引，形成一條數(shù)字信號(hào)如何獲取、如何分析與處理及系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的精簡(jiǎn)理論知識(shí)鏈。

2）在重前沿上，重引入重比較。依據(jù)精簡(jiǎn)理論體系，引入學(xué)科專業(yè)前沿知識(shí)，采用對(duì)比法進(jìn)行講解學(xué)習(xí)。如針對(duì)乃奎斯特抽樣定理的低頻采樣限制，可引入針對(duì)高頻采樣的帶通抽樣定理；針對(duì)傅立葉變換譜分析所帶來(lái)的缺陷，對(duì)比插入短時(shí)傅里葉分析、時(shí)頻分析和小波分析等理論。

實(shí)驗(yàn)研究體系設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施 按照“厚基礎(chǔ)”和“強(qiáng)綜合”的原則，基于MATLAB軟件和DSP開(kāi)發(fā)工具箱，形成“數(shù)字信號(hào)如何采集獲取、如何進(jìn)行譜分析、如何變換以及如何濾除雜波”的一條與基礎(chǔ)理論相呼應(yīng)的實(shí)驗(yàn)體系。

1）在厚基礎(chǔ)上，與基礎(chǔ)理論體系相對(duì)應(yīng)，形成數(shù)字信號(hào)采集與抽樣、傅立葉變換與譜分析、濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和功率譜估計(jì)與信號(hào)建模等四個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)專題，重點(diǎn)解決仿真軟件具體運(yùn)用和基礎(chǔ)理論與實(shí)踐相結(jié)合的難題，使學(xué)生初步掌握實(shí)踐基礎(chǔ)技能。

2）在強(qiáng)綜合上，依據(jù)四個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)專題，在控制領(lǐng)域、通信領(lǐng)域、雷達(dá)領(lǐng)域、機(jī)械領(lǐng)域以及測(cè)試領(lǐng)域設(shè)置五類綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，重點(diǎn)解決理論綜合實(shí)踐運(yùn)用中出現(xiàn)的難題，確實(shí)提高學(xué)生在理論、實(shí)踐和技能三個(gè)方面的融合運(yùn)用能力，提升學(xué)生實(shí)踐技能，激發(fā)學(xué)生從運(yùn)用到創(chuàng)新的激情。

在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，由2～3名學(xué)生按五類綜合方向分成若干個(gè)研究小組，分工協(xié)作，通過(guò)編寫(xiě)仿真代碼、演示仿真結(jié)果、撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和展開(kāi)討論交流等方式，切實(shí)提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力、論文寫(xiě)作能力和表達(dá)溝通能力。

專題拓展體系設(shè)計(jì)與實(shí)施 因每個(gè)學(xué)生研究方向各不相同，因課時(shí)限制，不可能在每個(gè)方向上深入地講、透徹地教。根據(jù)學(xué)生的研究方向，設(shè)立控制信號(hào)處理、通信信號(hào)處理、雷達(dá)信號(hào)處理、機(jī)械振動(dòng)信號(hào)處理、測(cè)試信號(hào)處理、圖像信號(hào)處理和語(yǔ)音信號(hào)處理等七個(gè)拓展專題。

在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生組成2～3人興趣研究小組，采用分組自主學(xué)習(xí)、撰寫(xiě)研究報(bào)告和課堂討論交流相結(jié)合的方式，保證每個(gè)拓展專題對(duì)每個(gè)學(xué)生都學(xué)可致用，提高學(xué)生跟蹤專業(yè)發(fā)展方向能力。

5 課程考核與效果評(píng)估

課程考核方式 合理的課程考核評(píng)估不僅是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力的指向，也是教與學(xué)之間的有效溝通。為了評(píng)估課程改革后的教學(xué)效果，課程建立了理論考試、實(shí)驗(yàn)匯報(bào)和專題交流相結(jié)合的突出能力的考核評(píng)估模式。

1）理論考試重點(diǎn)考查學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)掌握情況，120分鐘閉卷模式，成績(jī)占40%。

2）實(shí)驗(yàn)匯報(bào)重點(diǎn)考查學(xué)生寫(xiě)作表達(dá)能力、實(shí)踐技能以及團(tuán)隊(duì)合作等情況，依據(jù)綜合實(shí)驗(yàn)研究專題，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及結(jié)果與理論對(duì)應(yīng)關(guān)系分析的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，采用主題報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)演示和回答質(zhì)疑相結(jié)合的方式，由2～3名教員組成考評(píng)組，每個(gè)小組30分鐘，成績(jī)占40%。

3）專題交流重點(diǎn)考查學(xué)生前沿知識(shí)掌握和創(chuàng)新思維拓

展情況，通過(guò)在課堂專題報(bào)告、討論交流和回答質(zhì)疑相結(jié)合的方式，由教員和專題負(fù)責(zé)組長(zhǎng)組成考評(píng)組，每個(gè)小組30分鐘，成績(jī)占20%。

圖1 2011—2013年選修數(shù)字信號(hào)處理課程的考核成績(jī)統(tǒng)計(jì)圖

總體成績(jī)情況 學(xué)院2011—2013年選修數(shù)字信號(hào)處理課程的考核成績(jī)統(tǒng)計(jì)如圖1所示。其中，成績(jī)A表示在85分以上，成績(jī)B表示在75～85分之間，成績(jī)C表示在60～75分之間。

如圖1所示，通過(guò)近三年教學(xué)實(shí)踐和考核評(píng)估：

1）在課程內(nèi)容整合初期（2011年度），基礎(chǔ)理論得分較高，但在實(shí)驗(yàn)匯報(bào)和專題交流兩個(gè)方面不夠理想，主要是交流討論少，匯報(bào)表達(dá)能力沒(méi)有得到有效鍛煉；

2）在教學(xué)內(nèi)容整合中期（2012年度），采用精講并增加課堂提問(wèn)和交流討論環(huán)節(jié)，雖然基礎(chǔ)理論掌握情況有小幅度回落，但學(xué)生的實(shí)驗(yàn)匯報(bào)環(huán)節(jié)成績(jī)有了大幅度的提高，工程實(shí)踐應(yīng)用能力和匯報(bào)表達(dá)能力有了明顯進(jìn)步，但在拓展專題上仍然不夠理想；

3）在教學(xué)內(nèi)容整合后期（2013年度），在堅(jiān)持精講和加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)專題的基礎(chǔ)上，將前兩屆作業(yè)成果精編整理寫(xiě)成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)，并將各個(gè)專題的經(jīng)典資料整理分類，提供給學(xué)生學(xué)習(xí)研究，通過(guò)課程考核可以看出，學(xué)生在理論考試、實(shí)驗(yàn)匯報(bào)和專題交流都有很大幅度提高，尤其是在理論聯(lián)系實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)仿真分析、匯報(bào)表達(dá)交流、論文撰寫(xiě)等方面的能力有很大的提高，同時(shí)也初步學(xué)會(huì)了課題開(kāi)展和團(tuán)隊(duì)協(xié)作等實(shí)踐知識(shí)。

根據(jù)近三年學(xué)生反饋意見(jiàn)來(lái)看，他們對(duì)課程內(nèi)容體系設(shè)置和教學(xué)模式較為滿意，基礎(chǔ)較好的學(xué)生表示在迅速掌握基礎(chǔ)理論的同時(shí)，可以花更多精力在實(shí)驗(yàn)研究和專題拓展上，提升應(yīng)用創(chuàng)新能力；基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生表示通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，使自己在薄弱環(huán)節(jié)可以得到幫助，很容易進(jìn)入正軌。但也有部分學(xué)生表示理論前沿和拓展專題較難，不容易吃透。

6 結(jié)束語(yǔ)

以培養(yǎng)研究生應(yīng)用創(chuàng)新能力為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革探索，除了使學(xué)生掌握了數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)理論知識(shí)，還鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、工程實(shí)踐、科研創(chuàng)新、論文寫(xiě)作以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作等應(yīng)用創(chuàng)新能力，達(dá)到課程教學(xué)改革的主要目的。在后續(xù)教學(xué)改革中，可針對(duì)理論前沿和拓展專題較難的問(wèn)題，采用MOOC方式，化繁為簡(jiǎn)、化難為易、化大為小，真正地讓學(xué)生“有興趣學(xué)得容易，有問(wèn)題搞得清楚，有想法能夠?qū)崿F(xiàn)”，切實(shí)提高學(xué)生的應(yīng)用創(chuàng)新能力。

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G643.2

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