面向職業(yè)技能發(fā)展的“數(shù)字信號(hào)處理”教學(xué)理念與實(shí)踐

張晶 聶堯

摘要“數(shù)字信號(hào)處理”是電子信息類專業(yè)教育課程體系中承上啟下的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過本課程的教學(xué)使學(xué)生了解技術(shù)領(lǐng)域概貌，建立基本概念，掌握相關(guān)分析方法，對(duì)提高其職業(yè)技能，從而培養(yǎng)多樣化人才、傳承技術(shù)技能、促進(jìn)就業(yè)創(chuàng)業(yè)具有現(xiàn)實(shí)意義。為有效開展教學(xué)工作，文章構(gòu)建了以學(xué)生職業(yè)發(fā)展需要為中心的教學(xué)理念，采用因材施教的教學(xué)措施，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性。盡力構(gòu)建完整的知識(shí)體系，并引導(dǎo)學(xué)生加深對(duì)基本公式的理解和運(yùn)用，做到活學(xué)活用，取得了符合預(yù)期的良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 數(shù)字信號(hào)處理；教學(xué)理念；教學(xué)措施；職業(yè)技能發(fā)展

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.14.005

“數(shù)字信號(hào)處理”是電子信息類科學(xué)的重要組成部分，數(shù)字處理技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛[1]。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，了解這一技術(shù)領(lǐng)域的同時(shí)，還能夠建立起數(shù)字信號(hào)處理基本概念，掌握基本方法，本課程是一門結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用的基礎(chǔ)理論課程。

筆者承擔(dān)了皖西學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)大三上學(xué)期“數(shù)字信號(hào)處理”課程的講授任務(wù)。為有效貫徹中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于推動(dòng)現(xiàn)代職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展的意見》等文件精神[2]，筆者在備課過程中積極向由多名教授、副教授、博士以及經(jīng)驗(yàn)豐富的專任教師組成的本校省級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)求教學(xué)習(xí)，借助大規(guī)模在線開放課程汲取先進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?gòu)建以學(xué)生職業(yè)發(fā)展需求為中心的教學(xué)理念，并由此指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐。

1教學(xué)理念總結(jié)構(gòu)建

1.1充分重視課程實(shí)用技能培養(yǎng)

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于諸多工程領(lǐng)域[3]，如雷達(dá)、遙感、通訊、電氣儀表、自動(dòng)化控制等。隨著單片機(jī)（SoC）集成化程度的提升，通過ARM微處理器、DSP、FPGA等數(shù)字電路進(jìn)行信號(hào)處理已經(jīng)廣泛滲透到日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)對(duì)語音、圖像、視頻的壓縮、存儲(chǔ)與播放，網(wǎng)絡(luò)通訊中傳輸層的編解碼，穿戴設(shè)備定位、環(huán)境測(cè)量、用戶體征測(cè)量，汽車自動(dòng)輔助駕駛系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的感知，智能家居系統(tǒng)中對(duì)于家電設(shè)備的工況監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制等。電子信息相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在相關(guān)行業(yè)就業(yè)后，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)知識(shí)的需求頻率高，場(chǎng)景豐富。教師在教學(xué)過程中應(yīng)面向項(xiàng)目需求、工程問題，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)操能力為關(guān)鍵點(diǎn)，使之更好具備在上述領(lǐng)域獨(dú)立完成研發(fā)工作所需的能力。

1.2有效構(gòu)建課程概念知識(shí)體系

本課程承接“信號(hào)與系統(tǒng)”，從時(shí)域離散信號(hào)和時(shí)域離散系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)出發(fā)，涉及頻域分析、離散傅立葉變換、快速傅立葉變換、時(shí)域離散系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵知識(shí)單元，到IIR＼FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)為止[4]?？梢姡鳛楣こ虒W(xué)科課程，其目的在于培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的能力。而目前主要教材及參考資料著重于基礎(chǔ)理論講授，包含大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)證明，“用復(fù)雜的事物去解釋復(fù)雜的事物”，容易造成學(xué)生理解困難。從因材施教的角度出發(fā)，應(yīng)優(yōu)先保障學(xué)生理解并掌握相關(guān)基本概念，了解算法和濾波器的基本功能和適用范圍，以便在對(duì)應(yīng)場(chǎng)景下自行查閱相關(guān)資料以解決實(shí)際問題。

1.3快速傳遞課程基本數(shù)學(xué)理論

數(shù)字信號(hào)處理作為一個(gè)快速發(fā)展、廣泛應(yīng)用的技術(shù)，圍繞其工程應(yīng)用，已經(jīng)形成了大量的通用軟件平臺(tái)及相關(guān)工具箱可供使用，如Matlab包含Signal Processing Toolbox，以及通訊、小波、射頻、DSP、相控陣等相關(guān)分析工具箱；Python中常用的Scipy庫中也包含了信號(hào)處理signal模塊。筆者認(rèn)為，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用相關(guān)工具或以此為基礎(chǔ)進(jìn)行二次開發(fā)已成為主流，沒有必要“從輪子開始造車”，但另外一方面，學(xué)生能夠系統(tǒng)性地了解相關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)于用好相關(guān)軟件工具，提高數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)水平，將大有裨益。在學(xué)生已掌握概念知識(shí)體系的基礎(chǔ)上，教師應(yīng)盡量快速、全面地闡明主要公式的含義，便于學(xué)生理解；有能力的學(xué)生可在課下自行進(jìn)行公式推導(dǎo)證明。

1.4全面重溫課程相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)

學(xué)習(xí)“數(shù)字信號(hào)處理”需要全面用到“信號(hào)與系統(tǒng)”知識(shí)。“信號(hào)與系統(tǒng)”課程包含了“數(shù)字信號(hào)處理”所必需的絕大部分前序知識(shí)，如采樣、卷積、傅立葉變換、拉普拉斯變換、Z變換、系統(tǒng)響應(yīng)等[5]。要求學(xué)生具備良好的數(shù)理基礎(chǔ)和邏輯思維能力。在大量學(xué)生存在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)功底不扎實(shí)，前序課程知識(shí)不牢固的情況下，不能簡(jiǎn)單假設(shè)“學(xué)生已掌握相關(guān)知識(shí)”，而是應(yīng)該將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行代入，幫助學(xué)生重溫基礎(chǔ)知識(shí)，從而提升對(duì)當(dāng)前內(nèi)容的理解。圖1為數(shù)字信號(hào)處理課程知識(shí)結(jié)構(gòu)圖[6-7]。

2教學(xué)實(shí)踐及具體措施

2.1加強(qiáng)興趣引導(dǎo)著力概念傳遞

在教學(xué)中著眼于將教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工作生活場(chǎng)景相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生正確理解信號(hào)處理的基本概念，以免陷入對(duì)數(shù)學(xué)公式的死記硬背當(dāng)中喪失課程學(xué)習(xí)動(dòng)能。如在講授信號(hào)傅立葉級(jí)數(shù)變化時(shí)，首先通過動(dòng)畫展示帶領(lǐng)學(xué)生重溫波的疊加特征，而后指出傅里葉級(jí)數(shù)是一種對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行分解的方式，滿足條件（狄利克雷條件）的任何周期函數(shù)可以由一系列不同頻率的正弦（余弦）函數(shù)疊加而成，而這些正弦函數(shù)構(gòu)成了級(jí)數(shù)分解的正交基，并進(jìn)一步通過動(dòng)畫演示如何通過基函數(shù)疊加實(shí)現(xiàn)對(duì)方波信號(hào)的擬合。而后，再進(jìn)行相關(guān)數(shù)學(xué)公式的展示與介紹，使得學(xué)生能夠進(jìn)一步理解公式中各項(xiàng)的含義。通過從直觀感受到概念建立，再到公式理解，使得基本思想和方法得以傳達(dá)，數(shù)學(xué)表達(dá)與演算也能夠建立，培養(yǎng)學(xué)生直覺與思辨的雙重能力。

2.2強(qiáng)化實(shí)操訓(xùn)練注重實(shí)驗(yàn)課程

在講授課程48學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)上，專門安排了10課時(shí)的實(shí)驗(yàn)課程，使學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)得到進(jìn)一步加強(qiáng)，為后面的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本課程采用期末閉卷考試、章節(jié)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)成績(jī)、平時(shí)成績(jī)、大作業(yè)等相結(jié)合的方式進(jìn)行綜合評(píng)定。作業(yè)考核主要檢驗(yàn)學(xué)生就某一具體數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)撰寫報(bào)告、PPT展示表達(dá)個(gè)人觀點(diǎn)以及與業(yè)界同行進(jìn)行交流的能力。實(shí)驗(yàn)考核主要檢驗(yàn)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)技術(shù)原理建模求解問題的能力、識(shí)別和判斷數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)中關(guān)鍵參數(shù)的能力和分析相關(guān)技術(shù)平臺(tái)在方案設(shè)計(jì)中局限性的能力。章節(jié)測(cè)試?yán)孟冗M(jìn)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)——學(xué)習(xí)通，對(duì)每個(gè)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行在線測(cè)試，測(cè)試題目一般選用客觀題，包括選擇、判斷以及填空等，最終評(píng)判的結(jié)果以及成績(jī)由系統(tǒng)給出。通過學(xué)習(xí)通進(jìn)行章節(jié)測(cè)試，不僅可以高效客觀地給出成績(jī)，對(duì)各個(gè)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)鞏固，而且提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。試卷考核主要檢驗(yàn)學(xué)生在問題求解過程中運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)原理與基礎(chǔ)技術(shù)的能力、對(duì)數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的識(shí)別和判斷能力。具體的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)需要根據(jù)每次考試題目以及每個(gè)知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的課程目標(biāo)、所占的比重等，制訂相應(yīng)的評(píng)分參考標(biāo)準(zhǔn)。

2.3著眼承前啟后重視溫故知新

教師在講授主要教學(xué)內(nèi)容的過程中，均通過對(duì)前期課程內(nèi)容的代入，使學(xué)生在聽講過程中得以重溫已有知識(shí)點(diǎn)，并對(duì)相關(guān)概念進(jìn)行“預(yù)熱”，以便更快地進(jìn)入恰當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)狀態(tài)。特別是離散傅立葉變換與Z變換相關(guān)內(nèi)容與前期“信號(hào)與系統(tǒng)”課程有相當(dāng)多的內(nèi)容重疊，而作為快速傅立葉變換的基礎(chǔ)，筆者在課程中本著“不厭其煩”“溫故知新”的態(tài)度，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了有效分解和詳細(xì)講述。另一方面，筆者在課后習(xí)題的布置中力爭(zhēng)涵蓋當(dāng)天教學(xué)的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生通過習(xí)題引導(dǎo)，自主進(jìn)行復(fù)習(xí)，加深認(rèn)知。

2.4融合網(wǎng)絡(luò)資源創(chuàng)新教學(xué)形式

2.4.1借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提升備課工作質(zhì)量

傳統(tǒng)的備課手段無法實(shí)現(xiàn)資源共享和信息化教學(xué)的要求，在教育信息化的大環(huán)境下，將資源共享、協(xié)調(diào)配合作為主要的指導(dǎo)思想，以豐富的資源為支撐，可快速便捷地查找、選擇及管理自己需要的資源，完成各項(xiàng)備課任務(wù)[8]。課堂上還可以利用網(wǎng)絡(luò)信息化學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行簽到、在線互動(dòng)、課堂討論、課堂測(cè)試以及章節(jié)測(cè)試，使得課堂學(xué)習(xí)形式多元化，活躍課堂氣氛。此外，教師也可以根據(jù)云平臺(tái)的大數(shù)據(jù)，針對(duì)學(xué)生的不同學(xué)習(xí)情況以及學(xué)習(xí)水平，制訂不同的教學(xué)方案，提高教學(xué)質(zhì)量和效率。

2.4.2建立以學(xué)生為中心的新型師生互動(dòng)模式

通過多種渠道搜集學(xué)生的反饋信息，如課堂問答、課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)操作情況及實(shí)驗(yàn)報(bào)告等進(jìn)行分析，從而從整體上了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，做出改善教學(xué)的調(diào)整，從而形成將學(xué)生作為課堂中心的互動(dòng)教學(xué)模式[9]，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的積極參與和主動(dòng)感受，是一種“主導(dǎo)―主體”結(jié)構(gòu)的教學(xué)模式[10]。

2.5堅(jiān)持思政融入實(shí)現(xiàn)立德樹人

在本課程講授過程中，應(yīng)建立講授內(nèi)容與思政要素的有機(jī)映射，實(shí)現(xiàn)思政教育要求在課程內(nèi)容中的有效融合[11]。在課程的不同階段，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)儀器儀表的自主可控需求與當(dāng)前現(xiàn)狀分析，鼓勵(lì)學(xué)生投身產(chǎn)業(yè)報(bào)國；通過對(duì)信號(hào)流圖表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，代入個(gè)體與整體關(guān)系，促使學(xué)生加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作；通過傅立葉變換及其持續(xù)發(fā)展演進(jìn)的講授，說明創(chuàng)新的持續(xù)性和積累性，量變產(chǎn)生質(zhì)變，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新理念等。

3結(jié)語

通過確立教學(xué)理念，采取合理措施，開展教學(xué)實(shí)踐，有效完成了該學(xué)期“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)任務(wù)。從課堂講授過程看，課堂上學(xué)生的出勤率很高，會(huì)積極搶占前排的座位，經(jīng)常有同學(xué)搶答課堂問題的情況，課堂教學(xué)氛圍很好，學(xué)生的參與度很高。從課后作業(yè)看，學(xué)生的作業(yè)完成度很高，整體質(zhì)量很好，書寫工整，條理清晰，大部分同學(xué)都可以及時(shí)糾正參考答案的錯(cuò)誤。從章節(jié)測(cè)試來看，學(xué)生非常歡迎網(wǎng)絡(luò)信息化學(xué)習(xí)平臺(tái)加入課堂，學(xué)習(xí)積極性高漲。從期末考試成績(jī)看，成績(jī)比較理想，班級(jí)高分學(xué)生較多，大多數(shù)學(xué)生的綜合能力較強(qiáng)，自主學(xué)習(xí)意識(shí)較強(qiáng)，期末考試前復(fù)習(xí)很充分，課程教學(xué)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，教學(xué)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作，未來將繼續(xù)完善線上線下配套教學(xué)資源[12]，進(jìn)一步為課程建設(shè)、學(xué)生職業(yè)技能發(fā)展，乃至國家人才隊(duì)伍培養(yǎng)做出貢獻(xiàn)。

*通訊作者：張晶

基金項(xiàng)目：皖西學(xué)院校級(jí)高層次人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目（WGKQ2021057）；審核性評(píng)估與新工科視域下通信工程專業(yè)人才培養(yǎng)評(píng)價(jià)研究（2019JYXM1174）；安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目“新工科”背景下信息類專業(yè)學(xué)生評(píng)價(jià)研究（2019JYXM0360）；安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)團(tuán)隊(duì)（2019JXTD092）；安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目通信原理智慧課堂皖西學(xué)院校級(jí)質(zhì)量工程（WXXY2019019）。

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