李繼猛　謝平　江國乾　林洪彬　杜義浩

[摘要]結合測控技術及儀器專業(yè)培養(yǎng)需求及教學改革現(xiàn)狀，以學生創(chuàng)新實踐能力綜合培養(yǎng)為目標，針對測控專業(yè)數(shù)字信號處理課程教學活動中存在的問題與不足，基于CDIO理念提出了“基于目標驅動的數(shù)字信號處理課程模塊化教學改革”新思路。該教學模式構建了由課堂講解、MATLAB作業(yè)、綜合實驗、課堂討論、項目設計等環(huán)節(jié)構成的模塊化教學體系，通過建立課程培養(yǎng)目標能力需求，強化重點內(nèi)容，引導學生進行自主探究式學習；通過設定問題和目標引導學生自主實踐，培養(yǎng)其學習興趣和主動學習能力。這種教學模式將理論教學和實踐教學有機結合，以鍛煉學生綜合應用所學知識解決信號處理相關問題的能力，增強學生團隊協(xié)作及合作交流能力，實現(xiàn)學生學術理論素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力的綜合提升。通過兩年的教學改革實踐，在教學質量改善和學生綜合能力提升等方面取得了良好效果。

[關鍵詞]CDIO；模塊化教學改革；項目式教學；數(shù)字信號處理

[中圖分類號]G642.0；G420 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-4634（2016）04-0061-05

0 引言

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，代表構思（Conceive）、設計（De-sign）、實現(xiàn)（Implement）及運作（Operate），以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式進行學習，培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力。目前，我國工科的教育實踐尚存在以下問題：重理論輕實踐、強調個人學術能力而忽視團隊協(xié)作精神、重視知識學習而輕視開拓創(chuàng)新能力的培養(yǎng)等問題。因此，根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》，教育部啟動了工程教育改革“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，構建符合中國特色的工程人才培養(yǎng)模式?，F(xiàn)在越來越多的工程院校開始關注應用性高層次工程技術人才的培養(yǎng)工作，并推行實施了一系列教學改革，取得了良好效果。

數(shù)字信號處理是為電子信息工程、測量與儀器儀表、自動化等專業(yè)學生開設的專業(yè)基礎課，旨在使學生正確掌握測試信號的采集、變換、分析及處理等基本原理與方法，并應用于工程實際。而該課程理論性較強，基本原理與數(shù)學概念抽象，學生在被動接受的情況下不易理解、難以實現(xiàn)靈活運用；而且，實踐教學作為該課程的重要組成環(huán)節(jié)，很多高校未能將理論教學與實踐教學有機結合，而是單獨設置，使得學生難以將理論應用于實踐，實現(xiàn)專業(yè)知識的工程化。因此，數(shù)字信號處理作為理論性和實踐性要求均較強的一門綜合課程，如何有效組織理論教學內(nèi)容并適當增加實踐環(huán)節(jié)，使學生打好理論基礎的同時提高應用技能，實現(xiàn)“做中學”是值得探討和解決的關鍵問題。

為此，針對測控專業(yè)的授課體系和學生的知識架構，燕山大學自2003年起對該課程的教學手段和教學方式進行了系列改革，編寫了配套教材，并結合多媒體教學和網(wǎng)絡教學平臺，豐富課堂教學內(nèi)容和課下自主學習模式，提高教學質量和教學效率。2013年，隨著CDIO教學模式的探索和相關教學改革項目的實施，提出了一種基于目標驅動的數(shù)字信號處理課程模塊化教學模式，以滿足測控技術與儀器專業(yè)的培養(yǎng)需求。這種教學模式將理論學習和實踐訓練有機結合，培養(yǎng)學生獨立思考、分析和解決問題的能力，增強學生間合作和溝通技巧，鍛煉綜合實踐能力和創(chuàng)新能力，從而提高學生的“CDIO”技能。

1 基于CDIO理念的教學改革直大力支持并推廣開展工程教育改革與創(chuàng)新、CDIO教學模式的實踐與探索等工作，工程教育課程體系中的核心課程均采用基于CDIO理念的項目式教學，將理論學習和項目實踐有機結合，著重從工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力等4個層面培養(yǎng)高層次工程技術人才。在此背景下，針對燕山大學測控專業(yè)數(shù)字信號處理課程的教學現(xiàn)狀，本文提出了基于目標驅動的數(shù)字信號處理課程模塊化教學改革模型，如圖1所示，即分別按照CDIO的不同階段和完成設定任務的具體過程（調研、討論與分解、設計與分析、實現(xiàn)與評價），搭建由“課堂理論教學一MATLAB作業(yè)”和“綜合實驗-課下查閱”和“課堂討論一項目綜合實踐構成的模塊化教學及實踐模型”。基于該教改模型，數(shù)字信號處理課程將課堂教學與項目實踐有機結合，為學生提供更多接觸信號處理領域工程實際問題的機會，讓學生運用所學理論知識去解決實際工程問題，并通過提問、討論、分析和實踐等方式使學生更好地理解掌握課程課堂教學內(nèi)容，“學”為“做”提供指導，“做”為“學”提供驗證，實現(xiàn)“學”與“做”的交叉互動。通過該課程的教學改革，培養(yǎng)學生自主學習和獨立思考的能力、分析和解決信號處理相關實際問題的能力，鍛煉學生的CDIO技能，提高學生的綜合素質。

課程教改實施的首要前提是教學體系的構建，即教學內(nèi)容組織和教學方式調整，基于圖1中教學改革模型展開的數(shù)字信號處理課程模塊化教學改革體系如圖2所示，即將理論教學和實踐環(huán)節(jié)有效統(tǒng)一于教學體系下，并與課程培養(yǎng)目標達成一致。

1.1 能力目標設定和教學體系構建

1.2 教學內(nèi)容組織和教學方式調整

目標驅動式教學出發(fā)點是以專業(yè)能力培養(yǎng)的目標需求為導向，構建課程知識體系和實施方式，即分別以知識目標、能力目標和情感目標3方面構建本課程的教學目標和組織方式。在此基礎上，按照模塊化教學改革模型修訂課程教學大綱及教學計劃，完善教學體系和教學內(nèi)容設置；以實踐能力培養(yǎng)為導向，增加課程討論、項目作業(yè)等實踐環(huán)節(jié)學時，并與現(xiàn)有實踐環(huán)節(jié)有機結合、統(tǒng)一調整，形成基于CDIO的模塊化教學體系。

與通信工程等專業(yè)不同，測控專業(yè)數(shù)字信號處理課程的定位是：在學生沒有“信號與系統(tǒng)”先修課程的基礎上，以離散時間信號與系統(tǒng)分析及設計為主線，適當補充連續(xù)時間信號與系統(tǒng)的相關知識，并注重理論教學和工程實踐能力培養(yǎng)的有機結合，實現(xiàn)知識到能力的整合及遷移。教學內(nèi)容組織和教學方式改革遵循以下原則：（1）知識的系統(tǒng)性和對稱性（如連續(xù)和離散、時域和頻域、各種傅里葉變換等）；（2）理論和實踐有機結合（理論講解和工程實例、習題解答和大作業(yè)實踐）；（3）課堂講授和自主學習相結合（知識主線學習和項目實踐）?；谏鲜鲈瓌t確定各專業(yè)知識點和教學內(nèi)容的組織方式，實現(xiàn)課堂講授及討論、課程實驗和項目實踐的靈活教學組織。同時，根據(jù)本課程教學重點及實際應用背景，確定符合專業(yè)背景的工程應用實例和學生實踐題目，并按預定安排和實現(xiàn)方式予以實施。

1.3 模塊化教學模式

基于CDIO的目標驅動式教學改革模式的核心是各教學模塊的靈活實現(xiàn)及有效結合，教學過程體現(xiàn)為以理論教學和實踐教學兩條線索相互貫穿互為支撐，使學生在“學習一思考一實踐”的有機結合中培養(yǎng)其分析問題和解決問題的綜合能力。圖3所示為模塊化教學體系的組織方式。

1）理論教學。理論教學是課程的基礎，針對數(shù)字信號處理課程教學內(nèi)容的抽象性特點，在理論教學中采取以下教學方法。（1）突出知識線索：注重核心知識點的深入講解，強調三個突出，即重點突出、線索突出、導引突出；注重知識對稱性講解（時-頻、連續(xù)-離散）和連貫性講解（不同F(xiàn)T變換及Z變換等）；（2）采用理論推導、實例分析及演示、案例教學和前沿介紹相結合的方法，幫助學生加深對信號處理關鍵知識點及應用方法的理解；（3）針對重點問題布置課下作業(yè)和討論題目，引導學生針對某一任務目標進行課下查閱、MATLAB軟件設計及自主學習，并為后續(xù)項目實踐環(huán)節(jié)做鋪墊。

2）項目式教學。在理論教學的同時，針對課程需要重點掌握的核心知識點，如信號的頻域分析、數(shù)字濾波等問題，設定符合工程應用背景的典型應用問題和實踐題目，并按照課下查閱、課堂討論及匯報、項目設計等環(huán)節(jié)予以實施。針對教學內(nèi)容中的重要理論知識，選取具有一定工程意義且普遍關注的問題作為討論題目，例如：（1）MH370黑匣子與信號處理；（2）“因聲辨人”中蘊含的信號處理知識及其相關原理等，以小組合作的方式開展課下查閱和分析，引導學生運用所學知識分析實際問題，通過匯報、答辯交流及教師點評等方式，加深對所學理論知識的理解，實現(xiàn)循序漸進式學習，同時培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力、信息加工及語言表達能力和團隊協(xié)作能力。在對信號處理某一應用問題及原理等相關題目進行分析研討的基礎上，將已經(jīng)開展的MATLAB作業(yè)進一步擴展為項目設計，同時與實驗環(huán)節(jié)有機銜接，構成本課程的項目實踐環(huán)節(jié)。本課程開展的模塊化教學改革及項目實踐過程見圖4?？梢?，該模塊化教學方式既體現(xiàn)了“以學生為主體、以教師為輔助”的互動教學過程，又將構思、設計、實現(xiàn)及運作的CDIO理念有機整合于目標驅動式教學環(huán)節(jié)中。通過這種模塊化項目教學方式的有效實施，學生初步掌握了運用所學知識解決信號處理相關問題的軟件設計能力，具備對實驗數(shù)據(jù)的分析和解釋能力，也培養(yǎng)了學生解決工程問題的思維能力和合作交流能力。

3）教學考核方式。為提高學生的綜合素質，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，考核采用多環(huán)節(jié)綜合評定的方式。本門課程的考核由6部分組成，分別為平時出勤成績（5%）+作業(yè)成績（10%）+討論課成績（0%）+三級項目成績（15%）+實驗成績（10%）+結課考試成績（50%），實驗成績由實驗出勤（60%）+實驗報告（20%）+實際操作（20%）組成。每個學生本門課程的總成績?yōu)樵撋蒙鲜?部分成績之和。試卷命題以教學大綱和教學要求為中心，以教學中的重點內(nèi)容為主線，既注重基本內(nèi)容及實際應用，又包含綜合分析，覆蓋每一章的知識重點，以體現(xiàn)學生的綜合素質，提高了教學效果。同時，建立了一套基于調查問卷的反饋評價機制，針對教師的授課內(nèi)容、授課方式、討論課題目和組織方式、三級項目實施效果等進行問卷調查，歸納總結并及時修正教學改革中的不足，如實驗成績中出勤所占比重較大，弱化了學生動手操作和報告撰寫能力在考核中的權重，所以，在后續(xù)教學活動中，將實驗成績分布調整為出勤（20%）+實驗報告（40%）+實際操作（40%）。通過這種不斷的總結和調整，逐步實現(xiàn)課程改革的最優(yōu)化。

3 結論

為檢驗教學改革實施情況和實際效果，分別對教學改革前（測控技術與儀器專業(yè)2008、2009級各50人）和教學改革后（測控技術與儀器專業(yè)2010、2011級各50人）就數(shù)字信號處理課程的學習情況進行調查。調查結果如圖5所示。結果表明，通過結合工程背景的理論教學，使學生對理論學習的滿意程度由改革前的75%提高至改革后的85%：85%的學生認為這種教學方法有助于理解課程中的基本概念和方法：75%的學生認為這種教學方法中的課程實驗加深了對理論學習內(nèi)容的理解：80%的學生認為這種基于CDIO的實踐教學方法對本課程的工程實踐具有啟發(fā)作用；75%的學生認為這種模塊化的教學方法有助于學生對課程內(nèi)容體系的理解；超過80%的學生認為自己發(fā)現(xiàn)問題、文獻查閱與分析、解決問題、團隊協(xié)作等能力得到了顯著提升。

針對目前數(shù)字信號處理課程教學過程中存在的問題與不足，提出了一種基于目標驅動的數(shù)字信號處理課程模塊化教學改革新模式，將數(shù)字信號處理課程中的理論教學與項目實踐有機結合，建立了由課程培養(yǎng)目標、課堂討論、綜合實驗和工程實踐等構成的模塊化教學和實踐系統(tǒng)，在強調學生理論基礎知識的同時，注重培養(yǎng)學生的理論應用能力、團隊合作能力及工程系統(tǒng)能力，并取得了良好效果。這種教學改革模式將理論學習與實踐訓練相結合，培養(yǎng)學生獨立思考、分析問題與解決問題的能力，加強合作和溝通技巧，促進綜合實踐與創(chuàng)新能力，有助于高層次工程技術人才的培養(yǎng)。