王 堅(jiān)，李玉柏，李 桓，楊 鍊

(電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，四川 成都 611731)

根據(jù)國際工程專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，工程專業(yè)大學(xué)生應(yīng)掌握復(fù)雜工程問題中信號和系統(tǒng)的基本原理、掌握信號與系統(tǒng)的表征和數(shù)學(xué)描述、掌握信號的分析與處理方法[1]。因此，培養(yǎng)學(xué)生信號分析與處理能力是工程專業(yè)能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)內(nèi)容，大部分電子類高校也都開設(shè)了信號分析與處理系列課程，如信號與系統(tǒng)、隨機(jī)信號分析、數(shù)字信號處理、軟件無線電技術(shù)和DSP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等。然而，目前信號分析與處理系列課程不論是在 “教”，還是在 “學(xué)”都存在一些問題，如何對信號分析與處理系列課程進(jìn)行改革，獲得良好的教育成果，成為各大電子類高校普遍關(guān)心的問題[2－3]。

1 課程教學(xué)存在的問題

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，信號分析與處理系列課程在“教”和 “學(xué)”方面都存在一些問題。

首先，課程組對學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，邀請了退休老教授進(jìn)行隨堂聽課并反饋意見。從收集到的信息來看，信號分析與處理系列課程在 “教”的環(huán)節(jié)上，存在以下4個問題:

1)課程內(nèi)容偏重基礎(chǔ)，挑戰(zhàn)性不夠，難以培養(yǎng)學(xué)生思考問題的能力；

2)不同的課程之間知識割裂，這導(dǎo)致學(xué)生掌握的知識點(diǎn)是離散狀態(tài)，在進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)時很難進(jìn)行綜合應(yīng)用；

3)在大班授課模式下，由于人數(shù)眾多，個體差異情況比較明顯，統(tǒng)一的教學(xué)大綱使得教學(xué)過程中因材施教不足；

4)課程實(shí)驗(yàn)淺嘗輒止，基本可以在不進(jìn)行課前準(zhǔn)備的情況下完成，不能真正起到提升學(xué)生動手能力的作用[4]。

其次，課程組對多屆學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查，并與多位輔導(dǎo)員、班主任進(jìn)行了溝通，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣也在逐年改變，導(dǎo)致 “學(xué)”的環(huán)節(jié)上也出現(xiàn)了如下3點(diǎn)問題。

1)學(xué)習(xí)主動性不強(qiáng)，采用 “聽書模式”代替“讀書模式”，即上課只聽不想，課后復(fù)習(xí)與思考的時間也不夠。部分同學(xué)反映，授課內(nèi)容挑戰(zhàn)性不足，也是導(dǎo)致其只聽書不讀書的原因之一。

2)采用 “搜索知識”代替 “學(xué)習(xí)知識”，習(xí)慣 “虛擬場景”代替 “現(xiàn)實(shí)問題”。在課后習(xí)題中，碰見疑難問題首先想到的是利用網(wǎng)絡(luò)資源搜索答案，而很少通過思考來解決問題。

3)學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中更看重學(xué)分，而輕視能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致高分低能的現(xiàn)象[5]。

針對信號分析與處理系列課程在教學(xué)中所面臨的問題，課程組以國家精品課程建設(shè)和國家雙語示范課程建設(shè)為基礎(chǔ)，以國家級通信與信息處理示范實(shí)驗(yàn)中心和教育部工程實(shí)踐教育中心為平臺，對電子信息學(xué)科中信號分析與處理系列課程進(jìn)行了教學(xué)改革，并通過實(shí)踐驗(yàn)證了教改的效果。

2 課程教學(xué)改革的方法

近年來，課程組對信號分析與處理系列課程開展了立體化建設(shè)，并取得初步成效。在建設(shè)過程中，課程組提出了 “盡早綜合運(yùn)用課程知識、盡早接觸工程實(shí)際、盡早開展探索研究，強(qiáng)化學(xué)生主動學(xué)習(xí)”的 “三盡早一強(qiáng)化”的教學(xué)改革思路，并進(jìn)行實(shí)踐。

2.1 課程體系改革

在課程體系改革方面，課程組重新優(yōu)化了信號分析與處理系列課程，創(chuàng)新性地構(gòu)建了對象多樣化、課程層次化和內(nèi)容國際化的三維課程體系。

1)對象多樣化。

在對象多樣化方面，課程組針對同一層次、不同學(xué)院的學(xué)生對象，開展了挑戰(zhàn)性教學(xué)改革。

以國家精品課程數(shù)字信號處理為例，除了基本教學(xué)知識點(diǎn)外，課程組還針對4個不同學(xué)院(通信學(xué)院、英才學(xué)院、格拉斯哥學(xué)院和海外留學(xué)生)對學(xué)生提出的能力要求，設(shè)計(jì)了一個多樣化的課程選擇方案。如針對英才學(xué)院的學(xué)生，數(shù)字信號處理要求學(xué)生達(dá)到或部分達(dá)到SM2/EA3/EP2的工程能力。因此，課程組在教學(xué)內(nèi)容上拓展了離散系統(tǒng)處理連續(xù)信號、有限字長效應(yīng)分析等8個知識點(diǎn)，增加了數(shù)理濾波器硬件實(shí)現(xiàn)和FFT算法實(shí)現(xiàn)共計(jì)6個工程實(shí)踐內(nèi)容。對格拉斯哥學(xué)院的學(xué)生，課程組擴(kuò)展了DFT信號譜分析、利用小波進(jìn)行信號去噪和變采樣率信號處理等工程分析內(nèi)容。對海外留學(xué)生，課程組在一般的仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開展了多樣化的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)[6]。

2)課程層次化。

在課程層次化方面，課程組針對本科、工學(xué)碩士和應(yīng)用型碩士的不同培養(yǎng)目標(biāo)，分層次地進(jìn)行課程建設(shè)[7]。以軟件無線電技術(shù)課程為例進(jìn)行說明。

本科生的培養(yǎng)以理論基礎(chǔ)為主，其授課內(nèi)容包括數(shù)字化技術(shù) (含采樣、信道、SDR結(jié)構(gòu)和變采樣處理等知識點(diǎn))和軟件化技術(shù) (含基帶編碼軟件化、調(diào)制解調(diào)軟件化和同步技術(shù)軟件化等內(nèi)容)。

對工學(xué)碩士而言，課程組在本科生的課程基礎(chǔ)上，提升了理論要求并增加了動手能力的培養(yǎng)。在理論方面，課程組在數(shù)字化技術(shù)部分增加了數(shù)字空域?yàn)V波，并在軟件化技術(shù)方面增加了智能天線軟件化和數(shù)字射頻軟件化等知識點(diǎn)；在動手能力方面，課程組增加了實(shí)踐環(huán)節(jié)，并要求學(xué)生利用MATLAB軟件完成成型濾波器和調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)和仿真。

對應(yīng)用型碩士而言，課程組縮短了理論課的授課時間，進(jìn)一步強(qiáng)化其動手能力。此外，在理論課堂上，課程組將知識點(diǎn)講解更改為知識點(diǎn)介紹，細(xì)節(jié)內(nèi)容由學(xué)生課后自習(xí)。在實(shí)踐課方面，課程組大幅增加了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 (如通信性能測試和無線收發(fā)等實(shí)驗(yàn))和課時數(shù)，并在實(shí)現(xiàn)手段上提出了更高的要求，即應(yīng)用型碩士除了要對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行MATLAB仿真外[8]，還需利用ARM、DSP和FPGA等芯片完成實(shí)際的功能開發(fā)與調(diào)試[9－10]。

3)內(nèi)容國際化。

內(nèi)容的國際化，包括教材內(nèi)容的國際化和授課教師的國際化兩部分。

為了課程內(nèi)容的國際化，課程組連續(xù)派出5位教師到國際知名大學(xué)進(jìn)行交流，重點(diǎn)學(xué)習(xí)信號分析與處理系列課程的體系建設(shè)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建設(shè)，提升課程教育的國際視野。然后，課程組在課程教學(xué)中采用了雙語授課，并選用了經(jīng)典的全英文教材，將教學(xué)內(nèi)容與國際知名大學(xué)接軌。如信號與系統(tǒng)課程采用美國工程院院士奧本海姆的 《Signals and Systems》，數(shù)字信號處理課程采用了美國加利福利亞大學(xué)米特拉教授的 《Digital Signal Processing－A Computer－based Approach》。 同時，課程組還改編了多本國外經(jīng)典教材，以適合國內(nèi)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣[11]。

此外，課程組積極邀請國外知名教授參加國際學(xué)堂，如萊斯大學(xué)教授、前TI首席科學(xué)家Frantz教授為我校學(xué)生講授了課程Analogue Signal Processing，美國特拉華大學(xué) Charles教授則講授了Signal and System課程，此外還有多門課程，此處不一一列舉。通過這種國際化的教學(xué)方式，不僅讓學(xué)生接觸到了國際知名教授的授課方式，更重要的是課程組借此機(jī)會與這些國際知名教授進(jìn)行了深入交流，為我們信號分析與處理系列課程的教學(xué)改革和實(shí)踐帶來了巨大的幫助。

通過課程體系改革，課程組取得了一系列成果，編寫并實(shí)施了多樣化、多層次教學(xué)大綱21套，制作課程教案46種；編寫教材、譯著、講義11本，發(fā)表教改論文7篇；在建兩門MOOC課程，建成了一門MOOC課程，在線學(xué)習(xí)人數(shù)13 900人。

2.2 教學(xué)模式改革

在教學(xué)模式改革方面，課程組建立了多維度的學(xué)生學(xué)習(xí)成效評價模式。該模式在傳統(tǒng)的期中考試成績和期末考試成績基礎(chǔ)上，強(qiáng)化了學(xué)習(xí)過程的檢測與評估，包括學(xué)生互動環(huán)節(jié)評估、課程實(shí)驗(yàn)評測、上機(jī)考核和課程設(shè)計(jì)考核。在此基礎(chǔ)上，課程組以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成效為目的，構(gòu)建了 “四突出的教學(xué)模式”:

本作品運(yùn)用賦權(quán)計(jì)分的方式對專家、用人單位和學(xué)生進(jìn)行實(shí)證分析研究，在試卷分析部分還采用了經(jīng)典測量理論法衡量試卷結(jié)構(gòu)。并且通過層次分析法，得到專家、用人單位、學(xué)生和試卷這四方面的權(quán)重，主觀賦權(quán)的兩兩比較矩陣如表1所示。最終得到專家評價得分、用人單位評價得分、學(xué)生自我評價得分、學(xué)生試卷得分各占權(quán)重為：2/33、1/4、7/57、37/65。然后通過一致性檢驗(yàn)得到：CR=(3/41)/0.96≈0.077，CR=0.077≤0.1，所以該兩兩比較矩陣滿足一致性要求，其相應(yīng)求得的特征向量為有效。

1)通過知識學(xué)習(xí)的仿真化、軟件實(shí)驗(yàn)的硬件化及硬件實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)化，突出課程實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)性；

2)通過拓展理論知識的應(yīng)用性，拓展課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)，突出知識結(jié)構(gòu)的綜合性和知識應(yīng)用的系統(tǒng)性；

3)通過MOOC教學(xué)、小班教學(xué)和研討性教學(xué)等形式，突出教學(xué)模式的多樣性；

4)結(jié)合課程資源建設(shè)，鼓勵并支持學(xué)生參加DSP設(shè)計(jì)競賽等科技競賽，組織學(xué)生參與科技開發(fā)，突出課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的探索性。

通過教學(xué)模式改革，課程組完成了十二項(xiàng)校級以上教學(xué)改革項(xiàng)目，包括四川省教改項(xiàng)目 “大學(xué)生信號分析與處理能力立體化培養(yǎng)模式探索”，實(shí)踐了多種教學(xué)模式。同時，課程組還開展了上機(jī)考試題庫建設(shè)，建設(shè)了信號與系統(tǒng)上機(jī)考試題庫80余套，建設(shè)了數(shù)字信號處理上機(jī)考試題庫105套，并重點(diǎn)開發(fā)了系統(tǒng)性的課程實(shí)驗(yàn)73項(xiàng)和自主開發(fā)試驗(yàn)系統(tǒng)5套。

2.3 學(xué)習(xí)模式改革

在學(xué)習(xí)模式改革方面，課程組在教學(xué)實(shí)施的各個環(huán)節(jié)以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性為目標(biāo)，推行了學(xué)生 “三自主學(xué)習(xí)模式”。具體包括:

1)通過提供MOOC主動學(xué)習(xí)、課程內(nèi)容自主學(xué)習(xí)、自主選擇參加小班授課、翻轉(zhuǎn)課堂和研討式教學(xué)等課程學(xué)習(xí)模式，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)模式的自主選擇；

3)在課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和方法上，學(xué)生可以自主定義任務(wù)要求、自主定義設(shè)計(jì)方案、自主分析和驗(yàn)證及自主成果展示，鍛煉學(xué)生的獨(dú)立研究能力。

2.4 培養(yǎng)平臺改革

在培養(yǎng)平臺改革方面，課程組以通信與信息系統(tǒng)國家試驗(yàn)示范中心、UESTC－虹微教育部工程實(shí)踐教育中心及學(xué)科國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為依托，通過把信號分析與信息處理能力納入通信大類專業(yè)能力培養(yǎng)體系，把課程實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)課程納入到國家實(shí)驗(yàn)示范中心的工程實(shí)踐教育體系，把信號分析與處理技術(shù)的體驗(yàn)室納入到教育部工程實(shí)踐教育中心建設(shè)及把學(xué)科重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研成果和科研平臺納入到教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)中[12－13]，實(shí)現(xiàn)了信號分析與處理能力的 “四融入培養(yǎng)平臺”建設(shè)和全面升級。

圖1 四融入培養(yǎng)平臺

信號分析與處理能力的 “四融入培養(yǎng)平臺”如圖1所示。升級后的信號分析與處理系列課程的培養(yǎng)平臺，包括先進(jìn)的并行計(jì)算與通信信號處理平臺、自主設(shè)計(jì)/驗(yàn)證/評估的軟件無線電平臺、多種通信信號處理技術(shù)體驗(yàn)室及DSP設(shè)計(jì)大賽/Intel嵌入式競賽/華為編程大賽等學(xué)生競賽平臺，支持了學(xué)生競賽210人 (其中45人獲得國家級獎勵)，支持創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)21項(xiàng) (覆蓋能力達(dá)600人/年以上)，這有效支持了學(xué)生能力的培養(yǎng)。

3 課程教學(xué)改革的實(shí)現(xiàn)成效

對系列課程教學(xué)改革和實(shí)踐后，課程組開展了教學(xué)改革成效的問卷調(diào)查。調(diào)查結(jié)果表明，學(xué)生對教學(xué)改革后的信號分析與處理系列課程教學(xué)體系有較清晰的理解，90%以上的學(xué)生認(rèn)為相關(guān)的課程挑戰(zhàn)性有明顯的增加，課程實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容，其先進(jìn)性和實(shí)踐項(xiàng)目的系統(tǒng)性都有較大的提升。信號分析與處理系列課程所采取的靈活的教學(xué)模式和注重學(xué)生參與到學(xué)習(xí)過程的多維度考核制度，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，其主動性得到較大提高。

如圖2所示，給出了課程教學(xué)改革成效對比。從圖中可以看出，本次教改的成效體現(xiàn)在課程內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、培養(yǎng)體系和教學(xué)模式4個方面。

圖2 課程教改成效示意圖

在課程內(nèi)容上，改革前課程知識點(diǎn)相對獨(dú)立，教學(xué)環(huán)節(jié)圍繞各個知識點(diǎn)設(shè)置，教學(xué)方式相對單調(diào)，這使得學(xué)生對知識點(diǎn)之間的區(qū)別和聯(lián)系認(rèn)識不足。改革后，課程除了傳授原有的知識點(diǎn)外，還拓展了能力培養(yǎng)，增加了知識融合應(yīng)用、綜合設(shè)計(jì)與探索創(chuàng)新等方面，使學(xué)生由學(xué)以致知向?qū)W以致用轉(zhuǎn)變。

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方面，改革前課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以驗(yàn)證為主，淺嘗輒止，對學(xué)生動手能力提高有限。改革之后，通過知識仿真化、軟件實(shí)驗(yàn)硬件化和硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)化等手段，實(shí)驗(yàn)的規(guī)模和深度都得到了較大提升，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力得到有效提升。

在培養(yǎng)體系方面，改革前課程培養(yǎng)未根據(jù)對象的專業(yè)需求進(jìn)行細(xì)化，在因材施教、因需施教方面比較薄弱。改革后，由于實(shí)現(xiàn)了多樣化、層次化和國際化的課程體系，學(xué)生對課程知識和自身的專業(yè)背景有了更好的結(jié)合，使他們在后期的工作和學(xué)習(xí)中能更加方便、快捷地提升各自的專業(yè)能力。

在教學(xué)模式方面，改革前以教為主，更多是教師講解而學(xué)生被動吸收，在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，提升學(xué)生思維能力等方面相對較少。改革后，課程組采用了多種教學(xué)模式，以激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的動力。同時，課程組還提供了一系列先進(jìn)的平臺，將書面知識的學(xué)習(xí)引導(dǎo)到探索式學(xué)習(xí)上來，為學(xué)生的科研能力培養(yǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

信號分析與處理能力，是電子信息學(xué)科的學(xué)生應(yīng)具備的基礎(chǔ)能力之一。課程組針對信號分析與處理系列課程存在的問題，開展了課程體系、教學(xué)模式、學(xué)習(xí)模式和培養(yǎng)平臺等方面的改革。在改革過程中，構(gòu)建了多樣化、課程層次化、內(nèi)容國際化的三維課程體系，在此基礎(chǔ)上提出了“四突出”教學(xué)模式和 “三自主”學(xué)習(xí)模式，并搭建了 “四融入”培養(yǎng)平臺。通過改革，學(xué)校學(xué)生的動手能力和思考能力得到了有效增強(qiáng)，其學(xué)習(xí)積極性和有效性得到了顯著提高。

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