王毅 趙飛 楊少川 郭慧 邸金紅

摘?要：本文面向“新工科”建設(shè)的內(nèi)涵和發(fā)展要求，針對(duì)電子信息類研究生學(xué)科基礎(chǔ)課“現(xiàn)代信息與信號(hào)處理”的教學(xué)改革展開(kāi)初步探索。首先，從課程自身特點(diǎn)、內(nèi)容學(xué)時(shí)安排、考核組織形式等方面分析了該課程在以往教學(xué)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題。進(jìn)而，提出了梳理課程體系、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、增設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、豐富教學(xué)方式以及強(qiáng)化過(guò)程性考核等多個(gè)維度的教學(xué)改革的具體措施與路徑，由此不斷強(qiáng)化該門(mén)課程在電子信息類研究生培養(yǎng)過(guò)程中的基礎(chǔ)性作用。

關(guān)鍵詞：新工科；研究生；現(xiàn)代信息與信號(hào)處理；教學(xué)改革

1?概述

為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，加快培養(yǎng)新興領(lǐng)域工程科技人才，改造升級(jí)傳統(tǒng)工科專業(yè)，主動(dòng)布局未來(lái)戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域人才培養(yǎng)，自2017年以來(lái)，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，指出工科優(yōu)勢(shì)高校要對(duì)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)揮主體作用，并先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”等指導(dǎo)性文件，提出了面向工程教育的“新理念”“新結(jié)構(gòu)”“新模式”“新質(zhì)量”和“新體系”五大建設(shè)內(nèi)涵。與此同時(shí)，我國(guó)為推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，實(shí)施“一帶一路”“中國(guó)制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等一系列重大戰(zhàn)略，對(duì)工程技術(shù)人才培養(yǎng)提出了新的更高要求，要求面向產(chǎn)業(yè)、面向世界、面向未來(lái)建設(shè)“新工科”。

根據(jù)新工科建設(shè)的發(fā)展要求，高校人才培養(yǎng)的內(nèi)涵發(fā)生重要變化，加快高等院校的工科專業(yè)課程教學(xué)改革和實(shí)踐勢(shì)在必行。以功率譜估計(jì)、維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾波器及應(yīng)用等經(jīng)典信號(hào)處理方法為代表的現(xiàn)代信息與信號(hào)處理技術(shù)是信息技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展最迅速的學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)課之一，廣泛應(yīng)用于通信信號(hào)處理、雷達(dá)信號(hào)處理、語(yǔ)音信號(hào)處理等領(lǐng)域，涉及信息與通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、控制科學(xué)與工程等多個(gè)學(xué)科門(mén)類，該技術(shù)具有理論深、實(shí)踐強(qiáng)和應(yīng)用廣的特點(diǎn)。與之對(duì)應(yīng)的“現(xiàn)代信息與信號(hào)處理”課程內(nèi)容豐富，相關(guān)理論在信息技術(shù)前沿領(lǐng)域有著極為重要的作用，因此，諸多高校將該門(mén)課程作為電子信息類專業(yè)研究生的核心專業(yè)基礎(chǔ)課。在新工科建設(shè)背景下，做好“現(xiàn)代信息與信號(hào)處理”課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革，對(duì)于加強(qiáng)電子信息類研究生的理論基礎(chǔ)，夯實(shí)研究生創(chuàng)新能力有著決定性影響，也直接關(guān)系到人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，如右圖所示。

“新工科”建設(shè)內(nèi)涵要求與培養(yǎng)方案、課程體系及教學(xué)實(shí)踐改革關(guān)系導(dǎo)圖

2?“現(xiàn)代信息與信號(hào)處理”課程教學(xué)現(xiàn)狀與問(wèn)題剖析

“現(xiàn)代信息與信號(hào)處理”課程作為電子信息類研究生培養(yǎng)方案中的學(xué)位專業(yè)基礎(chǔ)課，是該專業(yè)研究生順利開(kāi)展科研工作的重要理論支撐。如何通過(guò)設(shè)置合理的知識(shí)內(nèi)容體系、豐富的教學(xué)模式等以提升教學(xué)質(zhì)量關(guān)系到電子信息類研究生高質(zhì)量培養(yǎng)的目標(biāo)達(dá)成。許多高校對(duì)該課程進(jìn)行了前期的教學(xué)改革與實(shí)踐探索，雖然一定程度上改善了教學(xué)效果，但仍存在許多問(wèn)題亟待解決。

2.1?課程自身難度系數(shù)對(duì)課程培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成度的影響

與經(jīng)典的數(shù)字信號(hào)處理課程相比，“現(xiàn)代信息與信號(hào)處理”課程對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求更高，需要隨機(jī)過(guò)程、工程矩陣論、最優(yōu)化方法等作為前導(dǎo)基礎(chǔ)課。課程的分析對(duì)象從簡(jiǎn)單的一維信號(hào)和確定過(guò)程升級(jí)為高維信號(hào)和隨機(jī)過(guò)程等，分析方法眾多，涉及指標(biāo)廣泛，特別是該課程涉及的優(yōu)化算法、譜估計(jì)、頻率估計(jì)等，講授內(nèi)容抽象，多為復(fù)雜的數(shù)學(xué)表述，缺少直觀性。而工科研究生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，而且來(lái)自不同院校或相近專業(yè)的研究生，自身基礎(chǔ)有較大差異，較多學(xué)生反映該門(mén)課程學(xué)習(xí)難度較大，給教師授課也帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。在此情況下，傳統(tǒng)的課程內(nèi)容設(shè)置、授課方式、實(shí)驗(yàn)案例很難達(dá)到預(yù)期設(shè)定的培養(yǎng)目標(biāo)。

2.2?教學(xué)實(shí)踐課時(shí)與課程內(nèi)容復(fù)雜繁多之間的矛盾

該課程涉及知識(shí)面廣，知識(shí)點(diǎn)多，重點(diǎn)難點(diǎn)分散，理論功底要求高。在講授過(guò)程中，除了引入現(xiàn)代信號(hào)處理的概率、原理、方法等，還需要不斷地幫助學(xué)生回顧前導(dǎo)課程內(nèi)容，將零碎的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合在一起。值得注意的是，現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)所涉及的理論、算法、框架等發(fā)展迅速，新技術(shù)、新概念、新方法層出不窮，這些因素使課程附帶的教學(xué)內(nèi)容量節(jié)節(jié)攀升，但課程學(xué)時(shí)的安排卻鮮有改觀（以鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院為例，“現(xiàn)代信息與信號(hào)處理”課程僅設(shè)置36學(xué)時(shí)，且無(wú)課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)），這也造成了課時(shí)分配難以滿足教學(xué)內(nèi)容的需要，由此導(dǎo)致難以深入講解各章節(jié)要點(diǎn)，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)的不足也使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的運(yùn)用缺乏直觀體驗(yàn)。

2.3?技術(shù)理論發(fā)展迅速與理論實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新緩慢的矛盾

通信技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化控制等相關(guān)學(xué)科門(mén)類的高度融合和快速發(fā)展，催生了現(xiàn)代信號(hào)處理領(lǐng)域的新理論和新方法，用來(lái)解決實(shí)際場(chǎng)景中的新問(wèn)題，而經(jīng)典信號(hào)處理理論已經(jīng)相對(duì)久遠(yuǎn)，盡管其基本原理對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)體系具有很好的指導(dǎo)意義，但面對(duì)新場(chǎng)景的新模型時(shí)，從算法方案到性能指標(biāo)等都很難滿足設(shè)計(jì)要求。目前多數(shù)高校對(duì)該課程的教學(xué)體系仍然沿襲傳統(tǒng)模式，講述的知識(shí)內(nèi)容和要點(diǎn)明顯滯后于當(dāng)前主流技術(shù)，而且大多數(shù)都是基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)案例或者陳舊的仿真項(xiàng)目，與現(xiàn)代智能信號(hào)處理新技術(shù)嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)生難以通過(guò)理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)充分認(rèn)識(shí)該門(mén)課程涉及領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)。課程中的經(jīng)典理論知識(shí)和新近出現(xiàn)的技術(shù)得不到完整有效的結(jié)合，對(duì)實(shí)際場(chǎng)景中遇到的新問(wèn)題、新模型等很難充分感知，這就造成了所掌握的理論知識(shí)、專業(yè)技能與就業(yè)崗位需求不適，對(duì)研究生的科研、學(xué)術(shù)、工程實(shí)踐能力產(chǎn)生不利影響。

2.4?課程考核方式僵化與學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的矛盾

該門(mén)課程的考核方式大多采用閉卷考試，題型單一，內(nèi)容死板，學(xué)生多通過(guò)做題應(yīng)對(duì)考試，導(dǎo)致很難評(píng)估學(xué)生對(duì)該門(mén)課程內(nèi)容的掌握程度，特別是對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析和解決能力。作為研究生課程，更應(yīng)注重學(xué)生創(chuàng)新、實(shí)踐、應(yīng)用等能力，以閉卷考試為主的考核模式容易造成“重知識(shí)輕能力”的傾向，與研究生課程需要突出創(chuàng)新和實(shí)踐能力培養(yǎng)的初衷相背離。同時(shí)，傳統(tǒng)的閉卷考核模式對(duì)過(guò)程性環(huán)節(jié)的考核重視不足，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的設(shè)計(jì)算法、編程仿真、撰寫(xiě)報(bào)告等環(huán)節(jié)的考核不充分，不能全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，僅通過(guò)一次期末考試來(lái)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)做出評(píng)價(jià)，對(duì)于一門(mén)實(shí)踐性和應(yīng)用性較強(qiáng)的研究生課程是不合適的，這會(huì)使“現(xiàn)代信息與信號(hào)處理”這門(mén)課程失去了作為培養(yǎng)電子信息類專業(yè)研究生的基礎(chǔ)課程意義。

3?教學(xué)改革的具體措施與實(shí)踐探索

3.1?定位培養(yǎng)目標(biāo)，重塑課程體系，梳理知識(shí)脈絡(luò)

電子信息類專業(yè)研究生應(yīng)該具備堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論、寬廣的專業(yè)知識(shí)和較強(qiáng)的創(chuàng)新思維，掌握現(xiàn)代信號(hào)處理理論方法，能夠運(yùn)用現(xiàn)代開(kāi)發(fā)工具、先進(jìn)的工程化方法和技術(shù)從事電子信息領(lǐng)域工程技術(shù)問(wèn)題分析、電子信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等工作，該專業(yè)對(duì)研究生的培養(yǎng)應(yīng)更加注重理論成果的研究、工程實(shí)踐的應(yīng)用以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)?！艾F(xiàn)代信息與信號(hào)處理”課程體系龐雜，需要加強(qiáng)其與前導(dǎo)基礎(chǔ)課程和后續(xù)專業(yè)課程的聯(lián)系，綜合知識(shí)結(jié)構(gòu)，理清課程脈絡(luò)，使學(xué)生更透徹地理解現(xiàn)代信號(hào)處理的原理，并對(duì)信號(hào)處理的算法設(shè)計(jì)和指標(biāo)構(gòu)成有更全面的了解，讓主要知識(shí)點(diǎn)的掌握脈絡(luò)化。

結(jié)合本課程的特點(diǎn)，理清“前導(dǎo)知識(shí)—基礎(chǔ)理論—基本算法—分析方法—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—驗(yàn)證結(jié)論—應(yīng)用創(chuàng)新”這一思路。加強(qiáng)相關(guān)前導(dǎo)課程開(kāi)設(shè)和布局，例如隨機(jī)過(guò)程、工程矩陣論、凸優(yōu)化理論等可設(shè)定為電子信息類公共基礎(chǔ)課，學(xué)生通過(guò)前導(dǎo)課程的學(xué)習(xí)打好理論基礎(chǔ)，對(duì)于后續(xù)“現(xiàn)代信息與信號(hào)處理”的學(xué)習(xí)會(huì)事半功倍。同時(shí)，在授課過(guò)程中，要不斷強(qiáng)化課程知識(shí)體系梳理，讓學(xué)生從瑣碎的課程內(nèi)容中找到主線，幫助學(xué)生理清學(xué)習(xí)思路，有計(jì)劃有步驟地主動(dòng)學(xué)習(xí)本課程。

3.2?合理優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，理清重點(diǎn)難點(diǎn)，推廣案例式啟發(fā)教學(xué)

針對(duì)課程學(xué)時(shí)受限的客觀限制，除了可以適當(dāng)增加學(xué)時(shí)外，如何充分利用有限學(xué)時(shí)讓學(xué)生最大限度地掌握“現(xiàn)代信息與信號(hào)處理”課程的知識(shí)點(diǎn)并學(xué)會(huì)運(yùn)用，是更為核心的問(wèn)題。首先，對(duì)該課程與其他相關(guān)課程有重疊的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理、刪減和合并，讓學(xué)生利用課余時(shí)間復(fù)習(xí)前導(dǎo)課程基礎(chǔ)內(nèi)容。其次，經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐，對(duì)該課程的全部知識(shí)點(diǎn)根據(jù)難易進(jìn)行分門(mén)別類。難度較小的知識(shí)點(diǎn)，可采取學(xué)生自學(xué)和討論學(xué)習(xí)的模式，培養(yǎng)學(xué)生交流表達(dá)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力；難度較大的知識(shí)點(diǎn)，可由教師進(jìn)行總結(jié)概括，通過(guò)啟發(fā)式教學(xué)，引入知識(shí)點(diǎn)背景，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)自思考，既可以保證教學(xué)時(shí)間內(nèi)課程知識(shí)點(diǎn)的有效講授，又能夠鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力、獨(dú)立分析問(wèn)題能力以及運(yùn)用知識(shí)的能力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。因此，梳理教學(xué)內(nèi)容合理分配學(xué)時(shí)是該門(mén)課程改革的前提基礎(chǔ)。

該門(mén)課程中涉及的數(shù)學(xué)公式、定理推論眾多，為了避免學(xué)生覺(jué)得枯燥空洞，應(yīng)從物理概念和工程背景的角度導(dǎo)入知識(shí)點(diǎn)的講解，采用案例式教學(xué)增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，以楊綠溪教授編著的《現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理》教材為例，第六章最優(yōu)線性濾波器涉及大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)及矩陣分析，師生普遍反應(yīng)難度大。因此，在授課過(guò)程中可以通過(guò)“基于維納濾波器的MIMO系統(tǒng)信道均衡技術(shù)”教學(xué)案例，結(jié)合MATLAB軟件的仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生更直觀地感受這部分理論知識(shí)在4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中多天線技術(shù)的具體背景和工程意義，由此可將抽象復(fù)雜的數(shù)學(xué)內(nèi)容具體化、形象化，讓學(xué)生切實(shí)感受到課程內(nèi)容在實(shí)際工程中的具體應(yīng)用方法。

3.3?重視理論與實(shí)踐相結(jié)合，增加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，廣泛開(kāi)展前沿技術(shù)專題研討

雖然“現(xiàn)代信息與信號(hào)處理”課程的數(shù)學(xué)理論內(nèi)容較多，但其與工程應(yīng)用結(jié)合十分緊密，因此，有必要加強(qiáng)在理論知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)工程問(wèn)題背景的引入以及學(xué)生自主開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生在實(shí)際工程中學(xué)習(xí)、理解、運(yùn)用知識(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的理解，實(shí)現(xiàn)“學(xué)中用和用中學(xué)”。在授課過(guò)程中，教師可從實(shí)際工程問(wèn)題引入，給出解決思路，分析解決方案，并給出仿真結(jié)果，使其充分理解本門(mén)課程在工程應(yīng)用的物理意義。在課程實(shí)驗(yàn)安排上，可通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)，既可以采用編程仿真，也可以采用模塊化仿真，靈活性強(qiáng)。通過(guò)設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)庫(kù)，以驗(yàn)證類仿真（如“功率譜估計(jì)的格型參數(shù)法”）和綜合分析類仿真（如“機(jī)載通信中的回波抵消算法設(shè)計(jì)”）等多類型實(shí)驗(yàn)為主，可使學(xué)生由淺入深，由表及里，逐步理解、掌握、運(yùn)用所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。最后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的目標(biāo)要求，要求學(xué)生撰寫(xiě)完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告或設(shè)計(jì)報(bào)告，增強(qiáng)學(xué)生撰寫(xiě)科技理論的能力，建立良好的科研規(guī)范和習(xí)慣。

此外，該門(mén)課程涉及的技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展速度快，新概念、新方法層出不窮，教師可以結(jié)合所在團(tuán)隊(duì)研究方向，選取當(dāng)下熱門(mén)技術(shù)積極開(kāi)展專題研討，采用課下分組學(xué)習(xí)，課上分組報(bào)告和集體交流，啟發(fā)學(xué)生研究學(xué)習(xí)新技術(shù)中所涉及的信號(hào)處理方法。以自適應(yīng)濾波器教學(xué)內(nèi)容為例，可組織學(xué)生開(kāi)展關(guān)于“5G大規(guī)模MIMO時(shí)變信道下的信道估計(jì)與預(yù)測(cè)技術(shù)”的專題交流，以當(dāng)下5G熱門(mén)研究領(lǐng)域?yàn)榍腥朦c(diǎn)，引入時(shí)變信道這一重要應(yīng)用場(chǎng)景，讓學(xué)生分析其所使用的自適應(yīng)信道估計(jì)和預(yù)測(cè)技術(shù)，既能加深學(xué)生對(duì)信號(hào)處理新技術(shù)的理解，又能擴(kuò)展學(xué)生對(duì)本領(lǐng)域前沿技術(shù)的知識(shí)面。

3.4?從單一形式考核向注重過(guò)程要素的多維考核模式轉(zhuǎn)變

針對(duì)課程考核模式單一的問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)過(guò)程要素的考核，多維度評(píng)測(cè)更全面地反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，并能及時(shí)掌握學(xué)生全過(guò)程中的訴求和困難，實(shí)時(shí)優(yōu)化教學(xué)方案。本課程的考核擬將最初的平時(shí)作業(yè)和閉卷考試兩個(gè)維度考核指標(biāo)調(diào)整為課后作業(yè)、專題討論、主題匯報(bào)、案例分析、研究報(bào)告、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐和期末閉卷考試等全過(guò)程考核，期末考試成績(jī)占比約為30%，過(guò)程要素成績(jī)占比70%，并根據(jù)改革情況適時(shí)調(diào)整。該考核模式更加注重考核學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)知識(shí)的理解和掌握程度，通過(guò)不同的考核內(nèi)容（如PPT匯報(bào)、撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告、設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案等），讓學(xué)生在全過(guò)程中能發(fā)揮主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生自主思考能力、動(dòng)手能力以及綜合應(yīng)用能力，避免了以往課堂隨性、考前突擊、死記硬背的應(yīng)試現(xiàn)象。

結(jié)語(yǔ)

本文從“新工科”建設(shè)背景出發(fā)，對(duì)“現(xiàn)代信息與信號(hào)處理”課程的教學(xué)改革進(jìn)行了初步探索，堅(jiān)持以學(xué)生為中心，理論與實(shí)踐并重。通過(guò)重塑課程體系，加強(qiáng)前導(dǎo)與后續(xù)課程聯(lián)系，對(duì)教學(xué)內(nèi)容分門(mén)別類因材施教，擴(kuò)展課程實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)強(qiáng)調(diào)對(duì)知識(shí)的理解與運(yùn)用，推廣啟發(fā)式案例教學(xué)模式，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)工程應(yīng)用背景的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化過(guò)程性考核，全面綜合評(píng)價(jià)學(xué)生掌握知識(shí)的效果，多措并舉，不斷增強(qiáng)知識(shí)、能力和素質(zhì)的有機(jī)融合，從而達(dá)到培養(yǎng)研究生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力及創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

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［5］朱軍，屈磊，張紅偉，等.“新工科”背景下“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)改革［J］.工業(yè)和信息化教育，2022（2）：6466.

資助項(xiàng)目：河南省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（學(xué)位與研究生教育）（項(xiàng)目編號(hào)2021SJGLX247Y）；鄭州航院研究生教育改革與發(fā)展研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)2023YJS?JG12，2023YJSJG13）

作者簡(jiǎn)介：王毅（1984—?），男，河南三門(mén)峽人，博士，副教授，研究方向：大規(guī)模MIMO、能效通信、無(wú)人機(jī)輔助通信等。