摘要：面向聲吶設(shè)計(jì)與研究領(lǐng)域創(chuàng)新型人才自主培養(yǎng)的重大需求，結(jié)合自適應(yīng)信號(hào)處理課程的特點(diǎn)，本文提出了基于“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”的自適應(yīng)信號(hào)處理課程改革方法。以科研項(xiàng)目中的實(shí)際工程問題為導(dǎo)向，以“翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)方法為途徑，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)與工程實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，取得了更好的教學(xué)效果。本文提出的自適應(yīng)信號(hào)處理課程改革思路對(duì)于其他院校的同類課程具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)信號(hào)處理；PBL；翻轉(zhuǎn)課堂；問題導(dǎo)向

一、概述

伴隨著信號(hào)處理研究領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展與計(jì)算能力的顯著提升，自主化與智能化成為現(xiàn)代聲吶的發(fā)展趨勢(shì)［1］。目前，我國聲吶設(shè)備的整體水平仍然落后于發(fā)達(dá)國家，尤其是自主化和智能化水平還遠(yuǎn)不能滿足需求?！白赃m應(yīng)”是聲吶自主化與智能化的核心特點(diǎn)，主要指聲吶能夠以海洋環(huán)境特征、搭載平臺(tái)特征、目標(biāo)特征等信息為輸入，自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)工作模式、工作參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化，以更好地完成其任務(wù)使命。哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院是我國高水平水聲科研與技術(shù)人才的搖籃，承載著培養(yǎng)我國聲吶設(shè)計(jì)與研究領(lǐng)域創(chuàng)新人才的重要使命。面向國家重大戰(zhàn)略需求，基于現(xiàn)代聲吶的發(fā)展趨勢(shì)，水聲工程學(xué)院在新版本科生課程設(shè)置中，開設(shè)了自適應(yīng)信號(hào)處理本科生專業(yè)課，重點(diǎn)講授經(jīng)典的自適應(yīng)信號(hào)處理理論、自適應(yīng)信號(hào)處理領(lǐng)域的最新研究成果以及自適應(yīng)信號(hào)處理在聲吶設(shè)備中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生利用新技術(shù)、新方法和新思路解決具體工程問題的能力。

自適應(yīng)信號(hào)處理課程作為一門信號(hào)處理類課程，具有以下的特點(diǎn)：

（1）自適應(yīng)信號(hào)處理課程的理論性很強(qiáng)，公式推導(dǎo)嚴(yán)密，需要學(xué)生具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)背景，以及對(duì)多學(xué)科知識(shí)的整合和運(yùn)用能力。

（2）自適應(yīng)信號(hào)處理課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，課程學(xué)習(xí)不應(yīng)拘泥于公式推導(dǎo)，而是應(yīng)服務(wù)于實(shí)踐應(yīng)用，要求學(xué)生在完成課程學(xué)習(xí)后具備解決實(shí)際科研問題的能力。

（3）自適應(yīng)信號(hào)處理課程內(nèi)容發(fā)展迅速、時(shí)效性強(qiáng)。隨著人工智能、深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等典型應(yīng)用的大量普及，自適應(yīng)信號(hào)處理課程的知識(shí)體系一直在快速迭代更新。

基于此，要求學(xué)生除了要掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)外，還有具備一定的創(chuàng)新思維，能夠快速吸收消化該領(lǐng)域內(nèi)的最新研究成果，并把所學(xué)的知識(shí)靈活應(yīng)用。

基于以上的課程特點(diǎn)，在進(jìn)行自適應(yīng)信號(hào)處理課程教學(xué)時(shí)主要面臨以下問題：首先，由于該課程具有較強(qiáng)的理論性，公式推導(dǎo)晦澀難懂，容易造成學(xué)生對(duì)該課程過早地失去學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而造成學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)習(xí)效率顯著下降，教學(xué)效果不佳。此外，學(xué)生在完成該課程理論學(xué)習(xí)后，仍無法將所學(xué)到的理論知識(shí)有效應(yīng)用于工程實(shí)踐中，難以做到知行合一，課程未能起到培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力的目的。以上的問題在其他信號(hào)處理類課程教學(xué)中也常出現(xiàn)。針對(duì)上述問題，張曉光等人提出將案例式教學(xué)融入信號(hào)處理類課程教學(xué)中，并從課前案例準(zhǔn)備、課中案例教學(xué)和課后案例總結(jié)三個(gè)方面介紹了相應(yīng)的案例設(shè)計(jì)方法［2］；苗丹等人提出了以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)改革方法，充分發(fā)揮了問題對(duì)教學(xué)過程的指導(dǎo)作用，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性［3］；李建龍等人通過實(shí)際應(yīng)用案例的講解和訓(xùn)練以及前沿知識(shí)的擴(kuò)展，有效提升了學(xué)生的動(dòng)手能力及解決實(shí)際問題的能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性［4］；馬雷等人從信號(hào)處理課程的分層教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的分層設(shè)計(jì)和分層課程設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)課程的層次化教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，顯著提升了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和教師教學(xué)效果［5］。

二、“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式的提出

自適應(yīng)信號(hào)處理課程教學(xué)的目的不是讓學(xué)生記住復(fù)雜的公式推導(dǎo)與晦澀的理論，而是指導(dǎo)學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)有效吸收和消化，并用于解決實(shí)際的工程問題，以有效提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)的以教師為中心、以教材為主導(dǎo)的教學(xué)模式已經(jīng)難以滿足自適應(yīng)信號(hào)處理課程教學(xué)的需求。

“翻轉(zhuǎn)課堂”是當(dāng)今教學(xué)研究的熱點(diǎn)，將教學(xué)大綱內(nèi)容分為課前自主學(xué)習(xí)、課堂教學(xué)設(shè)計(jì)、課后知識(shí)鞏固三個(gè)部分，現(xiàn)已被逐漸應(yīng)用于教學(xué)中，成為推動(dòng)教學(xué)改革的重點(diǎn)之一［68］?！胺D(zhuǎn)課堂”一般是指，將傳統(tǒng)的教學(xué)過程進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，讓學(xué)生通過在課外觀看視頻、查閱和調(diào)研文獻(xiàn)等途徑獲取一些理論知識(shí)，然后進(jìn)行課堂上的討論、匯報(bào)、答疑等互動(dòng)。但其實(shí)，這種教學(xué)方法難以使學(xué)生對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行深入的思考研究。如何在保證課程授課內(nèi)容的前提下，顯著提高同學(xué)們的自學(xué)能力、獨(dú)立思考能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力是自適應(yīng)信號(hào)處理課程“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

問題式教學(xué)法（ProblemBasedLearning，PBL）是一種以問題為導(dǎo)向的教學(xué)方法，它強(qiáng)調(diào)學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中，通過自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)等手段，掌握知識(shí)，培養(yǎng)技能，并學(xué)習(xí)思考和創(chuàng)造［9］。問題式教學(xué)法通過以真實(shí)的工程問題為切入點(diǎn)，將學(xué)生置身于實(shí)際工作場景中。這種學(xué)習(xí)模式能夠顯著激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們的問題解決和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

本文提出將“問題式教學(xué)法”和“翻轉(zhuǎn)課程”教學(xué)理念相結(jié)合，形成一種新的教學(xué)模式，并引入自適應(yīng)信號(hào)處理課程教學(xué)中。通過教師引導(dǎo)，以相關(guān)聲吶設(shè)計(jì)和研制科研項(xiàng)目中的相關(guān)自適應(yīng)信號(hào)處理問題為基礎(chǔ)，以學(xué)生為中心，以小組研討和合作的形式，將相關(guān)工程問題的解決思路和迭代過程與正統(tǒng)授課知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合。這種教學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)在于：

（1）提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力：通過翻轉(zhuǎn)課堂的形式，學(xué)生在課前自主完成理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與解決方案的設(shè)計(jì)，課堂上主要進(jìn)行討論和質(zhì)詢，從而提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

（2）增強(qiáng)學(xué)生批判性思維：PBL教學(xué)方法以問題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。這種學(xué)習(xí)方式可以增強(qiáng)學(xué)生的批判性思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（3）提升教學(xué)質(zhì)量：通過課堂上的答疑和討論，教師可以及時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況，并針對(duì)實(shí)際工程問題進(jìn)行指導(dǎo)和講解，從而提升教學(xué)質(zhì)量。

（4）促進(jìn)師生互動(dòng)：翻轉(zhuǎn)課堂和PBL教學(xué)方法都需要師生之間進(jìn)行充分的互動(dòng)與交流，這種互動(dòng)可以促進(jìn)師生之間的了解和合作，提升教學(xué)效果。

三、“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)方式的實(shí)踐

為在自適應(yīng)信號(hào)處理課程中實(shí)踐“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)方式，授課教師需深度挖掘和有效梳理現(xiàn)有科研項(xiàng)目中涉及的自適應(yīng)信號(hào)處理理論知識(shí)點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與工程實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

具體教學(xué)方式與內(nèi)容設(shè)置如下：

（一）問題準(zhǔn)備

授課教師需要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，提出多個(gè)與自適應(yīng)信號(hào)處理課程理論相關(guān)的實(shí)際工程問題，并為學(xué)生提供相關(guān)的資料和軟硬件工具。自適應(yīng)信號(hào)處理理論在聲吶設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛，自適應(yīng)信號(hào)處理器是提升聲吶設(shè)備能力的重要途徑之一，因此可以通過在研或已結(jié)題的相關(guān)科研項(xiàng)目，來凝練實(shí)際的工程問題。下表給出了4個(gè)問題示例，每個(gè)問題均來源于實(shí)際的科研項(xiàng)目，且與自適應(yīng)信號(hào)處理課程教學(xué)大綱中的內(nèi)容存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（二）課前準(zhǔn)備

首先將學(xué)生分成若干個(gè)小組，每組5～7人，每組選取一個(gè)題目，并需要給出相應(yīng)的解決方案。小組成員有序分工，互相監(jiān)督，群策群力為問題的解決貢獻(xiàn)力量。具體的小組成員分工要包括：問題背景分析、問題數(shù)學(xué)建模、研究思路設(shè)計(jì)、問題的求解、算法的參數(shù)優(yōu)化與迭代、算法的編程實(shí)現(xiàn)、PPT的制作與展示等。小組成員首先通過查閱文獻(xiàn)資料等方式，自主完成對(duì)上述問題的調(diào)研和探索，思考解決問題的方案，之后進(jìn)行小組內(nèi)部交流和合作，分享想法與經(jīng)驗(yàn)，形成“頭腦風(fēng)暴”，根據(jù)任務(wù)分工完成問題解決方案的初步設(shè)計(jì)。

（三）課堂教學(xué)

通過小組內(nèi)部的團(tuán)結(jié)協(xié)作與討論迭代，各小組形成一套完善的問題解決方案并進(jìn)行課上成果展示與匯報(bào)，其他小組成員進(jìn)行質(zhì)詢和討論，授課教師對(duì)解決方案進(jìn)行指導(dǎo)與斧正。全部小組匯報(bào)結(jié)束后，授課教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和成果進(jìn)行評(píng)價(jià)和總結(jié)，對(duì)各解決方案中普遍存在的一些問題進(jìn)行講解，指出不足和改進(jìn)方向。

（四）課后考核

以小組為單位，結(jié)合課堂討論和授課教師提出的意見，對(duì)提出的解決方案進(jìn)行迭代和優(yōu)化，并形成一份科技報(bào)告?？萍紙?bào)告要涵蓋研究問題闡述、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、方案算法設(shè)計(jì)、算法性能驗(yàn)證、結(jié)論等內(nèi)容，格式規(guī)范，要素齊全。

四、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

經(jīng)過一學(xué)期的實(shí)踐，基于“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”的自適應(yīng)信號(hào)處理課程改革取得了顯著的成果。學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力得到了提高，同時(shí)，教師的教學(xué)水平和專業(yè)素養(yǎng)也得到了提升。具體成果包括：

（一）學(xué)習(xí)成績提升

期末考試成績是衡量教學(xué)效果的一個(gè)重要指標(biāo)。在推行“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式前的2022年秋季學(xué)期，期末考試成績平均分為77.6分（滿分100分），而在推行“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式后的2023年秋季學(xué)期，平均分提升為85.4分（滿分100分）。特別是在兩次期末考試中均對(duì)單通道/多通道自適應(yīng)陷波濾波器及自適應(yīng)線譜增強(qiáng)器兩個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了考核。在2022年秋季學(xué)期兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)的正確率分別為80%、74%，在2023年秋季學(xué)期正確率則分別提升至88%、92%?？梢姡n程的教學(xué)效果取得了顯著的進(jìn)步。

（二）學(xué)習(xí)積極性提升

對(duì)于自適應(yīng)信號(hào)處理這種知識(shí)點(diǎn)比較龐雜、理論難度較高的課程，傳統(tǒng)的教師向?qū)W生單向輸出知識(shí)的教學(xué)方法難以達(dá)到良好的課堂教學(xué)效果，同時(shí)也無法有效培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。2022年秋季學(xué)期，自適應(yīng)信號(hào)處理課程推行了翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，學(xué)生需要在課前搜集自適應(yīng)信號(hào)處理領(lǐng)域的最新研究成果并進(jìn)行課上匯報(bào)，授課教師對(duì)成果的創(chuàng)新性和可行性進(jìn)行討論。然而，由于這種傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式缺少問題導(dǎo)向的思維，無法有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，導(dǎo)致課堂氣氛比較沉悶，學(xué)生參與積極性不足，很多時(shí)候課堂仍然是授課教師為主導(dǎo)。2023年秋季學(xué)期起，自適應(yīng)信號(hào)處理課程開始推行“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)模式，要求學(xué)生以實(shí)際科研項(xiàng)目中真正需要解決的問題為牽引，充分發(fā)揮文獻(xiàn)檢索能力與自主學(xué)習(xí)能力，完成解決方案的設(shè)計(jì)。與2022年秋季學(xué)期相比，學(xué)生的課堂參與度顯著提升，思維活躍，課堂的學(xué)術(shù)氛圍更加濃厚，教學(xué)效果顯著提升。

（三）學(xué)生綜合素質(zhì)提升

學(xué)生在自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和批判性思維等方面得到了鍛煉和提高，同時(shí)，學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)也得到了培養(yǎng)。通過“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”相結(jié)合的教學(xué)方法，學(xué)生能夠更好地理解和掌握自適應(yīng)信號(hào)處理課程的知識(shí)點(diǎn)，并且能夠?qū)⒗碚撝R(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題的解決之中。多名學(xué)生后續(xù)參與了“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等科技創(chuàng)新比賽，并取得了優(yōu)異成績。

（四）教師教學(xué)水平提升

授課教師在提煉工程問題、制作教學(xué)資源、組織教學(xué)活動(dòng)和指導(dǎo)學(xué)生方面得到了鍛煉和提高，同時(shí)，授課教師對(duì)自適應(yīng)信號(hào)處理課程內(nèi)容的理解和把握也更加深入。通過實(shí)踐，授課教師不斷優(yōu)化教學(xué)策略和方法，有效提升了自身的教學(xué)水平和素養(yǎng)。

結(jié)語

本文針對(duì)自適應(yīng)信號(hào)處理課程教學(xué)改革進(jìn)行研究與探索。針對(duì)自適應(yīng)信號(hào)處理課程特點(diǎn)，深度剖析工程應(yīng)用與理論研究的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，將聲吶設(shè)計(jì)與研制等工程實(shí)踐活動(dòng)中遇到的問題與課堂講授內(nèi)容相結(jié)合，提出“PBL+翻轉(zhuǎn)課堂”的自適應(yīng)信號(hào)處理教學(xué)模式，以工程需求牽引基礎(chǔ)理論教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，全面提升科技創(chuàng)新型人才自主培養(yǎng)水平。

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基金項(xiàng)目：哈爾濱工程大學(xué)2023年教學(xué)改革研究項(xiàng)目“面向創(chuàng)新型人才自主培養(yǎng)的自適應(yīng)信號(hào)處理課程改革與實(shí)踐”

作者簡介：郝宇（1993—），男，漢族，黑龍江齊齊哈爾人，博士，講師，研究方向：水聲信號(hào)處理。

*通訊作者：邱龍皓（1988—），男，漢族，吉林四平人，博士，講師，研究方向：水聲信號(hào)處理。