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论文鉴赏
《数字信号处理》线上教学模式的研究与实践
发布时间:2022年07月11日 08:36 点击: 158 发布:

《数字信号处理》线上教学模式的研究与实践

沈荻帆1,任佳 1,崔亚妮

(1. 海南大学 信息与通信学院,海南 海口 570228)

[摘  要]新工科教育的“产出”导向已经成为高等教育改革的趋势,在突如其来的新冠疫情下,如何利用网络资源,采用线上多平台辅助混合教学模式,提高专业课程产出效果,实现课程目标,最终培养符合社会需求的高水平专业人才是高校教师急待研究和解决的问题。数字信号处理课程》作为电子信息类专业的一门重要的专业理论课程,其抽象较难理解的特征使得课程教学难度较大。论文以《数字信号处理课程》为例,结合新工科教育要求,对线上多平台辅助混合教学模式进行了研究与实践,并取得了很好的教学效果。

[关键词]新工科教育;产出导向;数字信号处理

[基金项目] 2018年度海南省高等学校教育教学改革研究项目“产学研用合作人才培养模式的研究与实践—以海南大学为例”,项目编号: Hnjg2018ZD-6;2018年度海南大学教育教学改革研究项目“产学研用合作人才培养模式的研究与实践—以海南大学为例”,项目编号: hdjy1822; 2020年海南大学教育教学改革研究项目“多维化微项目在电子信息类专业课程教学中的应用——以《C++程序设计》课程为例”,项目编号:hdjy2051

[作者简介] 沈荻帆(1975-),女,江苏张家港人,硕士,海南大学信息与通信工程学院讲师,主要从事教学改革、图像处理研究;任佳(1981-),男,新疆哈密人,博士,海南大学信息与通信工程学院教授,院长,主要从事人工智能研究;崔亚妮(1990-),女,河南焦作人,博士,海南大学信息与通信工程学院讲师,主要从事多智能协同控制研究;

[中图分类号]G648.4        [文献标识码] A   

一、研究背景

《数字信号处理》课程是工科电子信息类专业的一门重要的专业理论课程[1],一般院校均在学生先修高等数学、复变函数和信号与系统之后开设。这门课程的特点是理论性强,要求的知识储备起点较高,涉及的知识面又比较广。海南大学作为地方一本院校,其信息与通信技术学院下的电子信息专业和通信工程专业均在第五学期开设本课程。从目前的教学反馈来看,学生普遍觉得理论推导和数学公式过多,内容繁琐,且过于抽象,很难将理论概念具体联系实际进行理解,因此很多情况下只能对其知识点进行死记硬背,结果导致学习效果不佳。

我国于2016年成为国际工程教育学位互认协议《华盛顿协议》正式成员国,并与2017年启动“新工科”建设[2]。新工科建设要坚持问题导向,要求从产业需求建设专业,根据技术发展优化教学内容,从学校主体推动改革,落实“以学生为中心”的课程教学理念,创新工程教育的方式与手段,从而改进学习效果。因此,在“新工科”教育指导下,对《数字信号处理》课程进行教学模式研究和实践,是进一步提高课程学习成效,提高专业课的教学质量,进而“由点到面”,提升专业整体质量的迫切需求。

二、教学模式研究的理论基础

美国著名课程理论家拉尔夫.维尼弗雷德.泰勒提出的课程原理和教学原理的理论体系主要围绕以下四个方面展开[3]:(1)教学目标;(2)为达到教学目标所需的教育经验;(3)组织教育经验;(4)评价结果。在确定教学目标时,要考虑课程后续实施中的四大要素——“学习者”、“教育者”、“教育环境”和“学科特性”等四方信息,以保证目标之间,目标与产业需求之间,目标与学校宗旨之间的高度一致,以及与学生内部学习条件和外部的教育环境相一致。选择学习经验时,不仅要看这类经验是否可能达到教学目标,还要考虑学生与外部环境的相互作用,即选择经验时要考虑是否能引发学生内部学习动力和期望。在接下来的组织经验中,则要遵照连续性、顺序性和整合性,以保证课程的四大要素之间横向、纵向和层次性联系与整合。评价则是确定课程与教学计划实现教育目标程度的问题,其本身不是目的,而是通过测验或者其他方式来确定是否达到教学目标。

基于以上理论基础,并结合“新工科”教育思想,研究适合《数字信号处理》课程的教学模式,是从理论走向实践的起步,也是实现专业课程“专业”教学的要求。

三、《数字信号处理》课程的教学模式探索与实践

单个独立课程的教学是为最终培养目标服务的。传统的教学模式中,更强调知识结构的系统性,因此课程的教学目标也多定位于知识的“教”与“授”,而对整个培养体系的贡献考虑不多,这就导致课程的定位不清,不能解决“为什么学”和“学完能解决什么”等这些问题,最终会引起课程教学重点失当,教学与培养目标脱节。同时在长期的教学过程中,传统模式均以“教育者”为主体,缺乏“学习者”的参与比重,特别对《数字信号处理》课程这样的理论性强的课程,这样的传统模式基本上是一种灾难,很难达到教学的既定目标。另外传统的教学模式更强调教学规范,但对课程的考核和总结改进要求不明确,因此不能形成闭环控制,导致结果的不可控。

针对以上问题,笔者经过多年摸索,并结合“新工科”教育理念,又受新冠疫情的影响,对《数字信号处理》课程的线上多平台辅助混合教学模式进行探索并实践,并取得了较好的效果。

1. 教学目标

在确定课程教学目标时,要首先确定毕业生应该具备的能力,对照2020版工程教育认证标准中的12条毕业要求,电子工程专业对此进行了具体化,一方面使其专业符合本行业的发展需求,同时,也能明确对应学生的培养任务,并将具体任务细化到具体的课程教学中去,构造符合电子工程专业的课程体系[4]。课程体系中的每个独立课程又对毕业要求形成支撑,作为电子专业核心专业理论课程的《数字信号处理》课程,其对毕业要求的支撑如表1所示。

1 《数字信号处理》对毕业要求的支撑

毕业要求1.4

能应用专业知识对信息系统问题进行软硬件分析与设计。

毕业要求2.2

根据信息领域的复杂工程问题的需求描述,运用数学、自然科学和工程科学原理及方法进行分析,建立解决问题的抽象模型,并进行推理和求解。

毕业要求3.1

掌握电路与系统、信号变换与处理等专业知识,分析工程问题的特定需求,明确技术指标。

毕业要求4.1

能够对仿真和实验结果进行分析解释,并通过专业理论知识获取合理有效的结论。

 

在此基础上,具体化《数字信号处理》的学习目标要求。以此作为开课前教师和学生的约定和课程考评标准,该学习目标要求必须对上述表1中的支撑明确覆盖。如表2所示。

2 《数字信号处理》学习目标要求

课程学习目标1

能够运用抽样定理、序列的傅里叶变换、Z变换、离散傅里叶变换等数字信号处理专业知识解决信息系统中信号采集、变换和处理等问题,利用差分方程、频率特性和系统函数等数学模型对系统进行合理描述,分析和求解。(对应于毕业要求1.4和2.2)

课程学习目标2

建立数字系统的概念,能对复杂数字信号处理问题提出解决方案,并得出数字系统的关键技术指标,设计数字系统实现技术指标。(对应毕业要求3.1)

课程学习目标3

能运用仿真软件对数字信号和系统进行信号采集、滤波、频谱分析、系统仿真等试验,并能分析仿真结果的合理性和科学性,以便后续的实际信号处理。(对应于毕业要求4.1)

 

2. 教学经验选择与组织

(1)课程内容组织和准备,明确教学任务

根据课程学习目标,安排课程内容,分清重点难点,指出课程内容和学习目标要求之间的关系,使得教学活动过程中目的明确,学生和教师双方都清楚自己的任务。在教学实践中,根据课程目标确定以清华大学出版社出版的《数字信号处理教程》(matlab版),程佩青编著的教材。表3给出了根据对应教材的《数字信号处理》第二章教学内容组织的框架示例。

3 教学内容组织框架示例

章节

第二章z变换与序列的傅里叶变换

主要内容

(1)z变换和z反变换

(2)s平面到z平面的映射关系

(3)序列的傅里叶变换

(4)LSI系统的频域表征

重点难点

z变换和z反变换的定义和计算、序列的傅里叶变换的定义和计算和LSI系统的频域表征

课时分配

10学时(8课时授课+2学时实验)

学习基础

级数求和、留数法则、向量基础

学习要求达到的目标

(1)掌握研究数字系统的数学工具z变换和傅里叶变换

(2)理解LSI系统的各数学模型之间的关系:单位抽样响应、差分方程、系统函数和频率响应;学会用几何方式粗略估计系统的频率响应情况

(3)能借助仿真软件,求序列的DTFT,并绘制曲线;能借助仿真软件,对进行部分分式展开,进而求取反变换结果;能借助仿真软件,绘制系统函数的零极点图、频率特性曲线,进而利用零极点图和频率特性曲线分析系统特性

对应的课程学习目标

目标1、目标2

 

(2)课程实施过程的时间分配和安排,合理调配学习节奏

在课程教学实施前,先要根据经验进行对应章节的大概学时安排,这个过程非常重要,决定了教师在教学过程中是不是能从容不迫地面对每个教学环节。以海南大学信息学院2019~2020学年度第二学期开设的对应2017级理科实验班的《数字信号处理》课程为例,课程编号为B16191,总学时为48学时,其中42学时为课堂教学,另有6学时为课内实验。在全面研究教材内容,结合以往的教学经验,可以判断:在有限的课堂教学时间内要完成课程学习目标非常紧张。在结合新工科教育理念的基础上,如何合理分配时间,安排教学重点和次重点的教学节奏,也是数字信号处理这门课程的教学效果真正落到实处的必要环节。

在对教学大纲和对应教材做仔细研究,并结合课程对应章节的学习目标,分析教学对象的实际接受程度,在实施教学前,对本课程实施过程的时间安排做了大致规划。部分课程教学内容和时间安排大致规划如表4所示。在实践教学的过程中,进度和内容基本与规划一致,实际验证了课时安排的合理性。

4 部分课程教学内容和时间安排大致规划

章节标题

教学内容

实验内容

学时安排

课程学习目标

教学

实验

绪论

介绍本课程的发展历史,主要研究内容,未来发展方向等

 

1

 

 

1章 信号与系统的一般概念

信号的表示与信号的运算;

信号的产生和运算验证;

3

1

目标1

系统的概念和系统的性质;

 

2

 

抽样与插值;

信号的抽样和插值验证

2

1

2章 z变换和序列的傅里叶变换

Z变换和反变换的概念和计算;系统函数的复数域表征

 

4

 

目标1、目标3

序列的傅里叶变换;系统的频域表征

信号的傅里叶变换和频谱分析

3

1

 

(3)辅助教学手段应用,帮助学生掌握和理解学习内容

如果说课程前的教学内容和进程的合理规划是以教师为主体,那么接下来当进入正式的教学环节时,“教”与“学”之间的主体发生了变化,必须以“学”为主体,以学生的“产出”为教学目标。如果把一门课程的完整的教学过程当成一个音乐演出的话,那么现在学生是演出者,教师则相当于指挥者。指挥者要引导整场演出,但是又不能凌驾于演出者之上。这就要求教师在实施教学的过程中,紧密观察学生的反应,通过作业、提问、面对面交流等反馈形式了解学生的学习动态和学习程度,通过多种教学手段去吸引学生,激发学生的学习积极性。

在多媒体引入大学课堂前,黑板上的演算是传统的教学手段,在今天,这一教学手段依然重要,例如在教授Z变换和Z反变换的相关内容时,直接给出变换过程的公式的效果显然不如逐行在黑板上推导演算出结果的效果好。目前的课堂面授仍然多以多媒体课件结合板书和理论解说为主,再配合课后作业和随堂测验,以及课内实验,来进行教学。随着信息科技的飞速发展,多种信息交换方式和教学辅助平台应运而生,也因此催生了很多种新的教学手段。例如:可以利用社交软件Qq或者微信等设置教学交流群,组织学生完成预习任务,并进行空中答疑等;可以利用录频软件进行课程预录,发布给学生进行课前预习和课后复习;可以利用教学平台组织课堂,引入相关课程产品,作为学生辅助教学手段等。

3. 评价模式

“新工科教育”强调产出为导向,因此相关课程的评价模式也必须以学习成果的考核为评价标准。同时,应采用多种方式评价相结合的方法,从不同角度,对学习成果进行评价,获得成果的正确检验结果[5][6]

《数字信号处理》课程的评价方案如表5所示。

5 《数字信号处理》课程的评价方案

毕业要求

课程学习目标

评价内容

评价方式

评价佐证材料

毕业要求1.4

目标1

数字信号处理的基本理论运用

闭卷考试

考试试卷

毕业要求2.2

目标1

信号的采集、处理和输出

综合训练

实训报告

毕业要求3.1

目标2

滤波器的设计算法和结构设计

理论研究

学习报告

毕业要求4.1

目标3

基于软件的信号频谱分析

课内实验

实验报告

综合上述四个方面,根据公式(1-1)生成最终的课程评价结果。

    1-1)

四、《数字信号处理》课程的线上多平台辅助混合教学模式实践

2020年的春季学期正值新冠疫情严重的阶段,学生不能到校进行学习,因此这学期的《数字信号处理》课程采用线上教学结合多平台辅助的混合教学模式。教学班为海南大学2017级理科实验班,该教学班人数为28人,为2017级理工各专业成绩较优秀的学生组成,学习基础扎实,有较强的学习主动性,为后续的课程实施提供了意识上的支撑。

1.直播平台的选择和考量

考虑到教学成本,在课程开始前,对多个相关辅助教学平台进行考察,并进行了课程试设置,如雨课堂、智慧树和腾讯课堂等。

其中雨课堂是学堂在线与清华大学在线教育办公室共同研发的智慧教学工具,目的是全面提升课堂教学体验,让师生互动更多、教学更为便捷。但2020年2月份的测试中,雨课堂仅能提供PPT的展示和语音传递,学生不能看见教师,只能通过弹幕交流,更糟糕的是,其服务器相当不稳定,不能保证稳定的课堂秩序。另外相对共享课程,特别是免费的共享课程较少。

智慧树平台目前是全球最大的学分课程共享平台,在国内拥有超过1,800家高等院校会员,覆盖超过1,000万大学生。智慧树网帮助会员高校间实现跨校课程共享和学分互认,完成跨校选课修读 。它的优点是建设课程容易,作业任务发布简单,上手比较快。但在春季开始时,此平台也在建设完善的过程中,历经了易崩塌掉线,直播连不上,作业无法发布,课件格式单一等多项体验,在课程直播选择中被淘汰。但其共享课程可选较多,因此最终被列入了教学辅助平台,在该平台上进行作业发布和收取,教学资料的发送,并引入共享课程作为学习辅助,以及课程中间的测试等。

在经多番尝试后,腾讯课堂以它稳定的网络连接成为课堂直播首选。实践表明,这个选择也是完全正确的,在一个学期的教学实践中,它基本没有崩塌,仅有一次掉线后,重新登陆后解决问题。但当时腾讯课堂的局限也是非常明显的,例如教师不能看到学生的学习状态,只能根据课堂答题互动情况来判断学生是不是在线,同时课堂互动形式比较单一,可以在讨论区输入文字和少量符号,对于理工科学生需要大量公式或者专业符号表达的则输入有困难,但其可靠性保证了整个课程的连贯性。

2.其他教学辅助手段的选择和运用

考虑到学生方的网络情况,在直播的同时,利用录频软件,将直播课程的ppt和语音录成视频,并将视频发布在智慧树和课程学习群中,供学生课后复习和学习。同时在智慧树平台上建立课程,用以发布课程资源、布置和提交课后作业和章节测试等,其中主要的课程资源有:电子教材、课程的ppt、教学大纲和教学进度表、习题集等。每次直播课后在平台发布课后作业内容,规定提交时间,并及时修改。并在学期中期设置一次中期测试,用以阶段学习总结。又利用智慧树平台的共享课程,给学生提供了对应的课程学习视频。例如,在学期开始前,本课程引入华东理工大学的由万永菁等老师精心录制的《数字信号处理》共享课程,用以预习和复习过程的辅助学习。如果说以上各种准备均以学生自觉输入和教学者的单方输出为主,在实际物理距离不可控的情况下,课程必须考虑与学生的互动,以衡量教学过程中的“产出”情况。实际教学过程中,本课程主要通过建立课程学习群,要求学生的上课准备必须准备好学习文具,直播课件中插入较多提问环节,以判断和解答形式为主,若判断则要求学生在讨论区中直接回答,解答形式则要求学生同步解答并拍照发布在课程群中,同时课程学习群也用于课后答疑。本课程的实验课程,也在网络平台完成,学生做好事先软件平台准备,实际课程完成打卡,实验过程拍摄和实验结果的提交。

3.评价模式和实际评价结果

本学期课程实践后期,学生已经到校,考试模式则转为线下闭卷考试,试卷内容涵盖数字信号处理课程的基本理论部分,本班除有两人因为处于疫情城市不能到校外其余26人参加了考试。试卷难度中等偏上,其中有6人为90以上,19人在60~89之间,另有1人在69以下。卷面成绩基本上体现了本班学生的积极学习态度,以及学习效果。基于课程目标的其余指标,信号频谱分析通过实验完成,由实验过程,实验结果和实验报告三项综合考核,滤波器的设计和结构实现通过作业,算法编写、结构设计和仿真完成,并提交学习报告,信号的采集、处理和输出则通过语音信号采集、频谱分析、各种滤波器的设计、语音信号的处理和最终语音信号的输出实现,并提交实训报告。

利用公式(1-1),最终得到本班的最终课程成绩。如表格6所示。至此,《数字信号处理》课程通过线上多平台辅助混合教学模式下成功的开展并取得了较好的效果。学生的课程后的教学评价也验证了这一结果。

6 《数字信号处理》课程实践最终成绩

 

五、结论

本文基于“新工科教育”中强调以“产出”为教学目的的要求,针对“数字信号处理”课程教学过程中存在的普遍问题和困难,以提高学生解决跟数字信号处理相关工程问题的能力为目标,以学生为“主体”,对该课程的整体教学过程中的教与学相关问题进行探索和实践,对教学内容、教学方式、教学手段进行优化,为后续《数字信号处理》课程金课建设提供理论和实践支撑,引导学生激发内在动力,助力学生学习和掌握电子信息类专业中的专业理论课程。

[参考文献]

[1] 程佩青.数字信号处理教程(第五版)(Matlab版)[M].北京:清华大学出版社,2017.

[2] 钟黎萍,丑永新,刘继承.基于工程教育认证的课程教学大纲的设计与实施----以“数字信号处理”课程为例[J].教育观察,2018(8):104-109.

[3] 邵丽.以人为本价值取向下的高等学校人才培养模式研究[D].大连:大连理工大学,2011.

[4] 李爱华,晋刚.基于应用型人才培养的教学模式实践----以“数字信号处理”课程为例[J].科教文汇,2020(4)(上):86-87.

[5] 张小青.基于学堂在线平台的《数字信号处理》课程混合教学模式研究[J].教育教学论坛,2020(1):233-234.

[6] 庄腾腾,姚继军.“新工科”背景下我国理工科本科生专业课教学满意度的影响因素研究[J].高校教育管理,2020(7):73-85.

 

Research and Practice of mixed teaching Mode assisted by online multi-platform based on new Engineering education 

Shen DiFan1 , Ren Jia1, Cui YaNi 1 

1. College of Information Science and Technology ,Hainan University,Haikou, Hainan,570228

[Abstract] New engineering education based on output has become a trend of higher education reform, with the sudden outbreak of COVID - 19, how to make use of network resources, to use the teaching mode assisted by online multi-platform, to improve the effect of professional courses, to realize the course objectives and cultivate high level professional talents has become to be most important problem which need to be researched and solved. Digital Signal Processing as an important professional theory course in electronic & information major whose features of abstraction and difficulty make the teaching process more difficult.Taking the course of ‘digital signal processing’ as an example and combining with the requirements of new engineering education, this paper studied and practiced the online multi-platform assisted mixed teaching mode, and achieves satisfactory effect.

[key words] new engineering education; output based; digital signal processing

 

 

 

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