面向科研创新的数字信号处理实验改革探索

韩素雅 ， 朱政宇，郝万明 

郑州大学 电气与信息工程学院   河南郑州450000

[摘  要]：二十大再次强调“创新”在现代化建设中的核心地位，“科研”是培养创新人才的第一步。数字信号处理作为电子信息类的专业基础课程，理论性较强，实验教学是理论联系实际的重要环节。本文将教学实践与科学研究相结合，以科研创新为导向进行实验教学的改革探索。从实验课程内容、教学形式、考核方式及实验报告四个方面实施改革方案，注重融入科研创新，培养学生“国际化视野”，有效提高学生独立创新和科研能力。

[关键词]：科研创新；数字信号处理；实验改革；国际化视野

[作者简介]：韩素雅，(1992-) 女，河南平顶山，博士，郑州大学电气与信息工程学院通信工程系，讲师，研究方向：生物医学信号处理;朱政宇，(1988-) 男，河南周口，博士，郑州大学电气与信息工程学院通信工程系，副教授，研究方向：移动智能通信与信号处理;郝万明，(1988-) 男，河南林州，博士，郑州大学电气与信息工程学院通信工程系，副教授(通信作者)，研究方向：无线信号处理。

[基金项目]：2023年度河南省高等学校重点科研项目，“基于超声射频信号的乳腺肿瘤分割方法研究”，编号：23A510011；2022年郑州大学课程思政教育教学改革示范课程重点项目，“《通信原理》课程思政教育教学改革研究”，编号：2022ZZUKCSZ024。

[中图分类号]G420  [文献标识码]a  

一、引言

近几年来，“新工科”^[1]概念受到了高等教育界的广泛关注。新工科建设重点关注学生培养模式的创新，注重理论探索、教学实践与科学研究的结合。以学生为中心，以科研探索为导向，以学生学习产出为指导方针，着重培养学生创新精神和科学实践能力。二十大再次强调“科技强国”、“人才强国”概念^[2]，强调“必须坚持科技第一、人才第一、创新第一”。创新引领发展，科研实现人才强国战略。19世纪初，著名教育学家Wilhelm von Humboldt提出了将教育与科研相结合的理念，科学研究以创新为导向，重在激发学生的专业兴趣，从而提高教学质量^[3]。然而，当前“科研与教学统一”的思想还处于理论尝试阶段，并未实际运用在课堂。工程教育以学生为中心，旨在引导学生运用理论知识解决实际问题，注重对学生解决复杂工程问题能力的培养^[4]。众多高校在各专业开展以教学促进科研，以科研反哺教学的尝试^[5],[6],[7]。

数字信号处理^[8]，[9]是电气信息类学科的一门专业基础课，是数字图像处理、计算机视觉等课程的基础，促进数字化发展。实验是数字信号处理课程的重要组成部分，是连接理论与实际的桥梁，目的是通过实验培养学生运用理论知识解决实际问题的创新思维方式和独立思考能力。

二、现状分析

实验课程的目的是使同学们能够掌握并应用数字信号处理技术解决实际需求。随着全球数字化信息化的飞速发展，课程内容更新慢，实验课程内容简单，与理论发展和社会实践脱节。简单的课堂讲解和实验复刻导致学生课程参与度不高，分析和解决问题的能力没有得到锻炼，甚至有个别学生在课程结束后不能灵活使用MATLAB编程的基础知识。课堂验收不能做到精细化管理，很难把握学生的实际进度；实验报告格式千篇一律，缺乏真正的实践理解与总结，背离了开设实验课的目的和初衷。综上分析主要原因有以下几个方面：

（1）实验课程内容设置简单。目前数字信号处理实验内容和题目是根据课程设计安排的，以课程理论的验证和简单应用为主。简单套路化的课程内容缺乏创新性和时效性，对学生理解、应用、独立思考方面锻炼不足。

（2）实验教学形式单一。实验内容跟随理论课程进度，虽方便学生对理论知识点的理解、验证和应用。学生实验中可能遇到的绝大多数问题可以通过教师的讲解和演示解决，还原实验结果可参考教材，但降低学生主动思考、学习的积极性。

（3）考核方式固化。实验课成绩有三部分组成：出勤率、实验完成情况和实验报告。因实验内容经久不变，学生可轻松在网络或教辅资料中获取实验代码和结果。格式化的实验报告，导致学生的自主学习能力和实验操作水平很难评估。

（4）实验报告格式单一。传统实验报告主要包括：实验目的、实验原理、实验内容及结果、实验总结与思考。实验课文件中有实验目的、原理和内容，很大程度上降低了学生思考、实践、学习以及总结的积极性。

本文以数字信号处理实验课程为例，针对课程中存在的问题，提出面向科研创新的实验课程改革方案。必须重视“新工科”工程教育背景下的实验教学工作，以学生为中心，培养学生独立创新和解决实际问题的能力。以简单的实际科研应用为基础新增实验内容，培养学生应用理论知识解决实际问题的能力。引导学生对实验内容进行创新，鼓励学生阅读相关研究论文。将科学研究的创新精神融入到实验教学当中去，激发学生的专业兴趣，增强学生的自主创新意识，提高教育教学质量。

三、改革内容

本文面向科研创新理念的数字信号处理实验改革，按照“新工科”背景下工程教育对数字信号处理实验课程质量的要求标准，响应二十大“科教兴国、人才强国、创新驱动发展”战略，将教学实践与科研创新相结合，培养学生应用研究、创新思考、分析总结的能力。该方案分别针对当前存在的实验课程内容设置简单、实验教学形式单一、考核方式固化以及实验报告格式单调等四个问题来进行改善，整体方案框架如图1所示：

图1. 数字信号处理实验管理框架

为有效培养学生独立创新、工程实践、国际交流能力和科研创新素养，根据实验课程的基本情况，结合实际教学特点，具体改革的内容包括以下几方面：

1) 加强课程内容设计，避免出现内容过于简单，导致学生参与度低的情况。近年来课程多采用线上与线下结合的方式，这对于自律和自学能力强的学生影响较小，但无法保证积极性不高的学生的学习质量。因此需要加强课程内容设计，提高学生学习积极性，引导学生了解相关科研领域，鼓励学生创新拓展。为适应不同层次学生设计不同的难易程度，避免出现简单陈旧的内容。为避免线上学习或团队实验淡化学生对课程的重视程度，设计特殊互动环节提升学生的参与度，加强学生的自我学习能力，提高学生对数字信号处理实验课程的重识。

2) 教学形式注重多样化，避免枯燥授课。教学是教师向学生传递信息的重要途径，为了达到高质量的授课效果，对课程教学形式的多样性和趣味性提出了更高的要求。在实验课程开展前引导学生了解相关理论的国际新进展，鼓励延伸实验充分调动学生创新性。注重教学形式的多样化，挣脱课程内容的枷锁，围绕理知识点展开实际应用举例，增加趣味小实验，介绍相关小领域国内外研究现状，将科研实践融入教学活动中，保证学生对于知识点的理解和掌握，并积极引导学生创新应用。

3）多维度考核，注重实际教学产出。考核作为课程设计的重要环节，可以检验学生对于课程内容的学习掌握情况，了解授课效果总结授课经验。现有的简单固化的实验课程考核方式，很难评判学生实验能力与实际掌握情况。因此，需要考虑进行多维度考核，可以在课堂实验完成度的基础之上加上互动验收环节，在增强师生互动的同时，有助于教师深层了解学生的学习效果。另外，也需要注重实际教学成果的产出，提高学生运用实验理论解决相关实际问题的能力。

4）重新设计实验报告格式及内容，提升学生独立思考和总结归纳能力。实验报告是实验课程的重要输出物，固有的实验报告中实验目的与原理的内容已在课本中详细给出，限制了学生的主观能动性以及独立思考的能力。因此，需要在现有的实验报告格式以及内容上进行改革，促使学生发挥主观能动性积极主动解决问题。另外，可以添加对相关领域国内外研究现状的了解并进行高质量的总结，学习整理归纳知识，有助于培养学生科研能力，引导学生创新思维。

四、实践探索

本文将根据数字信号处理实验课程的具体要求，结合目前梳理出来的改革内容，具体改革措施如下：

1) 理论联系实践，培养学生创新能力。电子信息类专业要求毕业生具备扎实的理论技术与突出的实践创新能力，才能适应社会相关行业需求。课程内容设计直接影响学生创新实践能力目标的达成，结合当下数字信号处理国内外研究现状及在工程中的应用，加强课程内容与实际的联系，添加难易适中的应用实例实验。数字信号处理实验主要包括采样、频谱分析、滤波器设计和综合实验等，课程内容以小实验单独呈现，缺乏连续性和承接性，不利于对模拟信号数字化处理过程的理解。可根据最常用的语音信号处理过程设计实验内容，通过对语音信号的采样、频谱分析、加噪、去噪、检测等实验内容，将整个模拟信号的数字处理过程串起来，加深同学对理论知识的理解及应用。也可以让学生自己生成模拟信号并对其进行数字域处理，鼓励学生实践创新，实现更有意义的信号处理过程。整个实验课程内容不仅增加了趣味性，也能够提高学生对数字信号处理技术在工程中应用的认识。

2) 增强师生互动，提升学生课堂参与度。通常实验课教学过程主要分为课前、课中与课后三个阶段。课前老师们可以先整理出一到两篇与课程实验内容相关的小论文，提前一节课发送给学生让他们尝试阅读理解并重现论文中相关理论的实际应用。引导学生根据实验内容对理论知识解决现实问题的情况进行思考，并主动了解相关理论国内外研究现状，培养研究思维。在课堂上，学生根据预习思考的总结与老师讨论实验创新内容，在课堂上实现创新应用实验，并将课堂实验收获与老师分享讨论。

3) 多维度考核，注重实际产出。现阶段的各类实验课考核指标主要有以下三个组成部分：出勤、实验完成度、实验报告。在信息高度共享的新时代，学生们课前可通过网络获取所有课程内容所需代码，直接运行即可完成课堂实验验收，在实验结果相同的情况下实验报告总结内容区别甚微。据此，学生学习和实践能力很难被评判出来，需要建立多维度考核标准。除旧的考核项目外，可添加课堂表现、拓展问答、实验创新等，针对思维比较活跃、对理论理解比较透彻、对研究现状比较了解或创新产出较丰富的学生给予高分鼓励。

4) 重新设计实验报告格式，提升学生独立思考和总结归纳能力。独立思考和总结归纳能力是科研能力中比较重要的两个部分，需要长时间的投入培养。通用的实验报告包括实验目的、实验原理、实验步骤与实验结果等部分，一定程度上限制了学生的独立思考的能力。为了锻炼学生的总结归纳以及报告整理的能力，实验报告可借鉴科研小论文的形式，为毕业时的大论文及有兴趣继续科研的学生打好基础。

五、结论

针对文中数字信号处理实验课程存在的问题，本文提出面向科研创新的实验改革方案。添加实际应用实验内容，培养学生应用理论知识解决实际工程问题的能力；引导学生对实验内容进行思考和创新，鼓励学生阅读相关研究论文，授课教师全程参与课内外指导交流；设计多维度的考核方案，增强学生对理论的思考，锻炼学生分析表达和思考总结能力。

[参考文献]

[1] 引领高等教育改革的新工科建设．中国教育新闻网[2018-09-20].

[2] 习近平.高举中国特色杜会主义伟大旗帜为全面建设社会主义现代化国家而团结奋斗——在中国共产党第二十次全国代表大会上的报告（2022年10月16日）党建研究（北京）2022.

[3] 董显娟, 徐勇, 李宁,等. 科研融入教学在《材料成型工艺基础》课程改革中的探索与实践[J]. 中国多媒体与网络教学学报：电子版, 2020(34):89-91.

[4] 李童,杨楠.新工科背景下学生友好型案例教学的理念、构建与实践[J].高等工程教育研究,2022(1):29-34.

[5] 张进良, 张靖晗, 谈桂芬. 科研成果转化为"信息技术教学应用"教学资源的实践探索[J]. 当代教育理论与实践, 2022, 14(4): 137-142.

[6] 刘双清, 王俊琳, 文鼎,等. 高校科研成果转化为本科教学资源的改进途径和机制创新[J]. 吉林省教育学院学报, 2022, 38(8): 142-145.

[7] 钱明芳, 张学习, 耿林. 科研与教学融合下的课程建设实践——以哈尔滨工业大学研究生精品课程"材料表面与界面"为例[J]. 教师, 2022(27): 111-113.

[8] 丁玉美, 高西全. 数字信号处理[M]. 西安电子科技大学出版社, 2016, pp: 1-336.

[9] Proakis, JohnG. Digital signal processing : principles, algorithms, and applications  数字信号处理:原理、算法与应[M]. 中国电力出版社, 2004, pp: 1-799.

A reform exploration for research and innovation of Digital Signal Processing Experiment

Suya Han  Zhengyu Zhu  Wanming Hao

School of Electrical and Information Engineering, Zhengzhou University, 450000

The 20th National Congress once again emphasized the central position of "innovation" in modernization, and "scientific research" is the first step to cultivating innovative talents. Digital signal processing as a basic course in electronic information is highly theoretical, and experimental teaching is an important link between theory and practice. This paper combines teaching practice with scientific research and explores the reform of experimental teaching oriented to scientific innovation. The reform program is implemented in terms of experimental course content design, teaching format, assessment methods, and experimental reports. The reform focuses on the integration of research and innovation, and cultivates the "international vision" of students. It can effectively improve students’ ability of independent innovation and scientific research.