新工科背景下“数字信号处理”教学模式探索

聂学方 朱路 周天清

[摘 要] 传统的教学方式已无法适应新时代创新型人才的培养要求。随着信息技术在教育行业应用的推广，线上教学作为传统教学的补充已获得广大师生好评。随着教学方式的逐步演变，在“新工科”的背景下，深度融合的线上与线下混合教学模式已成为高校教学改革的重要发展方向。以“数字信号处理”课程为例，阐述深度融合的混合式教学实施方案，并分析混合式教学效果，为实施有序、稳定和高效的线上线下深度融合的混合式教学提供借鉴。

[关键词] 混合式教学;数字信号;教学模式

[基金项目] 2020年度江西省教育科学“十三五”规划省级课题“信息隐藏框架下本科专业课程科教融合的鲁棒性机制及其实现路径研究”（20YB057）

[作者简介] 聂学方（1980—），男，江西九江人，博士，华东交通大学信息工程学院讲师，主要从事超密集组网研究;朱 路（1976—），男，江西永新人，博士，华东交通大学信息工程学院教授，主要从事图像处理研究;周天清（1983—），男，江西南昌人，博士，华东交通大学信息工程学院副教授，主要从事边缘计算研究。

[中图分类号] G642.4    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）07-0097-04    [收稿日期] 2020-09-07

一、引言

为了迎接新时代科技创新与产业变革带来的挑战，教育部提出了新工科建设与发展理念，旨在加快我国工程教育的创新与改革进度，为高校培养创新型科技人才做好铺垫。传统“灌输式”的教学方式已不再适用于培养创新型人才，高校急需提出适应新时代人才培养体系的教学模式。随着信息技术在教育行业应用的推广，线上教学作为传统教学的补充已获得广大师生好评。在“新工科”背景下，教师的教学手段和学生的学习方式正在逐步发生变化。为丰富课程教学形式、改善教学效果，深度融合线上线下的混合教学模式，已成为当前高校教学改革的一个重要发展方向[1-3]。然而，如何深度融合线上线下教学是高校教学改革的重要挑战。为此，本文以工科专业基础课“数字信号处理”课程为例，阐述深度融合的线上线下混合式教学模式，分享教学实践经验和成效，为实施有序、稳定、高效的混合式教学模式提供借鑒。

二、传统教学和线上教学方式

传统教学通常是以教师为主体、以教材为中心的灌输式教学模式。课堂上教师讲授学生听，主要采用演示文稿（PPT）和黑板辅助的形式。课后学生围绕着教师布置的课后练习题进行学习。这种传统的教学方法以教师为主体，教学方式相对单一。该模式虽然能较好地完成教学任务，但整个上课过程学生参与度和学习主动性较低，师生互动性交流较少，无法体现以学生为中心的教学理念。

随着智能信息技术的快速发展及移动互联网的广泛应用，具有云端和多样化特点的网络教学方式已经纷纷上线[4]。教师可以依托中国大学MOOC、学堂在线和智慧树等教学平台，设置异步在线授课方式，并根据课程教学大纲建设专属在线课程SPOC。相比于传统的线下教学方式，线上教学模式为教师授课提供了便利条件。例如，钉钉平台还推出了在线黑板、签到、会议讨论、作业布置及批阅等功能。然而，单纯的线上教学模式主要是在教学平台上提供教学录像和学习资料，缺乏师生即时交互环节，呈现单向知识传递的局面。

三、混合式教学模式

（一）课程教学大纲

“数字信号处理”作为电子信息类主干课程，对于培养学生的理论分析和工程应用能力有重要作用[5]。课程大纲统筹考虑如下四个方面的教学目的：（1）掌握离散时间信号和系统分析的基本原理和基本分析方法;（2）深入理解离散傅里叶变换的基本原理，学会应用离散傅里叶变换及快速算法解决信号分析问题的方法;（3）能用系统函数、差分方程、系统零极点、单位脉冲响应和频率响应对系统进行建模;（4）掌握数字滤波器的设计原理和实现方法，能够设计数字滤波器对数字信号进行处理。具体教学内容如图1所示。

“数字信号处理”课程包含信号分析和滤波器设计两大部分。每个章节教学由四个部分组成，教学方案如图2所示。整个教学过程包含教师教学准备、学生课前预习、教师和学生互动的课中环节及学生课后巩固四个环节。其中，课前预习和课后巩固两部分主要依托中国大学MOOC和钉钉互联网平台展开。MOOC平台提供教学视频和单元内容测试，而钉钉为教师直播授课、作业布置和批阅提供平台，同时也为学生签到和问题讨论提供便利渠道。课中环节在教室完成，教师讲解重点难点知识，并组织学生互动讨论。

（二）混合式教学实施方案

1.教学准备。在授课前教师根据课程教学大纲制定好教学计划和教学进度安排。在每次课讲授之前，教师将准备好的预习资料通过中国大学MOOC和钉钉平台推送给学生。这些资料包含了知识重点、学习目标及具有针对性的思考练习题和视频学习资料等。如果知识点具有工程应用背景，则在预习资料中还包含工程应用案例。例如：针对快速离散傅里叶变换的典型教学内容，团队制作PPT课件及录制好相应内容的讲解视频，并说明FFT与已学内容离散傅里叶变换（DFT）的区别、FFT算法实现快速运算的基本思路。其次，为了学生理解和记忆，推送公式演算和算法流图，说明按时间抽取（DIT）和频率抽取（DFT）基-2FFT算法的基本原理和两者算法的差异。由于FFT算法具有较强的工程应用背景，我们编写DIT和DFT的基-2 FFT算法程序，实现对8点离散序列的频谱分析。最后，针对FFT算法内容设置课前和课后的练习题。课前练习题包括：（1）改善DFT运算效率的基本途径有哪些，如何减少DFT的运算量;（2）DIT和DFT算法所需加法和乘法的运算次数相比于DFT，运算次数减少了多少;（3）FFT运算级数、每级蝶形运算的个数及运算点数有什么关联。课后练习包括：（1）理解DIT和DFT的基-2FFT算法的算法原理、运算流图、所需计算量和算法特点;（2）画出4点DIT和DFT的基-2FFT算法流图;（3）8/16/32点DIT和DFT的基-2FFT流图之间有什么规律。