新工科和疫情背景下数字信号处理实验教学方法的研究

吴 玲,曹 霞,邬小林,李亚兰

(1.湖北工程学院 物理与电子信息工程学院，湖北 孝感 432000；2.武汉晴川学院 电子信息学院，湖北 武汉 430074；3.湘南学院 物理与电子电气工程学院，湖南 郴州 423000)

随着“新工科”概念的提出，培养具有创新意识和数字化思维的新工科人才成为高校的工科人才培养目标。2020年初，全国 “新型冠状病毒肺 炎”疫情爆发，教育部提出“停课不停教与学”。笔者所在学校借助互联网开放教育资源已能解决大部分理论课程的网上教学问题。可是实验教学需要借助实验设备，实验教学因此也缺乏充分的应对措施，因而实验教学面临着前所未有的压力[1]。

“数字信号处理”是一门工程性很强的课程，也是后续专业课程的基础和贯穿学科内容的纽带。近年来，社会和企业对既掌握学科理论知识又掌握相关工程技术人才的需求呈爆发式增长。本文基于新工科和疫情背景，研究了“数字信号处理”的实验教学，旨在帮助学生理解理论知识，并用来解决实际问题，培养学生的创新思维和创新能力。

1 数字信号处理实验的教学改革思路

纵观研究数字信号处理实验课程教学的文献，大致可以分为三类：第一类是基于传统的实验教学方法改革[2-3]。第二类是将虚拟仿真技术应用于实验的教学方法[4-7]。第三类是与网络数字资源结合的实验教学方法[8]。结合新工科和疫情背景，本文从实验内容、混合式实验教学模式和实验考核多元化模式三个方面探讨数字信号处理实验课程的教学方法。与传统数字信号处理实验教学相比，本文提出了基于Matlab GUI的虚拟仿真教学平台与学习通结合的混合式实验教学模式，具体的实验教学改革思路如图1所示。

图1 数字信号处理实验教学改革思路

2 实验内容研究

以培养学生实践能力为目标，围绕数字信号处理的重难点知识，构建多层次和多类型的实验内容体系来满足不同基础的学生的需求。多层次体现在实验内容按照难易程度分为基础实验和拔高实验。多类型体现在实验不仅有传统实验教学中的验证性实验，还增加综合实验和设计实验。具体如表1所示。

表1 数字信号处理实验内容安排

3 实验教学模式混合化

虚拟仿真实验教学具备真实实验不具备或难以完成的教学功能。尤其在疫情或者其他紧急情况下无法开展正常教学时，虚拟仿真实验教学显得尤为重要。采用Matlab虚拟仿真软件中的GUI来搭建虚拟仿真实验平台，实现数字信号处理的基础实验和拔高实验的相关功能，以增强实践教学的直观性和生动性。

超星学习通是翻转课堂中的一种新颖而有效的教学方法。学生不再是课堂上被灌输知识，而是在课堂上需要参与各种有意思的教学活动，比如讨论、抢答等。数字信号处理实验的原理讲解和实验演示非常适合采用视频的形式来进行。教师在课前将录制好的视频发布到学习通，同时在学习通中还可以设置一些具有启发式的问题。比如表1实验2中，教师可以提出以下几个问题：1)离散系统的频率响应函数有什么物理意义？2)系统的极点分布与因果稳定性关系；3)零极点对系统的幅频响应函数的影响？4)在滤波器设计中，如何设置零极点？学生通过学习通可以随时随地预习实验，并对教师提出的问题进行思考和回答。同时在实验中，教师可以根据学生的回答以及操作中的问题等进行有针对性的讲解或者讨论。

对比传统的实验教学，混合式实验教学可以更好地促进学生积极思考，启发学生的创新思维，培养学生的创新能力。

4 实验考核方式多元化

根据笔者以往的教学经验，发现传统的实验考核主要以实验报告为主，存在抄袭现象严重、学生缺乏学习积极性等缺点。为了更好地提升学生实践能力和创新能力，有必要对实验考核方式进行改革。我们提出的多元化实验考核方式如图2所示。

图2 多元化的实验考核方案

除了实验报告和实验操作，该实验考核的多元化体现在学习通中的实验预习以及提问和回答问题环节。实验预习占整体成绩的20%，教师在学习通电脑端或者手机端可以查看学生预习情况，对于没有预习的同学可以督促提醒。提问和回答问题环节占整体成绩的20%，教师在发布每次实验时，根据实验内容设置部分思考题，学生可以在学习通中留言回答，该环节可以促进学生主动思考。另外，对于学生自主完成的拔高型实验，教师可以根据完成情况额外加分。综上所述，改革后的实验考核方案更能促进学生的自主学习能力和创新能力的提高。

5 结束语

2020年下学期，笔者所在学校电子信息工程专业部分班级初步应用本文实验教学方法，取得了如下的成效：1)大部分学生养成提前预习的习惯；2)通过思考学习通里的问题，培养了部分学生积极思考的创新思维能力；3)由于提前预习和思考，学生解决问题能力明显提高。除了上述成效，也存在一些问题。如学生通过学习通观看学习视频遇到问题时无法与教师实时沟通，这也是后续要解决的问题。