基于产教融合的地方高校“数字信号处理”教学改革探索

王晓燕 季仁东 顾相平 唐永锋

淮阴工学院电子信息工程学院 江苏淮安 223001

2017年2月,教育部发布《关于开展新工科研究与实践的通知》,积极推进新工科建设。与传统的工科人才相比,“新工科”注重培养具备较强实践能力和创新能力、具备国际竞争力的高素质复合型人才[1-2]。“新工科”建设需要依托产教融合、校企合作的方式,通过建立资源共享、合作共赢的校企协同机制,构建行业产业与学校之间的协同育人环境[3-4]。

ICT是信息、通信和技术相融合而形成的一个新的技术领域[5-6]。2016年,我校与北京华晟经世信息技术股份有限公司开展合作,签署了校企合作与发展服务协议。基于ICT产教融合创新基地,校方与合作方可共同制定发展规划、共同制订培养方案、共同确定课程内容、共同实施课程教学、共同建设实践平台、共同进行质量评价。我校通信工程专业为ICT产教融合创新基地的主要合作专业,数字信号处理作为通信工程专业的核心课程,其在教学方面势必要紧跟形式进行相应改革,从而助力新工科建设。

1 “数字信号处理”课程教学现状

1.1 教学内容陈旧滞后

相比于通信及信息处理技术的飞速发展,通信设备的更新换代,课堂中“数字信号处理”课程的教学内容稍显陈旧,滞后于当前通信及信息处理技术的发展实际。

1.2 教学方法及教学手段有待改进

课程教学中较多采用理论讲授和案例分析的教学方法,以理论灌输为主,对于重难点知识,学生会感觉理论内容枯燥无味,相关公式推导晦涩难懂,不能充分激发学生的学习兴趣,以致无法有效提升教学质量。

1.3 实践教学形式有待丰富

课程实验多在实验室通过上机编程仿真的形式完成,学生按照教师给定的实验任务,按照既定的实验步骤可完成验证性的实验内容,但对设计性实验往往能力不足,从而丧失实践操作的兴趣。如何组织实践教学内容及采取多样化的实践指导形式还有待于进一步研究。

1.4 课程考核有待多元化

课程考核形式较单一,大多采用平时成绩和期末成绩各占一定比例的形式,且考核内容主要局限于教材和课堂教学中教师讲授的范围。侧重于理论知识的记忆和掌握,缺乏对专业技能的考核,不利于学生实践能力及创新能力的考核。

我校通信工程专业于2020年通过工程教育专业认证,2021年获批国家一流本科专业建设点。“数字信号处理”作为通信工程专业的核心课程,需要以产教融合为背景,改进现有教学状况,全方位提升学生的课程理论知识水平和实践创新能力。

2 教学改革措施

2.1 面向新工科,更新教学内容

新工科背景下,“产教融合”要求借助企业平台优势,发挥企业在培养学生过程中的重要作用,并不是简单地理解为减少理论教学内容和课时,与此恰恰相反,应该根据教学大纲要求对课程教学内容重新做出合理选择与分类。

2.1.1 针对知识点特性,对课程教学内容进行分类

“数字信号处理”课程主要讲解离散傅里叶变换及滤波器设计,应根据教学内容特性将其分为课堂精讲部分和与实践结合部分。针对相关理论,如Z变换、离散傅里叶变换等,需要在课堂上精讲,结合数学推导,使学生深刻理解变换的原理及实现过程。而滤波器设计除了讲解其设计方法和原理外,应重点与实践相结合,通过动手实践、编程调试,从而掌握滤波器设计的方法原理及应用。

2.1.2 扩充与实时更新教学内容

“数字信号处理”课程是信息通信技术相关领域的基础课程,课程内容应跟上该领域的前沿技术发展。因此,授课要与时俱进,在讲授对应章节时应该及时补充一些最新的方法及技术,不能受限于教材本身内容。重点加强教学内容中的工程应用部分,适当补充教学案例,注重理论知识与实践应用的有机结合。

2.2 设计分层实验,提升实践应用能力

在实践教学中,根据课程知识的进度,分别设计验证性实验、设计性实验以及综合项目实验。验证性实验在掌握每章基础知识的基础上可顺利完成,设计性实验需要综合应用课程知识,而综合项目实验不仅包括了该门课程的相关理论,同时也与信号与系统、通信原理等课程相关,且能够深度强化学生的编程应用能力。

以IIR、FIR数字滤波器相关内容为基础,设计综合项目案例,如语音信号处理、图像处理等综合性实验,在讲解滤波器设计的方法原理时,不仅演示相关的数学推导过程,而且将涉及的Matlab函数融入项目设计的实践过程中。综合案例教学方法能够充分激发学生的学习兴趣,从而有效提升其实践应用能力。

2.3 联合ICT创新基地,强化实训开发能力

“产教融合”要求与专业密切相关的企业同步参与到人才培养的全过程中,为学生提供更多的实践机会,让学生尽早认清自己的学习目标及学习内容。“数字信号处理”课程作为通信工程类专业核心课程,可充分利用创新基地硬件资源,在实践教学中适当引入实训项目的开发讲解,分类设计实验项目,以小组为单位,指导学生完成项目内容。结合项目需求优化实践授课内容,引领学生创新实践,这种将课程理论与实践应用相结合的授课方式能够激发学生课堂学习的积极性,带着问题听课,且能够将学到的理论及时用于项目设计,在深刻理解理论知识的同时,培养了解决工程问题的实践能力。

2.4 依托网络课堂,加强教学资源建设

“数字信号处理”课程作为我校校级优秀课程,依托泛雅课堂网络平台,制作了一系列授课视频及教学课件、电子教案等相关学习辅助资料,通过平台实现发布作业、在线测试、师生互评等功能。尤其在线测试功能,可方便查看学生答题情况以及各知识点的掌握情况,从而实现教学效果的精准分析,有利于改进后续的教学环节。线上课程建设极大丰富了学生课后的学习资源,与课堂教学形成互补,逐渐形成了立体式全方位教与学的互动模式。

2.5 实施多元考核,注重综合能力培养

在产教融合新形势下,考核模式应当转变思路,分别从理论考核及实验考核两方面做出相应改革。我校“数字信号处理”课程考试在形式上采取笔试、实验操作和课后作业相结合的形式,在考试内容上减少以机械记忆作答的试题类型及数量,适当增加需要经过分析、综合、归纳才能解答的综合类题目。另外,对实验考核形式也做了相应改革。传统的实验考核多以实验报告为准,这样单一的考核方式导致出现了部分实验报告雷同的情况,同时也会影响学生对实验上机操作的积极性。该课程的实践教学考核采用了答辩式考核、随堂随机抽签操作考核以及独立完成设计性实验项目等多种方式。注重实验态度、实验过程和实验结果,突出实验教学的考评功能,优化了实践教学考评体系。

2.6 聚焦产教融合,打造双师型教学团队

“数字信号处理”课程在通信工程专业起着承上启下的作用,在学生学完高等数学、信号与系统、模拟电路等基础课程后,逐渐过渡到通信原理、嵌入式系统设计、数据通信等专业类课程的学习,而“数字信号处理”课程中的信号采集、信号滤波、信号恢复等内容对后续课程学习起着重要的铺垫作用。依据ICT产教融合平台,教学团队有计划地参加企业选派专家所安排的技能培训,只有教师自身实践创新能力提高了,才能更有效地指导学生。为进一步强化学生对课程知识的掌握及应用,课程组联合ICT创新基地的企业导师共同完成学生的课程实验及综合项目指导工作,双师型教学团队逐渐形成。

2.7 融入课程思政,落实立德树人

高校的根本任务是立德树人,专业课程也应当融入相应的思政内容。依据“数字信号处理”课程的特点,可分别从宏观视角和微观视角设计相关的思政元素。宏观视角可从应用实例引入课程相关理论,引导学生认真学习专业知识,培养其社会责任感和使命感。微观视角则可分别结合时域采样定理、循环卷积、滤波器设计等专题知识,深入挖掘思政元素,适当引入相关人文知识,并嵌入学科前言和行业发展趋势,提升学习兴趣,引导学生做到学以致用,知行合一。将教学小课堂和社会大课堂相结合,有机融入思政元素,进一步提升教学效果,更好地落实立德树人根本任务。

3 教学改革成效

我校通信工程专业于2020年通过工程教育专业认证,根据工程教育认证的标准和要求,依据我校通信工程专业培养目标和数字信号处理课程定位,明确了该课程支撑的毕业要求和课程目标。课程目标主要有以下3个:

课程目标1:通过对数字信号处理基本理论、基本方法的学习,学生要熟悉序列的傅里叶变换FT、Z变换、离散傅里叶变换DFT及其快速算法FFT原理、IIR和FIR滤波器的设计原理等相关知识,并能用于数字信号处理系统中。

课程目标2:通过对基础知识的学习,能对离散时间信号与系统进行基本性能分析,能够利用DFT进行信号的频谱分析,并能分析解决DFT应用中的问题。

课程目标3:通过学习IIR和FIR滤波器设计原理,能够设计并实现满足性能指标的数字滤波器,具备分析设计数字滤波器的基本能力。

以通信工程专业2019级学生为例(通信1192班),计算得到班级总体的课程目标达成情况如图1所示,课程目标1、2和3的能力达成度平均值分别为0.85、0.77和0.66。绘制课程总评成绩分布如图2所示,多数学生成绩高于75分,大概三分之一学生高于80分,课程平均分为76分。

图1 课程目标总体达成情况

图2 课程总评成绩分布图

学生对课程目标1的能力达成度为0.85,说明学生对于数字信号处理的基本理论与基本方法理解和掌握情况较好,包括:序列的傅里叶变换FT、Z变换、离散傅里叶变换DFT及其快速算法FFT原理、IIR和FIR滤波器的设计原理等相关知识,能够对基本的离散时间信号和系统进行简单分析及运算。

学生对课程目标2的能力达成度为0.77,稍低于课程目标1,这说明大多数学生对于离散时间信号与系统的性能分析、应用离散傅里叶变换DFT对信号进行频谱分析等内容的学习及应用掌握较好,但也有部分学生相对较弱,尤其是DFT频谱分析部分,少数学生存在学习及理解困难,需要进行针对性辅导。

学生对课程目标3的达成度为0.66,达成度偏低,说明有部分同学没有掌握好课程中的数字滤波器设计和应用相关内容,对设计过程中的相关计算流程及计算方法不熟悉,或者对滤波器设计的Matlab编程方法没有掌握。针对该部分能力的提升,在以后的教学过程中应开展针对性的专题辅导和能力训练。

课程考核结果说明课程目标总体达成,可见大部分学生对课程相关理论知识掌握程度较好,实践应用能力也得到了有效提升,但仍存在一些有待提高的地方,在以后的教学过程中应进行持续改进。

结语

在新工科背景下,依托我校ICT产教融合创新基地,分别从教学内容、实践方式、网络课堂、课程考核、师资队伍、课程思政等方面开展了“数字信号处理”课程教学改革,重点探索了理论课堂与ICT创新基地之间的结合方法,以产教融合的方式着力提升学生的实践应用能力。淮阴工学院作为地方应用型高校,对学生工程实践能力的训练是人才培养的重心,“数字信号处理”作为通信工程专业的核心课程,将进一步加强校企合作,深化产教融合,不断提升学生的实践创新能力,为社会培养更多的优秀应用型人才。