工程教育认证背景下数字信号处理课程教学研究与实践

收稿日期：2023-09-19

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.038

摘  要：河北地质大学通信工程专业持续推进工程教育改革，依据成果导向理念修订了新的培养方案，对数字信号处理课程教学目标提出了新的要求。针对课程教学需要达成的对学生知识、能力、素养三个方面的培养目标，确立了达成目标的途径：通过课前、课中、课后一体化教学体系、重难点专题研究与讨论、补差小组分层教学来保证知识目标的达成；通过翻转课堂、案例教学、项目实操、兴趣小组科研探索来保证能力目标的达成；通过思政教育碎片化融入课堂保证素养目标的达成。最后从主观、客观两个角度对教学效果进行了评价，给出了两轮教学效果的对比。

关键词：工程教育认证；数字信号处理；课程目标；达成途径；课程评价

中图分类号：TP39；G434 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）07-0194-05

Teaching Research and Practice of Digital Signal Processing Course under the Background of Engineering Education Certification

WU Yan

（Hebei GEO University， Shijiazhuang  050031， China）

Abstract： The communication engineering major of Hebei GEO University continues to promote the reform of engineering education， and has revised new training plans based on the results oriented concept， proposing new requirements for the teaching objectives of digital signal processing courses. In response to the cultivation goals of student's knowledge， abilities， and literacy that need to be achieved in course teaching， the ways to achieve these goals have been established： It guarantees the achievement of knowledge goals through an integrated teaching system before， during， and after class， research and discussion on key and difficult topics， and hierarchical teaching in remedial groups. It guarantees the achievement of ability goals through flipped classroom， case teaching， project practice， and interest group research exploration. It guarantees the achievement of literacy goals through integrating fragmented ideological and political education into the classroom. Finally， the teaching effectiveness is evaluated from both subjective and objective perspectives， and a comparison of the two rounds of teaching effectiveness is provided.

Keywords： engineering education certification; digital signal processing; course goal; approach to achievement; course evaluation

0  引  言

工程教育认证背景下，专业对数字信号处理课程制定了新的课程目标包括知识目标、能力目标和素质目标3个方面，细化为以下4点：

1）掌握数字信号处理的基本原理和基本分析方法，包括离散信号与离散时间系统时域和变换域分析方法，能够利用上述方法分析离散时间信号与系统的特点，找到获取目标信号的处理方法和系统设计方法，并对通信工程领域复杂工程问题提出解决方案，进行比较、分析和改进。

2）掌握数字滤波器的设计方法与实现结构，能够过设计合适的数字滤波器解决信息工程领域复杂的数字信号处理问题，进而系统地应用数字信号、数字系统的分析方法，能够基于时域、频域、复频域，对信号和系统进行分析，能够证实解决方案的合理性，获得有效结论。

3）能够利用MATLAB软件和Simulink仿真工具对所设计的滤波器进行仿真，能够实事求是地记录实验结果，系统地运用数字信号处理的理论和分析方法，对实验结果进行解释，通过信息综合得到合理有效的结论。

4）通过小组协作的方式完成学习任务，培养在团队中能够各司其职并且有效沟通的能力。

1  课程目标达成途径

围绕课程目标，达成途径教学设计如表1所示。

1.1  提高知识目标达成的举措

1.1.1  课前、课中、课后一体化教学体系

课前，教师针对基本知识点、重要知识点、难点准备典型习题，以雨课堂试卷的形式发送给学生，学生作答后，教师可查看每个知识点的得分率，对得分率较低的知识点，在课上着重讲解并准备课上习题，通过雨课堂发送课堂练习，方便观察准确率，以及出错的同学，对个别出错的，可约答疑或录制讲解视频发送。课后，针对重难点布置课后练习题和讨论题目。考虑韩基泰[1]中提到的课后作业解答方式的弊端，课后习题讲解不安排集中习题课，均采用录制讲解视频发送给学生的方式解答。

1.1.2  重、难点专题研究与讨论

针对重要知识点、难点，以小组为单位分工合作完成实验并总结汇报[2]，如表2所示。

1.2  提高能力目标达成的举措

1）翻转课堂——自学能力培养。我国的哲学家周国平先生有一句话：“一切教育都是自我教育，一切学习本质上都是自学。”现实的教育多如魏婧等在《在线教学模式在数字信号处理课程中的应用与思考》中谈到的，一般的课堂模式都是“回顾上次课内容——检查预习情况——学习新课内容——发布作业”。这种课堂模式下，不能充分发挥学生的学习主动性。为了更加有效地培养学生的自学能力，并进一步提升课堂效率，采取了以下举措：预习环节设置有计入总成绩的测验，课上着重于解决多数学生自学过程中遇到的难点；课上部分知识点的讲解由教师辅助学生完成。

2）案例教学——发现、分析、解决问题的能力的培养。通过以小组形式完成讨论作业，锻炼学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。下面以“利用DFT（FFT）分析信号的频谱”中的一个实验为例简要说明。利用MATLAB绘制模拟信号x（t） = cos（400πt） + cos（410πt）的频谱。选择了采样频率为fs = 1 000，N = 128，得到结果如图1所示。

可见，不能显示出两个谱峰。依据原理分析，频谱分辨率不够，此时频谱分辨率为1 000/128=7.812 5，需要增加N的点数。于是，选择补零将128点样本增加至256点。结果如图2所示。

由图2可见，此时频谱分辨率为1 000 / 256 = 3.906 25，但依然不能显示出两个谱峰。现将截取的信号长度改为256点，结果如图3所示。

由图3可见，可以显示出两个谱峰。观测到的频率不准确。

增加截取的长度为512点，此时频谱分辨率为1 000 / 512 = 1.953 125，结果如图4所示，由图可见，两个谱峰的观测值比较准确。

进一步增加截取的长度为1 024点，此时频谱分辨率为1 000 / 1 024 = 0.976 5，结果如图5所示。由图可见，两个谱峰的观测值更加准确。

综合上面的实验，可得出结论：多个频率成分的信号，只有频谱分辨率小于频率成分的最小差值，才能显示多个谱峰；相同的采样率，截取的信号点数较大时，频率估值误差较小，如表3所示。

3）项目实操——应用课程理论知识解决实际问题能力的培养。通过小组合作完成项目任务，训练学生将所学理论知识应用到解决实际问题中。设计题目如表4所示。

4）兴趣小组科研探索——关注技术前沿、阅读科技文献、研究能力的培养。不少本科生表示他们对专业课程学习缺乏方向感，且以考试考高分为课程学习的最终目的。所以考试之前，学生热衷于考前刷题，而不是注重平时的课堂学习。但通过刷题完成的课程不会在学生心中留下太多的知识烙印。数字信号处理课程不仅要求学生掌握基本分析理论与设计方法，还要求具有解决实际问题的思想和算法仿真能力，并为后续从事电子信息方面的科研工作打下基础。其实，对于本科生而言，教学与科研并非是截然不同的两个范畴：教学传播知识，而科研运用科学的理论和方法研究和解决实际生活中的问题，并试图发现和总结新的知识。因此，专业课学习是进行科学研究的基础，应该把科研作为课程学习的目标之一，让学生的学习具有方向感。

通过小组合作完成项目任务，训练学生查阅科技文献、归纳总结的能力，培养学生关注数字信号处理技术前沿，并鼓励学生对目前存在的难题提出解决方案的设想和建议。

特别地，我们会动员学有余力且对信号处理方向感兴趣的同学，成立兴趣小组，学习后续课程“语音信号处理”“数字图像处理”的基础知识，引导组织他们阅读相关科技文献，了解该方向的科研现状。

1.3  提高素质目标达成的举措

通过课程思政，将思政教育碎片化地融入课堂教学中，既完成知识传播，又潜移默化地引导培养学生的世界观、人生观和价值观，开阔视野，丰富他们的精神世界[3-9]，激发学生学习的动力，如表5所示。

2  课程目标达成情况评价

逐步建立形成性课程评价体系，课程的评价采用客观评价和主观评价相结合的方式[10]。

2.1  课程目标达成客观评价

表6是课程目标达成情况对比。可见课程目标1、2达成情况明显提高，课程目标3、4从数字上看稍有下降，是因为评价指标有变化。2019级是部分线上教学只用实验部分作为评价指标，2020级增加了课程设计大作业部分，提高了对较复杂问题的分析、解决能力的考核。

课程成绩采用期末考试及过程性成绩相结合的方式，期末考试、阶段测试和实验主要考查了知识目标的达成情况，专题讨论和实践成绩主要考查能力目标的达成情况，具体构成如图6所示。

下面是2019级和2020级的数字信号处理结课成绩分布对比，由图7可见，优和良的比例明显提高，不及格率降低。

2.2  课程目标达成学生主观评价

下面是2020级学生结课问卷调查结果。从表7至表9的问卷结果可以看出，只有1/65的同学认为自己没有掌握数字滤波器的设计及MATLAB实现，学生主观认为课程目标达成。

3  结  论

从课程视角探索工程教育认证背景下的人才培养目标，专业课的课程目标、教学内容、教学方法、课程考核、评价环节，进行教学改革和实践，更加注重学生能力、素养的培养和提升。课程是为培养目标服务的，只有不断针对培养目标的达成情况，优化教学内容、方法和模式，才能适应人才培养的需求。

参考文献：

[1] 韩基泰.“数字信号处理”课程的学习模式优化研究 [J].科教导刊，2022（33）：103-105.

[2] 刘洪，林洁馨，梁建娟，等.“数字信号处理”课程中的案例式教学法研究 [J].教育教学论坛，2022（3）：133-136.

[3] 廖可非.基于OBE理念的数字信号处理课程思政实践 [J].佳木斯职业学院学报，2022，38（11）：115-117.

[4] 江汉，徐以涛，吴丹，等.“数字信号处理”课程思政元素库建设方法研究 [J].教育教学论坛，2022（31）：89-92.

[5] 郭德侠，曹萍萍，崔艳.工科本科生课程思政元素挖掘及教学实践——基于工程教育认证的视角 [J].北京教育（高教），2023（7）：72-75.

[6] 孟佳娜，薛明亮，李威.工程教育认证下专业课教学中课程思政的实施 [J].高教学刊，2023，9（18）：177-180.

[7] 张林，王艳芬，芦楠楠.“数字信号处理”课程思政探索与实践 [J].电气电子教学学报，2022，44（1）：65-68.

[8] 单洁，卢光跃，黄琼丹.“金课”背景下理工类课程思政内生式建设的研究——以数字信号处理课程为例 [J].高教学刊，2022，8（20）：23-29.

[9] 吴艳云，吴霆.“数字信号处理”课程思政的教学改革与实践 [J].广东轻工职业技术学院学报，2023，22（3）：64-67.

[10] 陆毅，裴明旭，朱幼莲，等.基于工程教育认证的“数字信号处理”课程教学评价与分析 [J].江苏理工学院学报，2020，26（6）：104-111.

作者简介：吴燕（1978—），女，汉族，河北保定人，讲师，硕士，研究方向：信号处理。