《数字信号处理》课程教学探索与学习评价

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　　摘要：本文结合作者教学实践对《数字信号处理》课程的教学思路改革进行探索，建立了双循环结构的学习评价机制并在教学过程中进行了实践。实践结果表明：课程逐步完善的教学资源及所采取的形成性和终结性相结合的学习评价方式能够促进学生主动学习，是《数字信号处理》课程落实以学生为中心教学理念的成功尝试。
　　关键词：数字信号处理;教学探索;学习评价
　　《数字信号处理》是高等学校电子信息与通信类专业的基础课程。随着现代信息技术的不断发展进步，课程涉及的新理论、新方法、新算法都在不断的演化和更新，给课程教学创新提供了丰富素材也带来了极大的挑战。同时，课程的离散傅里叶变换和数字滤波器设计等核心内容理论繁杂、公式多，初学者在理解和掌握上存在着困难。此外，以理论讲授为主的传统教学模式形式单调、学生参与度不高、兴趣不足也给课程教学造成了障碍。
　　为了使课程教学与时俱进，课程教学质量持续改进，真正满足以学生为中心的教学要求，满足学生的学习需求，本文结合作者的教学实践从教学思路改革、课程评价等方面对课程建设进行探索，建立并实践了双循环结构的课程学习评价机制。
　　1 课程的教学思路改革探索
　　本科教学阶段的《数字信号处理》课程教学内容看似交叉繁杂，但实质上始终围绕离散傅里叶变换和数字滤波器设计两个核心展开，具有三条明确的主线，即信号表示、信号变换和信号处理…。作者认为，初学者存在理解困难和学习参与度不高的主要原因有：（1）限于教材的教学内容顺序，教学过程中学生容易将数字信号和数字系统的概念混淆，导致对信号变换和信号处理方法的理解出现偏差。（2）教学过程中学生缺少同步的练习和应用，靠死记硬背记忆理论知识，没有真正理解离散傅里叶变换和数字滤波器设计的物理含义（图1为调查统计的学生学习难点分布）。（3）传统的理论教学模式缺少必要的学生参与和师生互动，导致学生处于被动学习的状态。
　　为了改善课程教学效果、提高教学质量、满足学生的学习需求，可以从以下四个方面对高等学校《数字信号处理》课程进行改革。
　　1.1 以培养学生能力为出发点明确不同层次学生的课程学习目标
　　以学生为中心的课程教学目标不能再以教给学生什么样的理论、知识、方法的方式阐述，而应该明确学生通过课程学习能够具备何种能力来衡量。从学生的角度出发，《数字信号处理》课程的教学目标总体上可以归纳为三条：（1）学生能够运用数学知识推导和分析信号变换的过程;（2）学生能够运用傅里叶变换（尤其是快速傅里叶变化）实现对信号的分析;（3）学生能够根据给定的技术要求设计出符合技术指标的数字滤波器。
　　以上三条教学目标對于不同层次的学生要求应有所差异。对“双一流’高校的本科学生而言，考虑到学生后续从事更高层次科学技术研究的需要，三条教学目标都应该达到。对应用型本科学生而言，重点应放在数字信号处理的应用上，即主要考查第二、三两条教学目标。
　　1.2设计以应用为导向的课程教学案例
　　通过近十年的教学实践，笔者发现尽管任课教师通过很多现实的案例分析了数字信号处理知识的应用场景，但学生在课程学习的初期仍无法理解课程内容如何与应用挂钩。造成这一现象的主要原因是课程的理论推理是从数学的角度出发，缺少从应用中抽象、提取的教学案例。
　　为了改善和提升教学效果，任课教师需要围绕课程理论内容，结合理论的应用设计若干教学案例，辅助学生理解。以下给出一个实例：在讲授利用圆周卷积计算线性卷积的理论内容时，任课教师可以先从线性卷积人手，给定一个实际的线性时不变系统h（n）和实际输入信号x（n）。显然，系统的输出y（n）就是x（n）和h（n）的线性卷积。此时，我们可以分析序列y（n）和x（n）、h（n）的长度、数值之间的关系。在此基础上，引入圆周卷积的定义和离散傅里叶变换的性质分析线性卷积和圆周卷积的关系和计算方法，从而使学生理解利用圆周卷积计算线性卷积的方法以及条件。此外，在数字滤波器设计部分，任课教师也可以从实际应用中抽象技术指标，讲授滤波器的设计过程以及设计完成后的应用效果等。通过一个完整的应用举例辅助学生培养知识的应用能力。
　　1.3 借助计算机辅助工具促进理论教学的形象化和学生的自主探索
　　将理论内容形象化是对抽象概念、定义和公式等最好的理解方式。数字信号处理课程中应用MATLAB、多媒体技术、虚拟仿真系统等计算机辅助工具将理论内容形象化都是促进学生深刻理解和熟练掌握课程内容的有效途径。通过编写的MATLAB代码可以让学生理解从理论到算法的实现过程。通过录制短视频等多媒体手段可以通过形象的动态影像辅助学生理解课程的理论内容。通过虚拟仿真系统的应用可以满足学生实际训练的要求。
　　计算机辅助工具的使用也是促进学生自主探索的有效手段。计算机辅助工具的使用可以使课程教学变得具有开放性、多元性和包容性等特征[2]。任课教师可以设计必要的设计题目供学生课后巩固练习。学生也可以根据自身学习情况建立个性化的学习方案，促进自主学习和自主探索能力的形成。
　　1.4 多样化的教学和评价形式相结合，提升学生的参与度和学习兴趣
　　随着教育技术的发展，课程教学的形式越来越多样化，既有传统的课堂教学，也出现了在线课程、慕课、微课、翻转课堂等多种新的教学形式[1，3，4]。所有的教学形式都通过对课程“课前一课堂一课后”教学过程的约束促进学生学习，目标是确立以学生为中心的课程学习模式。
　　由于其理论的复杂性和理解的难度，笔者认为《数字信号处理》课程的宜采用教师主导的以学生为中心的学习模式。为了实现这种学习模式，课程应采用多样化的教学形式。在各种教学形式中，课堂讲授仍应是课程的重要教学形式，线上资源、微课视频、翻转课堂等作为必要的补充充实学生的课前、课堂、课后学习阶段，提升学生的参与度和学习兴趣。同时，需要建立与多样化教学形式相适应的课程评价形式，保障课程教学质量的改进和学生学习效果的提升。 　　2 双循环结构的学习评价机制与实践
　　2.1 双循环结构的学习评价机制
　　课程改革不仅关系到任课教师个人，必须有学生的深度参与。教学思路改革需要与之相适应的课程学习评价机制做保障。传统的仅以考试评价学生学习效果的终结性评价方式很容易导致学生出现“不考不学”、“考前突击”的现象[5]，不利于形成《数字信号处理》课程“教师主导的以学生为中心”的学习模式。通过近几年的教学实践，笔者建立了形成性和终结性评价相结合的双循环结构的学习评价机制。图2为该学习评价机制的示意图。形成性评价是在教学过程中进行，服务于“课前一课堂一课后”的各个环节，目的是发现问题，及时调整课程的教与学。终结性评价在课程中期和结束时进行，目的是考核学生学习成效和评估课程教学质量，为课程质量的持续改进提供依据。
　　在《数字信号处理》课程评价体系建立过程中，首先，充分利用了雨课堂、线上教学、课堂互动和课后作业等多种形成性评价手段将课程教学的各个过程衔接起来，以保障学生的学习效果一直处于持续提升的状态。课前发布教学重点、难点问题督促学生预习，并配以选择、填空等自测题检验学生对基本概念的理解情况。课堂上针对教学重点、难点安排适度的课堂练习，强化学生对知识的内化。课后通过作业检查学生的知识应用能力。教学过程中所有的训练都通过平时成绩反映到学生的学习效果评价中。其次，通过统一组织的课程期中、期末考试综合评价学生学习的达成情况。该评价即作为学生成绩评定的一部分，也作为评价课程教学质量的重要指标。课程一个教学周期结束后，任课教师通过对考核情况的分析，提出课程教学改进措施并修订课程大纲或课程教案，使课程教学质量始终处于持续改进的状态。
　　2.2课程评价机制实践
　　基于以上的课程教学思路探索和双循环结构的学习评价机制，《数字信号处理》教学团队从2016年起逐步建立课程资源和相应的评价方法。截至目前，共录制了40小时的课程教学辅助视频资源;形成了涵盖数字信号与系统的时域、频域、z域分析、离散傅里叶变换、信号谱分析、数字滤波器设计等核心内容的4次课后巩固练习资源;配合理论教学进度，针对学生学习难点设计并形成了包括z变换、离散傅里叶变换、IIR數字滤波器设计、FIR线性相位滤波器设计等在内的5次课堂练习资源;以雨课堂平台为基础建立了10次课前重点难点预习资源。
　　在以上资源建设的支撑下，2019年数字信号处理课程完全按照双循环结构的学习评价机制对学生的学习过程进行评价。图3为一个30人教学班的学习评价统计。从图中可以看出，课堂练习和学生的期中、期末的终结性评价的变化趋势基本一致，说明课堂练习的加入显著促进了学生学习的主动性。同时，所有学生的课后作业完成情况都较好，但部分学生的考核成绩偏低。这说明学生的课后巩固环节缺少自觉、自律，后续实践过程中需要进一步加强。
　　此外，图4为近三个教学周期学生的综合评价结果。对比三个教学周期的情况不难看出，通过不断地加强课前、课堂和课后的形成性评价手段，学生的综合评价逐年向好。不及格率从前两个周期的25%以上下降到第三个周期的3.3%，优良（综合评价80分以上）的比例从14.3%、25%上升到50%。这说明当前的课程教学改革思路方向是正确的，评价手段可以较好地引导学生主动学习，以学生为中心的课程教学方法正逐步形成。
　　3 结束语
　　在高等学校专业教育全面倡导以学生为中心的当下，作为专业课程体系基本单元的课程如何落实以学生为中心、培养学生的专业能力是课程改革必须解决的核心问题。本文阐述了笔者对《数字信号处理》课程的教学思路改革进行了探索和实践，建立了双循环结构的学习评价机制，有效地调动了学生的学习主动性、参与度，使以学生为中心的教学理念在课程教学中落实，适应了当前专业教育的需要。
　　然而，课程改革是一个持续不断的过程。在本文给出的几点教学思路探索基础上，继续丰富教学资源、增加教学案例，建立理论和应用并重的数字信号处理课程教学体系是进一步推进课程改革的方向。
　　参考文献：
　　[1]赵素文，贾磊磊《数字信号处理》翻转课堂教学质量评价[J]当代教育实践与教学研究，2020（07）35-36.
　　[2]范迪，吕常智高等院校“数字信号处理”课程教育教学探索——评《数字信号处理教程（第五版）》[J]高教探索，2020（02）：131
　　[3]张小青.基于学堂在线平台的《数字信号处理》课程混合教学模式研究[J]教育教学论坛，2020（02）：233-234.
　　[4]张印强，王莉，李丽娟等.数字信号处理微课教学改革探索[J]西昌学院学报（自然科学版），2020，34（01）：108-110+128.
　　[5]袁华，陈泽濠.形成性评价在课程教学中的应用和实践——以计算机网络课程教学为例[J].计算机教育，2018（02）：67-69.
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