新时代背景下的数字信号处理课程改革
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摘要：面向时代发展，课程组提出了“知而有识、学而善用”的教学理念，优化了课程教学体系和教学内容。以“为什么、是什么、做什么”为主线，开展了“问题驱动”的案例教学和“问题引领”的探究性教学，建设了丰富的课程教学资源，如国家级视频公开课、教育部英语授课品牌课程、国家级在线开放课程，出版了国家级规划教材。课程建设成果获得了北京市教学成果奖，发挥了积极的示范与辐射作用。
关键词：课程改革;教学理念;数字信号处理
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2020）22-0200-02
一、引言
随着信息技术的发展，社会对电子信息类人才的需求也发生了改变[1]，社会需要具有深厚理论基础、多学科综合能力以及创新能力的优秀人才。传统的数字信号处理课程在教学内容上未能及时将教研和科研成果转化为教学内容和教学素材，教学内容相对滞后。在教学方法上，难以激发学生的探究兴趣，未能充分锻炼学生理论联系实际解决复杂工程问题的能力。在教学资源上，面向工程实际的教学案例和在线开放课程较少，难以满足学生个性化学习需求。因此，需要深化数字信号处理课程改革，提高本科生课程的教学质量。
本次课程改革以教学理念更新为先导，以课程体系内容改革为核心，以创新人才培养为目标，提出了“知而有识、学而善用”的教学理念，优化了课程教学体系和教学内容，建设了国家级英语授课品牌课程、国家级视频公开课以及国家级规划教材;以“为什么、是什么、做什么”为主线，开展了“问题驱动”的案例教学和“问题引领”的探究性教学;研发了面向工程实际应用的教学案例，开播了数字信号处理MOOC课程。
二、面向时代发展，提出了新的课程教学理念
高等学校的根本任务是培养和造就适应时代发展的优秀人才，课程教学是人才培养的重要环节[2]，教学理念对教学过程和结果具有深刻影响。传统的大学教育大多停留在让学生“知”，而没有引导学生由“知”内化为“识”，进而付诸“行”，造成学生只知道一些书本上的定义、性质和习题演算。人们获取知识的主要目的是创造知识和应用知识，创造知识需要“有识”，应用知识需要“善用”。若学生仅满足于记忆这些书本内容，则难以获得真知灼见，创新创造更无从谈起，造成国家教育资源的浪费和人才培养的落后。因此，学生应该在汲取现有知识基础上深思熟虑，心领神会，学以致用，从而形成自己的学识和能力，努力成为“知而有识、学而善用”的创新创业人才[3]。
三、丰富教学内涵，优化了课程教学体系
数字信号处理是电子信息类相关专业的重要课程，既包含理论性知识又具有技术性内容。积极吸收教研与科研成果，优化了课程教学体系，丰富了课程教学内涵。例如，更正了现有国内外同类教材中普遍存在的关于“抽样定理”的表述和结论[4]。重构了信号抽样模型，以全新的角度诠释了信号时域抽样定理的本质内容。剖析了FFT算法的内在关系[5]，揭示了FFT算法蕴含的对称之美，开阔了学生学习其他信号处理算法的视野。
面向信息技术的发展，结合科研实践，更新了教学内容，如新增了多速率信号处理、多通道滤波器组、信号时频分析等内容。以夯实理论基础、强化工程应用为目标，形成了原理、方法、技术一体化的教学体系，建设了数字信号处理教育部来华留学英语授课品牌课程。物化课程教学体系和教学内容，编著出版了原理和方法为主的教材《数字信号处理》和技术为主的教材《DSP技术及其应用》，两部教材均入选国家级规划教材，其中《数字信号处理》教材被评为国家级精品教材;出版了《信号分析与处理实验》，该教材被评为北京市高等教育精品教材。应邀翻译的国外原版教材《数字信号处理及MATLAB仿真》，被评为最佳翻译教材。新的课程教学体系和内容体现了“厚理博术”的教学内涵，有利于把学生培养为“知而有识、学而善用”的优秀人才。
四、激发探究兴趣，改革了课程教学方法
根据新的教学理念，大学教育应从注重书本内容的传授，逐步转变为以教学内容为载体，启发引导学生在学习中汲取知识的精华，在探究中领悟知识的真谛，在创新中感受知识的魅力。教师要以自己的学识来讲解相关知识的来龙去脉，讲解为什么要引入此知识，其本质内容是什么，如何去应用，以及存在哪些工程局限等。本课程實施了以“为什么、是什么、做什么”为主线的教学方法。在引入新的理论和方法时，通过“为什么”，阐述此知识模块与其他知识模块之间的内在关系，明晰知识模块脉络;通过“是什么”，突出该知识模块的本质内容，促使学生将“知”内化为“识”;通过“做什么”，加深学生对知识原理的理解，促使学生由“识”付诸“行”。
通过问题的引入、问题的分析、问题的解决，开展了“问题驱动”的案例教学。基于课程重点，针对工程应用，设计了教学案例。如“DFT在轨道交通控制信号识别中的应用”案例，分析了机车信号识别实时性与有效性之间的约束，引导学生思考与掌握DFT参数的工程含义，理论联系实际;“IIR滤波器在脉搏信号分析中的应用”案例，分析了采集到的脉搏信号中各类噪声的特点以及来源，引导学生思考与掌握如何合理选择滤波器类型及设计指标。为了培养学生的探究精神和应用知识解决工程问题的能力，开展了“问题引领”的探究性教学。教师启发学生综合应用课程的原理、方法和技术开展探究性学习与实践，如“歌曲检索器的设计与实现”“钢琴校音器的设计与实现”。
案例教学和探究性教学激发了学生的探究兴趣，学生由被动接受知识转变为主动和互动获取知识，由侧重理解问题转变为侧重发现问题，由注重知识学习转变为注重知识应用，增强了学生的工程素质和创新意识，锻炼了学生理论联系实际解决工程问题的能力。
五、转化科教成果，建设了课程教学资源
团队教师积极开展教学研究，将科研与教研成果转化为教学资源，建设了面向工程实际应用，涵盖课程核心知识点的教学案例。这些案例包括全通系统和最小相位系统的应用案例;信号的时域抽样与重建的应用案例;回声产生及消除的应用案例;利用DFT分析信号频谱的应用案例;音乐电子记谱的应用案例;IIR滤波器在脉搏信号分析中的应用案例;FIR滤波器的应用案例;多速率信号处理的应用案例;基于小波域信号去噪与压缩的应用案例;电话拨号音产生与识别的应用案例;听音识曲系统的应用案例;FFT在OFDM通信中的应用案例;DFT在轨道交通控制信号识别中的应用案例。目前案例已在课程教学中全部应用，取得了积极效果，提高了课程质量。 围绕数字信号处理课程改革，建设了国家级视频公开课“走近数字技术”、国家精品在线开放课程“数字信号处理”（中国大学MOOC网，http：//www.icourse163.org）。“走近数字技术”主要内容包括数字化原理及数字化在声音与图像中的应用。课程深入浅出、形象生动，可作为数字信号处理的先修课程。“数字信号处理”MOOC课程包括信号抽样、信号频谱分析、数字滤波器设计、多速率信号处理、小波时频分析等。课程内容紧跟学科发展，教学内涵明晰，教学案例丰富，推进了课内课外、线上线下教学，满足了学生个性化学习需求，辐射了教学资源。
六、小结
该课程改革成果丰硕，发挥了示范与辐射作用。编著出版的国家级规划教材《数字信号处理》已发行70000多册。国家级视频公开课“走近数字技术”自上线以来浏览量3800多人次。国家精品在线开放课程“数字信号处理”MOOC课程已在中国大学MOOC网开播五学期，累计学习者已超过3万人。面向工程实践的教学案例已全面应用，增强了学生理论联系实际解决工程问题的能力。
参考文献：
[1]张干清，郭磊，向阳辉.新工科双创人才培养的实践教学范式[J].高教探索，2018，（08）：55-60.
[2]李海芬，李丹青.提高我国高等院校本科基础课程建设质量的建议[J].高教探索，2008，（04）：68-71.
[3]陈后金.转变教育观念 造就知而有识学而善用的优秀人才[J].中国大学教学，2013，（10）：10-11+15.
[4]薛健，陈后金，胡健，郝晓莉，钱满义.信号时域抽样的教学探索与研究[J].电气电子教学学报，2009，31（06）：99-101.
[5]李艳凤，陈后金，胡健.浅析FFT算法中对称关系[J].电气电子教学学报，2017，39（05）：78-80+84.
The Course Reform of Digital Signal Processing in the New Era
LI Yan-feng， CHEN Hou-jin， HUANG Lin-lin
（School of Electronic and Information Engineering， Beijing Jiaotong University，
Beijing 100044， China）
Abstract： Facing the development of the times， we put forward the teaching idea of "knowing and having knowledge， learning and making good use of knowledge" and optimize the course teaching system and content. Using "why-what-do" as the principle， the problem-driven case teaching and problem-led inquiry teaching are carried out. Rich teaching resources are constructed， including the national video open courses， Ministry of Education English brand courses， national-level MOOCs and nationally planned textbooks. The achievements of the course construction have won the Beijing teaching achievement award， which has played an active demonstration and radiation role.
Key words： course reform; teaching idea; Digital Signal Processing
收稿日期：2019-09-12
基金項目：2016年教育部国家级实验教学示范中心项目“电工电子国家级实验教学示范中心建设项目”（编号：351003535）;2018年北京交通大学教改项目“信号处理系列课程‘金课’探索与实践”（编号：133187522）;2017年北京交通大学教改项目“《近代数字信号处理》课程建设”（编号：134749522）;2019年北京交通大学教改项目“面向新经济的信息工程专业改造升级路径探索与实践”
作者简介：李艳凤（1988-），女（汉族），河北廊坊人，博士，副教授，研究方向：图像处理与模式识别;陈后金（1965-），男（汉族），安徽马鞍山人，博士，教授，研究方向：图像处理与模式识别。
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