以CDIO为理念的“信号分析与处理”教学改革研究
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作者:甘海涛 武薇
[摘 要] 文章阐述了CDIO教学模式在“信号分析与处理”本科教学中的教学内容与教学成果，并对“信号分析与处理”课程目前所存在的问题进行了分析。根据CDIO教学模式，对“信号分析与处理”教学提出了改革方案，最后对教学模式的改革效果作了分析和评估。结果显示，教学模式改革提高了教学质量，并取得了良好的教学成果。
[关键词] 信号分析与处理;CDIO教学模式;教学改革
[基金项目] 杭州电子科技大学2017年高等教育研究资助项目“优化课程教学模式探索：以信号分析与处理为例”（YB201768）;杭州电
子科技大学2017年研究生核心课程建设项目“数字图像处理”（hxkc2017002）;浙江省高等教育“十三五”第一批教学改革研
究项目“面向人工智能人才培养的多方协同育人模式创新与实践”（jg20180103）
[作者简介] 甘海涛（1985—），男，江西丰城人，博士，杭州电子科技大学自动化学院副教授，研究方向为机器学习和信号处理;
武 薇 （1979—），女，云南昆明人，博士，杭州电子科技大学自动化学院讲师，研究方向为生物医学信息处理。
[中图分类号] TN911.6 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）30-0162-02 [收稿日期] 2019-10-05
随着智能时代的到来，“信号分析与处理”课程已经成为电气工程、电子信息、自动化等专业领域的一门必修课，它将基础理论知识应用到专业问题上，在理论与实践的结合中发挥着桥梁作用。此外，这门课程还能培养学生的逻辑思维能力，使学生在处理相关问题时能寻找到最优的方法。
CDIO概念主要由构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）四个方面构成[1，2]。近年来，国际上产生的一大重要成果就是CDIO工程教育模式，让学生以主动的、实践的方式学习课程是其基本理念。CDIO教学法以课程实践为主体来展开教学，老师发起课程项目并进行督导，因为学生在老师的指导下才能完成项目。该教学实践表明，在这种模式下，学生的积极性和创造性都会被充分发掘出来，结合“信号分析与处理”课程，学生能自觉主动地学习，并在实践中证实理论，在理论基础上充分实践。
“信号分析与处理”课程具有如下特点：课程理论繁杂，知识点多，概念晦涩难懂;课程体系的学科交叉性强;以CDIO为模式的课程改革让学生能够充分理解课程内容，熟练掌握信号分析与处理这门技术，指导学生如何将理论应用到实践上，从而满足当前社会对自动化人才的需要。
一、本课程教学中存在的問题
信号分析与处理这门技术一直是全球科学研究和应用的热点之一，但这一领域的专业人才短缺始终是一个问题。为了培养电气工程及其自动化高层次复合型人才[3]，杭州电子科技大学自动化学院向本科生开设了这门课程。由于该课程同时具有理论性和应用性，而且自动化学院“信号分析与处理”课程的总学时为40个学时，均为课堂教学，无上机实验，知识点多，从而为本课程的教与学提出了很大的挑战，学院的考核方式也较为单一。该课程在教学与实践中主要存在着以下问题：
首先，课程内容晦涩难懂，内容陈旧。时域、频域变换作为信号分析的基本手段，其理论比较复杂和抽象，没有实物演示，仅凭课堂板书和PPT难以让学生有直观的感受，学生因而不太容易掌握和理解不同变换的意义和应用价值。另外，传统的传授式教学方式、机械被动的学习方式难以取得良好的教学效果，不能适应“新工科”对工程应用型人才培养的要求。
其次，课程学时安排不合理。该课程只有40个学时，如果在短时间内讲解连续时间信号分析、离散时间信号分析、滤波器设计等知识点，难以让学生理解和掌握，而且这门课安排在大二年级下学期，这个学期还安排了其他重要专业课，使得学生课后复习的时间被大大缩减，为本课程教学带来巨大挑战。
再次，理论联系实践的过程较为薄弱。信号分析与处理是一个实践性很强的课程，由于没有安排上机实验，学生无法理解课程的应用价值，使知识只停留在书本上，并没有充分发挥其真正的作用，致使学生的学习积极性下降。因此，面对这个问题，我们应找到一种教学模式，使之成为达到教育目的一条途径。
最后，学院对课程的考核方式较为单一。目前，自动化学院主要以笔试的方式对学生进行考核，最后笔试成绩占最终成绩的70%，课后习题完成情况和上课出席率占30%。期末考试所涉及的知识点基本上都是书本上的，没有能够考查学生综合素质的题目。这会使学生只注重书本上的知识点，让学生的能力难以得到充分发掘[4]。
二、以CDIO为理念的教学改革方案
针对本课程教学所面临的问题，课题组以CDIO理论为导向，将培养学生的工程应用能力作为目标，着重培养学生的学习能力、实践能力、创新能力及团队合作精神，优化基于科研项目和竞赛的课程教学模式。在明确该课程所存在问题的基础上，提出了如下改革方案：
首先，在课程内容上进行调整，对信号分析与处理的知识点进行梳理，搭建了多层次的知识体系框架，并在原有内容的基础上，添加了该课程的一些前沿知识，使学生在掌握已有知识的基础上，提高对课程学习的兴趣，拓宽学生的知识面。
其次是教学方式的改变。如今，传统的课堂教学早已不能满足学生的学习需求，新的教育方式层出不穷，从传统的课堂授课过渡到慕课堂、微课堂等一系列新的教学方式，使学生可从多种渠道获得教育资源。信号分析与处理课程引进了学习通、慕课等在线教学资源，学生不仅可以学到书本上的知识，还能充分调动学生的积极性，自己寻找资料完成作业，制作PPT进行讲解，回答老师和学生的提问，及时发现自己存在的不足，从而不断完善知识结构体系。 再次，教學实践的改进。（1）基于课题组科研项目的课内工程案例教学法。我们尝试在讲解某一个知识点时，并不将其作为一个成熟的结论灌输给学生，而是结合课题组现有的科研项目，以相关成果作为工程案例，如脑电信号的去噪和特征提取作为脑机接口领域需要解决的问题，涉及到变换和滤波器设计，以此作为研究的出发点，通过演示性实验使学生对变换和滤波器产生直观的认识，以激发学习的兴趣，同时熟悉编程语言，通过观察并分析实验结果，增强对课堂所学内容的理解，让学生掌握信号分析的处理方法和应用开发方法。（2）借鉴竞赛方式的课外工程案例教学法。借鉴了电子设计和数学建模等比赛方式的课外工程案例教学法原则，不仅要培养学生发现问题、分析问题、提出问题和解决问题的能力，还要培养学生独立思维的能力、创新能力和实际应用能力。
最后，考核方式的调整。为了考查学生的创新能力，从单一的笔试改成“笔试+课题项目”的考核方式，学生自行组队完成与课程相关的课题，这样的考核方式培养了学生的自学能力，还培养了学生的团队合作精神。另外，学生的课堂表现也占最终成绩的一部分，这样，学生能够积极配合老师的教学工作，充分调动了学生的学习热情和积极性。
三、教学改革成效
通过将CDIO理论与电气工程及其自动化专业的背景和特色相结合，本文提出了“信号分析与处理”课程的教学改革方案，使该课程在教学内容上与时俱进，在教学模式上更加丰富多样，从而提高了学生的学习热情。学生对信号分析与处理概念的理解更为透彻，在处理问题和实践应用能力方面得到了提高。在这种模式下进行学习，将创新能力的培养融入教学的各个方面，包括课堂教学、课外实践、课后作业等，使学生的自学能力和创新能力都得到了加强。该课程教学改革后，学生的成绩总体上有了明显的进步，学生对课程和老师的评价也高了。
参考文献
[1]黄琛，曹阳艳.CDIO模式下高职创新教育探讨——以工程造价专业为例[J].教育教学论坛，2019（37）：268-270.
[2]罗山，戴高明.CDIO模式下“测试信号分析与处理”教学改革探索[J].攀枝花学院学报，2016（2）：106-109.
[3]李占英，张海传，王延平，等.智能时代基于CDIO的自动化专业人才培养研究[J].中国现代教育装备，2019（1）：100-103.
[4]马永力，曾瑄，黄志开，等.基于CDIO的自动化专业实践课程教学研究[J].湖北第二师范学院学报，2017（2）：107-109，
125.
Research on Teaching Reform of Signal Analysis and Processing Based on CDIO
GAN Hai-tao，WU Wei
（School of Automation，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou，Zhejiang 310018，China）
Abstract：This paper expounds the teaching contents and achievements of CDIO-based teaching mode in the course of signal analysis and processing for undergraduate students.The problems of signal analysis and processing are analyzed.According to the CDIO educational model，this paper puts forward a reform plan for the teaching of signal analysis and processing.Finally，the reform effect of the teaching model is analyzed and evaluated.The results show that the reform of teaching mode improves the teaching quality and achieves good teaching results.
Key words：signal analysis and processing;CDIO teaching model;teaching reform
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