收稿日期：2023-09-19

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.038

摘? 要：河北地質(zhì)大學通信工程專業(yè)持續(xù)推進工程教育改革，依據(jù)成果導向理念修訂了新的培養(yǎng)方案，對數(shù)字信號處理課程教學目標提出了新的要求。針對課程教學需要達成的對學生知識、能力、素養(yǎng)三個方面的培養(yǎng)目標，確立了達成目標的途徑：通過課前、課中、課后一體化教學體系、重難點專題研究與討論、補差小組分層教學來保證知識目標的達成；通過翻轉(zhuǎn)課堂、案例教學、項目實操、興趣小組科研探索來保證能力目標的達成；通過思政教育碎片化融入課堂保證素養(yǎng)目標的達成。最后從主觀、客觀兩個角度對教學效果進行了評價，給出了兩輪教學效果的對比。

關(guān)鍵詞：工程教育認證；數(shù)字信號處理；課程目標；達成途徑；課程評價

中圖分類號：TP39；G434 文獻標識碼：A 文章編號：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

工程教育認證背景下，專業(yè)對數(shù)字信號處理課程制定了新的課程目標包括知識目標、能力目標和素質(zhì)目標3個方面，細化為以下4點：

1）掌握數(shù)字信號處理的基本原理和基本分析方法，包括離散信號與離散時間系統(tǒng)時域和變換域分析方法，能夠利用上述方法分析離散時間信號與系統(tǒng)的特點，找到獲取目標信號的處理方法和系統(tǒng)設計方法，并對通信工程領(lǐng)域復雜工程問題提出解決方案，進行比較、分析和改進。

2）掌握數(shù)字濾波器的設計方法與實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，能夠過設計合適的數(shù)字濾波器解決信息工程領(lǐng)域復雜的數(shù)字信號處理問題，進而系統(tǒng)地應用數(shù)字信號、數(shù)字系統(tǒng)的分析方法，能夠基于時域、頻域、復頻域，對信號和系統(tǒng)進行分析，能夠證實解決方案的合理性，獲得有效結(jié)論。

3）能夠利用MATLAB軟件和Simulink仿真工具對所設計的濾波器進行仿真，能夠?qū)嵤虑笫堑赜涗泴嶒灲Y(jié)果，系統(tǒng)地運用數(shù)字信號處理的理論和分析方法，對實驗結(jié)果進行解釋，通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

4）通過小組協(xié)作的方式完成學習任務，培養(yǎng)在團隊中能夠各司其職并且有效溝通的能力。

1? 課程目標達成途徑

圍繞課程目標，達成途徑教學設計如表1所示。

1.1? 提高知識目標達成的舉措

1.1.1? 課前、課中、課后一體化教學體系

課前，教師針對基本知識點、重要知識點、難點準備典型習題，以雨課堂試卷的形式發(fā)送給學生，學生作答后，教師可查看每個知識點的得分率，對得分率較低的知識點，在課上著重講解并準備課上習題，通過雨課堂發(fā)送課堂練習，方便觀察準確率，以及出錯的同學，對個別出錯的，可約答疑或錄制講解視頻發(fā)送。課后，針對重難點布置課后練習題和討論題目?？紤]韓基泰[1]中提到的課后作業(yè)解答方式的弊端，課后習題講解不安排集中習題課，均采用錄制講解視頻發(fā)送給學生的方式解答。

1.1.2? 重、難點專題研究與討論

針對重要知識點、難點，以小組為單位分工合作完成實驗并總結(jié)匯報[2]，如表2所示。

1.2? 提高能力目標達成的舉措

1）翻轉(zhuǎn)課堂——自學能力培養(yǎng)。我國的哲學家周國平先生有一句話：“一切教育都是自我教育，一切學習本質(zhì)上都是自學?！爆F(xiàn)實的教育多如魏婧等在《在線教學模式在數(shù)字信號處理課程中的應用與思考》中談到的，一般的課堂模式都是“回顧上次課內(nèi)容——檢查預習情況——學習新課內(nèi)容——發(fā)布作業(yè)”。這種課堂模式下，不能充分發(fā)揮學生的學習主動性。為了更加有效地培養(yǎng)學生的自學能力，并進一步提升課堂效率，采取了以下舉措：預習環(huán)節(jié)設置有計入總成績的測驗，課上著重于解決多數(shù)學生自學過程中遇到的難點；課上部分知識點的講解由教師輔助學生完成。

2）案例教學——發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力的培養(yǎng)。通過以小組形式完成討論作業(yè)，鍛煉學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。下面以“利用DFT（FFT）分析信號的頻譜”中的一個實驗為例簡要說明。利用MATLAB繪制模擬信號x（t） = cos（400πt） + cos（410πt）的頻譜。選擇了采樣頻率為fs = 1 000，N = 128，得到結(jié)果如圖1所示。

可見，不能顯示出兩個譜峰。依據(jù)原理分析，頻譜分辨率不夠，此時頻譜分辨率為1 000/128=7.812 5，需要增加N的點數(shù)。于是，選擇補零將128點樣本增加至256點。結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，此時頻譜分辨率為1 000 / 256 = 3.906 25，但依然不能顯示出兩個譜峰?，F(xiàn)將截取的信號長度改為256點，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，可以顯示出兩個譜峰。觀測到的頻率不準確。

增加截取的長度為512點，此時頻譜分辨率為1 000 / 512 = 1.953 125，結(jié)果如圖4所示，由圖可見，兩個譜峰的觀測值比較準確。

進一步增加截取的長度為1 024點，此時頻譜分辨率為1 000 / 1 024 = 0.976 5，結(jié)果如圖5所示。由圖可見，兩個譜峰的觀測值更加準確。

綜合上面的實驗，可得出結(jié)論：多個頻率成分的信號，只有頻譜分辨率小于頻率成分的最小差值，才能顯示多個譜峰；相同的采樣率，截取的信號點數(shù)較大時，頻率估值誤差較小，如表3所示。

3）項目實操——應用課程理論知識解決實際問題能力的培養(yǎng)。通過小組合作完成項目任務，訓練學生將所學理論知識應用到解決實際問題中。設計題目如表4所示。

4）興趣小組科研探索——關(guān)注技術(shù)前沿、閱讀科技文獻、研究能力的培養(yǎng)。不少本科生表示他們對專業(yè)課程學習缺乏方向感，且以考試考高分為課程學習的最終目的。所以考試之前，學生熱衷于考前刷題，而不是注重平時的課堂學習。但通過刷題完成的課程不會在學生心中留下太多的知識烙印。數(shù)字信號處理課程不僅要求學生掌握基本分析理論與設計方法，還要求具有解決實際問題的思想和算法仿真能力，并為后續(xù)從事電子信息方面的科研工作打下基礎。其實，對于本科生而言，教學與科研并非是截然不同的兩個范疇：教學傳播知識，而科研運用科學的理論和方法研究和解決實際生活中的問題，并試圖發(fā)現(xiàn)和總結(jié)新的知識。因此，專業(yè)課學習是進行科學研究的基礎，應該把科研作為課程學習的目標之一，讓學生的學習具有方向感。

通過小組合作完成項目任務，訓練學生查閱科技文獻、歸納總結(jié)的能力，培養(yǎng)學生關(guān)注數(shù)字信號處理技術(shù)前沿，并鼓勵學生對目前存在的難題提出解決方案的設想和建議。

特別地，我們會動員學有余力且對信號處理方向感興趣的同學，成立興趣小組，學習后續(xù)課程“語音信號處理”“數(shù)字圖像處理”的基礎知識，引導組織他們閱讀相關(guān)科技文獻，了解該方向的科研現(xiàn)狀。

1.3? 提高素質(zhì)目標達成的舉措

通過課程思政，將思政教育碎片化地融入課堂教學中，既完成知識傳播，又潛移默化地引導培養(yǎng)學生的世界觀、人生觀和價值觀，開闊視野，豐富他們的精神世界[3-9]，激發(fā)學生學習的動力，如表5所示。

2? 課程目標達成情況評價

逐步建立形成性課程評價體系，課程的評價采用客觀評價和主觀評價相結(jié)合的方式[10]。

2.1? 課程目標達成客觀評價

表6是課程目標達成情況對比?？梢娬n程目標1、2達成情況明顯提高，課程目標3、4從數(shù)字上看稍有下降，是因為評價指標有變化。2019級是部分線上教學只用實驗部分作為評價指標，2020級增加了課程設計大作業(yè)部分，提高了對較復雜問題的分析、解決能力的考核。

課程成績采用期末考試及過程性成績相結(jié)合的方式，期末考試、階段測試和實驗主要考查了知識目標的達成情況，專題討論和實踐成績主要考查能力目標的達成情況，具體構(gòu)成如圖6所示。

下面是2019級和2020級的數(shù)字信號處理結(jié)課成績分布對比，由圖7可見，優(yōu)和良的比例明顯提高，不及格率降低。

2.2? 課程目標達成學生主觀評價

下面是2020級學生結(jié)課問卷調(diào)查結(jié)果。從表7至表9的問卷結(jié)果可以看出，只有1/65的同學認為自己沒有掌握數(shù)字濾波器的設計及MATLAB實現(xiàn)，學生主觀認為課程目標達成。

3? 結(jié)? 論

從課程視角探索工程教育認證背景下的人才培養(yǎng)目標，專業(yè)課的課程目標、教學內(nèi)容、教學方法、課程考核、評價環(huán)節(jié)，進行教學改革和實踐，更加注重學生能力、素養(yǎng)的培養(yǎng)和提升。課程是為培養(yǎng)目標服務的，只有不斷針對培養(yǎng)目標的達成情況，優(yōu)化教學內(nèi)容、方法和模式，才能適應人才培養(yǎng)的需求。

參考文獻：

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作者簡介：吳燕（1978—），女，漢族，河北保定人，講師，碩士，研究方向：信號處理。