卓越工程師“數(shù)據(jù)信號處理”課程群主題式教學探索
一、傳統(tǒng)教學存在的問題
“數(shù)字信號處理”是一門理論性很強的課程，涉及的知識面很寬，主要包括離散信號的Z變換、傅立葉變換、離散傅立葉變換、快速傅立葉變換以及濾波器設(shè)計等幾個方面的內(nèi)容。這些知識的學習和掌握需要微積分、復變函數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計等眾多學科作為基礎(chǔ)理論支撐。同時，數(shù)字信號處理又是一門有著廣泛應用背景的學科，其核心部分的內(nèi)容如頻譜分析和濾波器設(shè)計部分與通信理論、工業(yè)控制、模式識別、語音處理、圖像處理、神經(jīng)網(wǎng)絡等應用學科關(guān)系密切，在現(xiàn)代生活的各個領(lǐng)域中都有著廣泛的應用。因此，在教學過程中要加強學生對課程應用背景的了解，將實踐教學貫穿到理論學習中，突出實踐教學在數(shù)字信號處理教學中的重要地位。
MATLAB語言將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，將其應用于數(shù)字信號處理的教學中，可以很方便地把抽象的概念用圖形直觀地展示出來，便于學生對概念的理解。DSP芯片是為了快速實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法而專門設(shè)計的工程實踐平臺，可以很好地架起理論教學與工程應用的橋梁。但在實際教學中，由于應用目標不明確，很難調(diào)動學生學習的積極性。
針對卓越工程師的培養(yǎng)要求和上述課程的教學特點，組建了以“數(shù)字信號處理”課程為中心，以“信號與系統(tǒng)”、“MATLAB應用”和“DSP技術(shù)及應用”課程為基礎(chǔ)，以課程設(shè)計為綜合，以專業(yè)生產(chǎn)實習為實踐，以畢業(yè)設(shè)計為拓展的`“數(shù)字信號處理”課程群，以深入開展主題式教學。
二、主題式教學設(shè)計
課程群主題式教學以“興趣驅(qū)動、主題牽引、技能主導、理論優(yōu)先”為指導，采用“單主題、雙杠桿、多環(huán)節(jié)、寬拓展”的教學路線，主要抓好教學、考核、實踐和引導四個環(huán)節(jié)。
1.有機融合要求和興趣，精選課程主題
以全面培養(yǎng)優(yōu)秀的通信工程卓越工程師為牽引，充分考慮學校的教師資源、實驗室資源和實踐安排，根據(jù)學生的知識背景、學時分配和掌握能力，在深入調(diào)研社會需求、培養(yǎng)要求和新時期學生學習生活的特點和規(guī)律的基礎(chǔ)上，確立了主題式教學的思路。讓學生在學習過程中圍繞一個核心問題進行深入思考，積極產(chǎn)生問題需求，主動解決問題、克服困難，從而全面培養(yǎng)體系化、工程化的思維模式。在課程主題的選擇上，教研組在綜合考慮課程教學特點、當前研究前沿和學生興趣領(lǐng)域等因素的基礎(chǔ)上，明確了10個課程主題，對于不同的生源背景、不同的專業(yè)方向等進行量身定做。其中，為信息工程卓越工程師選擇了“數(shù)字式調(diào)音臺”這個主題，每個學生都應當通過設(shè)計計算、原型驗證(MATLAB平臺實現(xiàn))和工程實現(xiàn)(DSP平臺、C#平臺)來創(chuàng)新性的打造個性化的音控系統(tǒng)。
2.合理評價理論和技能，突出教學目標
考核決定了學習的價值導向。在考核杠桿方面，采取理論和技能一體化考核。每門課程的考核都分為作業(yè)、卷考、機考和設(shè)計四個部分。作業(yè)和卷考以書面形式強化學生對基礎(chǔ)知識與基本概念的理解和掌握，側(cè)重點放在對課程本身的基礎(chǔ)學習上;機考，通過在計算機上的設(shè)計和實驗，檢驗學生的動手能力和實際工程應用能力;設(shè)計，即隨堂課程設(shè)計，在課程一開始即布置，在課程結(jié)束時上交設(shè)計報告，闡述利用課程知識進行工程實踐的心得和體會。
在考核比例的分配上，要求四項全部合格方可通過該門課程，按照1∶4∶3∶2的比例計算該門課程的最后得分，突出了工程和實踐在該課程中的重要性。
3.全面整合設(shè)計和實踐，樹立工程思想
在教學過程中，始終以工程應用背景為主線，以課程設(shè)計為牽引，讓學生的學習緊緊圍繞解決工程實際問題從課堂上、從教材上、從參考資料和網(wǎng)絡上尋找答案。以明確的工程背景，牢固樹立工程應用的思想。以數(shù)字式調(diào)音臺主題為例，在“數(shù)字信號處理”課程的授課過程中，以數(shù)字式調(diào)音臺的工作原理和設(shè)計需求為主線，在課程設(shè)計環(huán)節(jié)，要求學生以MATLAB為平臺，以軟件形式設(shè)計出數(shù)字式調(diào)音臺，輸出其響應波形，加深學生對數(shù)字信號處理原理和應用的理解;在學習“DSP技術(shù)及應用”課程的過程中，以數(shù)字式調(diào)音臺的硬件原理為主題，讓學生在學習和探討的過程中深刻感受到進行DSP軟硬件設(shè)計的工程方法和典型應用背景;在與之配合的專業(yè)生產(chǎn)實習環(huán)節(jié)，安排DSP的硬件電路設(shè)計和制作，通過配發(fā)的軟件實現(xiàn)其硬件調(diào)試;在畢業(yè)設(shè)計階段，讓同學們結(jié)合理論設(shè)計和硬件平臺，完成最終的數(shù)字式調(diào)音臺樣機。通過這一整套的主題式流程，可以不斷強化學生的工程概念。在實踐過程中又要求學生不斷復習舊知識，探索新問題，大幅度提升了學生的工程意識和解決問題的能力。
4.綜合把握課內(nèi)與課外，明確發(fā)展方向
在科技日新月異的當今世界，課堂知識很難直接解釋學生遇到的新事物，尤其是DSP芯片廠家多、型號多，且各有特色，ARM、DSP、多核復合等新技術(shù)和新概念不斷困擾著學生。為使卓越工程師能盡快和社會接軌，在教學過程中特意安排了前沿討論課程，以宣講、演示、討論等方式讓學生全面接觸新事物，了解課程群在其未來職業(yè)生涯中的地位和作用，以增強未來信息時代主流工程師的自信心。
三、教學模式分析
開展“數(shù)字信號處理”課程群主題式教學，與傳統(tǒng)教學模式相比，具有明顯的優(yōu)勢。
1.整體性強
整個課程群圍繞典型的應用主題探討，從信號與系統(tǒng)開始，在MATLAB、數(shù)字信號處理、DSP技術(shù)等各課程中反復討論一個大案例，使學生明確各課程、各知識點之間的密切關(guān)聯(lián)性，建立由點到面的知識網(wǎng)絡體系。
2.工程味濃
主題的提煉來源于工程背景，最終通過成熟的工程實現(xiàn)來解決，通過理論學習、實踐基礎(chǔ)、課程設(shè)計、生產(chǎn)實習、畢業(yè)設(shè)計等各階段，完整實現(xiàn)了工程實踐中所必須經(jīng)歷的理論計算、方案設(shè)計、原型驗證、調(diào)試分析、再設(shè)計等環(huán)節(jié)，使學生在經(jīng)歷在校學習各階段時，也能完整地實踐工程開發(fā)過程。
3.創(chuàng)新驅(qū)動
解決實際問題，本身就是一種創(chuàng)新。無數(shù)研究表明，創(chuàng)新能給予學習最大的快樂、最大的興趣和最大的動力。要成功地完成主題工程，僅靠課堂、書本、教師還遠遠不夠，必須走出去，走進圖書館、書店，打開網(wǎng)絡，互相交流，體會創(chuàng)造的快樂與創(chuàng)新的快樂。
4.綜合提升
在整個課程群學習過程中，課程理論和實踐基礎(chǔ)的學習相互交錯，理論與工程相互印證，學生不僅能從課堂上知道結(jié)論是什么樣的，也能通過MATLAB實踐在電腦上看到直觀的現(xiàn)象，了解誤差的存在與影響，更能在最后的硬件系統(tǒng)上發(fā)現(xiàn)設(shè)計和實現(xiàn)的不一致性，看到工程調(diào)試和理論計算的差異性，深層次提高了學生對理論的認知水平。另外，通過創(chuàng)新驅(qū)動解決了學生學習惰性和無目的性的問題，提高了學生解決問題的實際能力。
進行“數(shù)字信號處理”課程群主題式教學，也可能會存在一些問題，如：如何結(jié)合自身特點確定教學主題、如何保證學生完成全套的主題訓練、各教師間如何進行知識體系準備、如何進行無間隙的配合等。要解決這些問題，可以通過建立教學小組，整合教學資源，調(diào)整課程安排，逐步協(xié)調(diào)規(guī)劃的方式在實踐探索中深入解決。
四、結(jié)論
“數(shù)字信號處理”課程群主題式教學，以主題貫穿課程群教學始終，以應用驅(qū)動學習，以工程實踐理論，統(tǒng)一了理論、技能、實踐、工程等各環(huán)節(jié)的學習目標，打破了以往各課程間“自成體系，獨立考核”的模式，優(yōu)化了教學目標，在反復實踐中固化了理論知識體系結(jié)構(gòu)，形成了“主題鮮明，理論主導，技能多元”的能力培養(yǎng)體系，使學生時刻都明白自己在學什么、做什么，明白理論、工程、前沿和未來之間的關(guān)系，自主搭建良好的知識和技能體系結(jié)構(gòu)。
卓越工程師主題式教學模式具有較強的針對性和普遍意義，可以在專業(yè)課教學中逐步推廣，讓學生通過若干主題的學習，全面掌握專業(yè)知識，提升專業(yè)能力。
參考文獻(略)
【卓越工程師“數(shù)據(jù)信號處理”課程群主題式教學探索】相關(guān)文章：
1.淺議機械設(shè)計類課程的卓越工程師培養(yǎng)模式探索