新工科背景下基于工程教育专业认证的数字信号处理课程改革探索

邵春莉,黄泽霞,耿 林,董 翔

(安徽大学,安徽 合肥 230601)

近年来,教育部一直积极推进新工科建设,先后发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》和《关于推进新工科研究与实践项目的通知》,全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验,助力高等教育强国建设。相对于传统的工科人才,未来新兴产业和新经济需要的是工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。工程教育认证是国际通行的工程教育质量保证制度,也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础,是针对高等教育工程类专业开展的一种合格评价。取得工程教育专业认证对于提高我国工程教育质量极为重要,其基于学习产出的教育模式(OBE),目前仍被视为实现卓越工程师教育的最佳途径[1-3]。新工科建设和工程教育认证都希望培养出兼具工程实践能力、创新能力和解决复杂工程问题能力的学生。本文以数字信号处理课程为例,对课程的教学大纲、课程目标、课程内容、教学方法、考核方案和达成情况评价方案等进行改革探索,助力新工科建设和工程教育专业认证。

一、课程教学改革

数字信号处理课程具有理论和应用紧密结合的特点,是一门既需要理论分析又需要面向实际的课程[4]。往届的学评学结果表明,学生普遍反映数字信号处理课程中的理论抽象,公式繁多,枯燥难学。本文针对数字信号处理这门专业课程,基于图1所示的课程教学逻辑关系图进行方案设计,践行“以学生为中心,进行成果导向教育,持续改进”的核心理念,并建立满足工程教育专业认证的课程教学模式。首先根据专业培养方案和毕业要求指标点,提出对应关系明确的课程目标;再基于课程目标,对课程内容、教学方法、考核方式和达成情况评价方案进行系统设计;然后结合学生的结果,综合分析教学效果,并对效果有待提升的环节提出持续改进措施,以更好地达成课程目标和毕业要求。通过这种闭环反馈方式,构建数字信号处理课程的良性循环教学模式。

图1 课程教学环节的逻辑关系图

(一)课程目标明确化

教学大纲是指导课程教学的纲领性文件,对人才培养起着至关重要的作用。优质有效的教学大纲执行是高质量专业工程人才培养的保障,也是工程教育专业认证的要求。本文基于培养方案和毕业要求,重新修订教学大纲。教学大纲以课程目标为核心,课程目标主要包含教学目标和思政目标。

数字信号处理课程的总体思政目标是坚持立德树人,在课程教学中注重介绍我国在数字信号处理领域取得的科技成就,培养学生的爱国主义情操;结合具体的知识点,注重培养学生的能动性和批判性思维,引导学生注意学习的方式和方法,要求学生用科学严谨的态度对待创新。

数字信号处理课程的教学目标:一是学生通过学习数字信号处理课程,能够掌握离散时间信号和系统的基本理论,掌握离散傅里叶变换(DFT)、快速傅里叶变换(FFT)和数字滤波器的基本理论与实践;二是学生能够运用数字信号处理知识进行自动化系统中的离散信号收集、分析和处理,并针对实际工程问题制订合理的解决方案。数字信号处理课程的教学目标与人才培养方案中的毕业要求指标点的对应关系见表1。

表1 教学目标与毕业要求指标点的对应关系

(二)教学内容合理化

随着计算机技术和数字信号处理技术相互促进,数字信号处理被广泛地应用于各行各业,应用的内容和实现的手段多种多样。数字信号处理这门理论与实践相结合的课程的教学内容过于依赖教材,然而,学生的学习不能局限于书本知识,更不能局限于一本教材。工程教育专业认证倡导成果导向教育,以往单一教材的情况并不能很好地满足对不同专业学生的培养需求。因此,为了解决该问题,本文结合毕业要求和培养目标从以下几个方面优化教学内容。

1.根据教学目标合理规划课程的知识结构。数字信号处理课程的主要内容包括离散时间信号、离散时间系统、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换和数字滤波器。每个教学内容都包含很多知识点,教师可以用思维导图帮学生梳理知识结构,并明确知识点的内在联系。教师在讲解课程的时候,要注意知识结构的完整性,同时做到重点突出。例如,在介绍离散时间系统时,要重点介绍离散时间系统的四大特性——线性、时不变性、稳定性和因果性,但也要告诉学生,有些系统是非线性或时变的,这是现代信号处理的内容,应该点到即止。教师要引导学生在每次课程结束后用思维导图的形式总结本节的知识点,并构建本次知识点与已学知识点之间的关联,真正把理论知识转换成自我的理解和认知。

2.根据知识结构和具体内容确定教学资源。学生学习的不应该是孤立的知识点,而应该是交叉融合的知识。学生在学习数字信号处理课程时,已经具备了信号与系统、高等数学、电子技术基础、MATLAB等课程的基础,其中部分基础理论知识是交叉共有的,教师需要注重授课方式、学时分配和内容区分,为学生提供主教材和辅助教材的目录清单,提供慕课视频链接、网络科技视频链接、百度百科链接和百度学术链接等,根据不同知识点的分情况制定不同的授课方式,让授课形式生动有趣,让学生切身体会到知识来源的多元化。

3.整理合适的知识点,介绍理论方法的实现技术。教师应重点介绍MATLAB工具,将数字信号处理的知识点,比如卷积、频谱分析、滤波效果等借助MATLAB进行直观展示。这样不仅能缓解学生推导枯燥的公式的焦虑,更符合数字信号处理理论结合实际的特点,更符合新工科对专业人才的需求,培养学生分析和研究工业自动化系统设计和运行维护中数字信号处理的复杂工程问题的能力。

(三)教学手段多样化

以往的课程教学大多以课堂讲授为主,以课后作业为辅,学生的刷题心理比较严重,教学方法需要改进。数字信号处理课程基于“以学生为中心”的教学理念,积极探索新的人才培养模式,努力实现以下转变:一是从以教师为中心的被动接受式学习转变为以学生为中心的主动参与式学习,二是从以记忆为主的机械学习转变为以深刻理解为主的意义学习。为了实现这两个转变,笔者对教学方法进行以下探索。

1.提倡以思促教,学生不仅要知道自己在学习什么知识点,还要知道自己为什么要学习这个知识点。教师在教授每个章节之前给学生预留思考题,引导学生带着问题学习,养成关注教学内容之间的内在联系的习惯。对于不同章节内容之间的关联部分,教师要适当地引导学生提出问题,并给出解释,比如离散时间序列基本运算中的卷积与离散傅里叶变换中的循环卷积有无差异、有什么差异、有无关联等。

2.注重课堂的开始和结束,创造启发式教学环境。课堂结束的时候,教师总结课堂内容,并针对课堂内容设计简单的工程问题,让学生课后结合学习内容研究具体问题,翻阅文献资料,开拓思维,开阔视野。下节课开始的时候,教师带领学生回顾上节课的内容,并给出工程问题的分析和讨论结果。例如,教师讲解完频谱混叠问题后,让学生为一个流量测量系统设计合理的采样方案和频谱处理方案。教师通过这种途径,锻炼学生分析和解决复杂工程问题的思维。

3.为课堂增加画面感,给教学内容上“双保险”。教师通过课堂讲解帮助学生打好基础,并借助辅助教学系统帮助学生消化和吸收知识[5-6]。教师针对教学内容,结合MATLAB设计数字信号处理辅助教学系统。数字信号处理辅助教学系统的很多内容都可以用图形界面的形式来展示。例如,对于离散信号,可以展示工程采样的实际数据,也可以通过计算机仿真生成离散数据,产生基本的离散时间序列并实现基本运算等;对于离散系统,重点关注线性时不变系统,如单位脉冲响应、系统函数、时域的差分方程、频域的频率响应、系统的零极点图与频谱图对应关系等;DFT、FFT和数字滤波器也有很多可以用图形界面展示的内容,详见表2。

表2 数字信号处理辅助教学系统内容及示例

(四)考核评价方式体系化

考核是检验学生学习效果的重要手段,也是评估教学质量的重要依据。传统的考核环节形式单一,主要看学生的出勤率、作业成绩和期末成绩,学生的学习主观能动性得不到体现。数字信号处理课程将“以学生为中心”的教学理念运用到考核中,注重实现教学目标和思政目标,不仅关注学生对教学内容的掌握情况,也关注学生的表达能力、思维能力、创新实践能力等能力和合作精神的培养。

考核方式改革方案见表3。考核总分为100分。教师通过课后作业和过程测试监测学生的阶段性学习效果,重点培养学生的思维能力,掌握学生对知识点的掌握程度,对应教学目标(1)。离散时间信号与系统、DFT和FFT分别布置课后作业1次,共占比10%。教师借助雨课堂、云班课或学校网络教学平台等发布在线限时过程测试1次,内容涵盖与信号采集、时频域分析、FFT和数字滤波器相关的知识点,重点测试学生对知识的吸收程度,占比10%。随堂讨论环节贯穿课程教学的整个过程,包括课前回顾、课中提问和课后总结,重点关注学生是否做到知其然并知其所以然。随堂讨论不限次数,占比15%,目的在于掌握学生的学习效果,锻炼学生的表达能力,提高学生的学习积极性,活跃课堂气氛,并激发学生的创新思维。专题报告采取自由组队的形式,每组不超过4人,以基于MATLAB的音频处理为对象,内容涵盖课程的主要知识点,重点锻炼学生的学以致用能力、合作创新能力和解决工程问题的能力,占比15%。期末考试内容覆盖所有的教学目标,与其他考核方式结合,使考核方式更加丰富和全面,客观而真实地反映教学效果和培养效果,占比50%。

表3 考核方式及占比

二、改革效果

为了验证上述数字信号处理课程改革方案的效果,笔者对安徽大学2019级电气工程与自动化专业本科生实施持续改革后的课程方案,并对安徽大学2020级电气工程与自动化专业本科生实施改进后的课程方案。对2018级电气工程与自动化专业本科生实施改革前的课程方案,2018—2020级本科生各项数据的对比见表4。

表4 数字信号处理教学目标考核达成情况对比

达成情况的分值范围从0到1,数值越接近1,表明达成情况越好。从表4可以看出,改革之前,教学目标的达成情况为0.717,需要改进;改革之后,教学目标的达成情况为0.785,教学效果较好;对改革方案持续改进后,教学目标的达成情况为0.807,教学效果进一步提升。

教学目标达成情况是教师针对教学设计和教学过程设计的教学效果考核方案。工程教育专业认证坚持“以学生为中心”的理念,需要掌握学生对课程的自我评价。数字信号处理课程结合教学目标制定“学评学”调查表,将“学评学”调查表通过网络平台发布给学生,收集学生对各个教学目标分解点的掌握程度(自评达成情况),并获取学生对教学的评价、对课程的意见与建议等。从表4中的“教学目标达成情况”和“学生自评达成情况”的对比可知:学生的自评达成情况普遍高于实际考核的达成情况,结果具有一致性;学生自评达成情况具有逐年向好的趋势,与实际考核的达成情况规律一致。

基于工程教育专业认证的课程改革方案被实施之后,不仅课堂教学效果大幅提升,课堂之外的学生学习风气和氛围也得到了极大改善。因为数字信号处理课程是第5学期开设的课程,所以仅统计第5学期及其之后的电气工程与自动化专业本科生竞赛获奖和大创项目立项的情况。2018级本科生参加大学生科技竞赛获奖7项,2019级本科生参加大学生科技竞赛获奖9项,2020级本科生参加大学生科技竞赛获奖13项;2018级本科生申请大学生创新创业项目,获立项12项;2019级本科生申请大学生创新项目,获立项17项;2020级本科生申请大学生创新项目,获立项21项。从这些对比数据可以看出,新的课程改革方案对激发学生的学习自主性、提升学生的创新能力起到了很好的推动作用。

三、结语

近几年的课程改革探索与实践说明本文针对数字信号处理课程所做的改革是有效的,经过持续改进,必将形成学生自主参与式的学习模式。结合新工科专业的要求和工程教育专业认证的需求,合理利用不同课程的工程特色,践行OBE教育理念,能够稳步提升大学生解决复杂工程问题的能力。