【教学创新大赛】《数字信号处理》教学创新成果报告

教学创新大赛《数字信号处理》教学创新成果报告摘要：数字信号处理是电子信息类专业的主干课程之一，是一门理论与实践相结合，实践性较强的专业课程。参赛团队以“新工科”建设为指导，以学生为中心，以高阶能力培养为目标，针对本课程工程性强的特点。对该课程的教学方法进行探索和实践。以OBE理念贯穿全教学过程，构建以能力为导向的“知·能·用”教学内容：以“立德树人”为出发点，实现思想政治理论与课程的有机结合，构建以“明-思·辨”为脉络的思政内容：构建以能力为导向的双层评价体系，实现以评促学。该教学改革较好地实现了以学生为中心培养创新型人才的教学目标。一、课程教学背景《数字信号处理》作为电子信息工程专业的必修课程，在电子信息领域的重要作用也被越来越多的其他研究领域所认同。然而，该课程理论性很强，概念抽象，公式繁多，推导复杂，涉及工程数学、高等数学等多门基础数学课程和信息类课程的相关知识。要想在短期内学好该门课程，难度可想可知。从我院目前开设的状况来看，学生普遍存在学习困难、考试成绩不理想、实际应用能力弱的问题，显然，这样的尴尬处境与“新工科”的教学要求有着巨大差距，这就需要作为教师的我们要尽快找出教学中的短板，从授课形式、教学方法、实践环节、考核方式等方面重新进行设计，切实做到“以学生为中心”，以培养学习兴趣为主要出发点，逐步消除差距，提升教学的质量，真正做到产学研应用的紧密结合。二、课程改革内容针对《数字信号处理》课程在实际教学中出现的问题，本次课改更加贴近实际，更好地适应“新工科”教学要求，主要从教学大纲、课程教学模式设计、课程思政以及课程考核体系设计几个方面着手，并通过实践，取得了较好的教学效果。2.1基于OBE的教学大纲改革教学大纲是课程教学的纲领性文件，传统教学大纲过于强调知识的规范性，规定教学方式以教师讲授为主，学生被动接受教师“灌输”的知识。整个授课过程没有关注学生的学习成果，导致缺乏持续性改进的措施。这已不再适应当前教学改革的要求。基于此，“数字信号处理”课程教学团队对课程大纲进行了改革，把培养目标和教学要求转化为可评测的质量项目。追寻反向设计原则，教学大纲以课程教学目标为核心，课程目标是学生的学习成果导向，其各个模块的逻辑关系如图1所示。设计的理论教学内容和实验教学内容能明确地指向课程目标。实施的教学方法以帮助学生提高学习效果为前提，有助于提高学生的成绩。成绩考核方法围绕课程教学目标设定。通过对教学目的达成度的评价，提出有针对性的持续性改进措施。图1教学大纲实施模块的逻辑关系图制订者依据专业培养方案，对课程目标、课程内容、教学方法、考核方式、考核内容提出明确、合理的要求，既体现对学生的能力要求，又要与毕业要求指标点有明确的对应关系，课程教学内容和教学方式围绕课程教学目标设定。课程考核能覆盖所有的目标，针对课程目标设计考核内容和与评分标准，考核方式和考试内容能有效证明课程目标的达成。2.2理论教学改革1、渐进、互动式教学，促进学习自信和兴趣由于本课程所涉及的许多内容具有抽象复杂的特点，学生普遍认为学习困难，容易产生消极畏难的学习心理，挫败学生的学习自信和兴趣，而兴趣是最好的老师，自信能够提升学习的积极性和主动性。因此，提升学生的学习自信和兴趣对本课程的教学尤为重要。首先，渐进式教学促进学习自信。在教学实例讲解、课堂提问和习题安排中，按渐进式教学原则，由易到难开展教学。通过实例的渐进式讲解，学生逐步掌握相关理论，并逐步建立起学习自信。其次，互动式教学提升学生的学习兴趣。传统的教学方式偏向于老师主讲，学生参与性不强，学习处于被动接受的模式，不利于学生学习兴趣的培养。在本课程的授课过程中，重视师生的教学互动，并结合所讲实例以渐进式的课堂提问方式进行互动。在课堂提问时，应根据学生的基础和能力，把握所提问题由易到难的“度”。先提出简单问题，学生们运用数字信号处理的方法对简单问题进行分析，给出正确结果，教师及时给予肯定。随着学生的进步，逐次增加所提问题的难度。此外，课后安排与课堂学习内容相对应的作业，更好地巩固所学内容。在作业安排时，遵循实例、随堂练习、作业的知识点对应，难度逐步递增，覆盖内容全面的原则，使学生在课程学习过程中提升学习信心，培养学习兴趣。2、抽象理论图形化，直观呈现物理意义。“数字信号处理”课程内容具有抽象难懂的特点，许多理论、公式的抽象性，使学生感觉难于掌握其物理意义。基于此，本课程在课堂教学中充分使用多媒体、MATLAB等现代教学工具，将抽象理论图形化，直观地呈现其物理意义。3、构建知识关系图，掌握知识点之间的关联数字信号处理课程内容多，在授课过程中应重视归纳总结、提炼内容，笔者尝试带领学生构建知识关系图，随着课程的进行，所构建的知识关系图也随之优化。构建知识关系图可以使学生宏观地掌握课程知识结构，也可以使学生了解本课程所学的知识点之间的关联。图2是数字信号处理课程“离散信号与系统分析”的知识关系图示例，通过不断优化知识关系图，使学生了解各知识点之间的关联，深挖基本概念、定理和性质的内涵，掌握其工程意义和分析方法。图2知识关系图2.3线上线下混合式教学模式改革随着网络技术的快速发展，传统的教学模式很难满足当前的教育发展要求，近年来大学的教学方式在探索中不断创新发展，利用网络资源，开展混合模式教学创新了教学途径，打破了教学的时空限制。电子信息工程专业“数字信号处理”课程内容多、课时少，课程理论抽象难懂、公式推导繁杂耗时，在有限的课时安排下，难于全面完成本课程的教学任务。因此，“数字信号处理”课程教学团队顺应教育的时代潮流，充分利用各种网络教学平台，采用线上线下混合式教学模式进行本课程的教学，使课堂教学与线上教学优势互补。学习通，是面向智能手机等移动终端的新媒体学习平台，构建数字信号处理课程教学资源库，可以扩展学生的视野，学生在课堂上没弄懂的知识可以在平台上自主进行学习，并且可以扩展学生的视野，增强他们学习信心，使学生能深刻地领会数字信号处理的基本思想、基本理论和基本方法。资源库的资源主要有：课程标准、课程教学设计、电子教案、电子课件、视频教学、课后习题、模拟试题及答案、历年考题、试题库、习题解答，应用故事、应用案例、实验演示等，图3为线上资源库建设情况。学生可以根据自己的需要有选择地学习。这种自主式的学习方法对于培养学生综合素质和创新能力效果更加显著。2.4课程思政教学的融合课程思政是充分提炼专业课程中蕴含的思想政治文化元素，并将日常知识融入到思想层面的元素。因此，为了将思想政治元素融入到数字信号处理课程中，全面贯彻OBE的教育理念，“数字信号处理”课程教学团队通过精细设计、修订原有教学大纲，融入多种教学手段，合理策划授课方案，修改形成性评价等方法来实施该课程思政教学的改革与实践。1、教学大纲融入思政元素全面贯彻OBE的教育理念，“数字信号处理”课程教学团队结合本门课程教学各环节的实际内容，将总体育人目标落实到数字信号处理课程的每一章节中。在教学目标中明确每章节具体思政目标，以及不同章节的思政目标如何进行关联等问题，对教学内容中的部分章节内容进行了修改，即在原来的大纲基础上进一步增加了了解数字信号应用的学时，增加学生社会责任意识等要求在此基础上，增加了课后个性化思考题，思考题的完成题目不做统一要求，由学生根据自身掌握的情况自主选择完成，以满足学生不同的学习需要。创设引导学生主动参与的教育环境，达到激发学生学习积极性的目的，挖掘每一个学生的潜能，培养学生掌握和运用知识的态度和能力。2、授课方案融入思政元素授课方案是教师授课过程的提纲、思路。为了使每节课在授课过程中有明确的授课思路和课程思政目标，教学团队对思政目标与知识技能目标进行设计、融合，进而对思政素材进行精炼，提取核心内容。并在课堂教学方案的基础上，重新修改了教学方案的格式和内容，将原来的课堂教学设计分为教师活动及内容和学生活动及效果两部分。为了确保每节课学生都能参与其中，根据不同学生的学习程度提出不同的问题，合理地修改形成性评价，从而准确地掌握不同学生的学习状态，培养学生的学习兴趣和专业自信度。有利于教师更好地知晓以及跟踪每个学生的学习情况以及进度，更好的评估上课的实效性，从而保证教学活动的顺利高效的展开。3、线下课程思政建设与实践线下课程思政建设就是在课程教学中，结合课程知识点，挖掘课程中蕴含的“人文素养”元素，培养学生的天文精神和价值塑造，并在课堂教学过程中，在合适的地方嵌入课程思政，起到润物细无声的育人作用。“数字信号处理”课程教学团队在推进数字信号处理课程思政建设过程中，始终遵循“寓价值观引导于知识传授和能力培养之中”的思政理念。因此，在课堂教学建设中，为了更好地将思政内容融入到课程内容中，对思政点的融入位置、方式做了巧妙设计，避免出现生拉硬套的现象。首先，建立“思政数据库”，充实教学内容；其次，从学生的思维入手，设计教学活动，帮助学生拓展思维；最后，依据课程内容，灵活选择教学方法，达到润物无声的效果。另外，结合该课程应用性很强的特点，充分挖掘其应用层面的技术问题、技术瓶颈和技术现状，激发学生的责任感，体会大国工匠精神，培养自主创新能力，切实担负起实现中华民族伟大复兴的重任。4、线上课程思政建设与实践线上课程思政资源建设，可以充分利用文本、图像、视频和影音等多媒体资源、英雄人物事迹、感人人物故事等，对学生进行思政教育。教师可以给学生设置课程思政学习任务，让学生通过直观的视觉刺激，让心灵和精神产生碰撞；教师也可以不设定学习要求，通过课堂教学引导学生去线上学习和观看思政资源，让学生自主选择相应的线上内容进行学习。为此，“数字信号处理""课程教学团队对数字信号处理线上课程资源进行建设，充分结合数字信号处理课程的特点，建设一批思政资源库，包含文字、音频和视频等多媒体资源。例如，通过“感动中国十大人物”等先进个人事迹，让学生感受到这些人物的人格魅力，自觉树立正确的世界观、价值观和人生观。通过国之利器、大国重器、大国工匠、超级工程和辉煌中国等视频资源，让学生感受到祖国的伟大成就，培养学生的爱国精神，激发学生的学习激情。2.5实践教学改革1、借助MATLAB仿真软件在《数字信号处理》课程的传统教学基础上，将Matlab仿真软件引入到该课程的教学过程中。通过结合Matlab仿真软件的直观性、实践性教学，对《数字信号处理》课程中晦涩难懂、抽象复杂的理论知识进行Matlab软件仿真，使得有关基本概念、基本性质和基本原理的知识能以直观的图形样式展示出来。这样一来，即有利于学生掌握课程知识，又能将学生从繁琐冗长的数学公式推导中解脱出来，提高学生的学习效率和积极性，从而达到应用型人才培养的目标要求。（1）从最基本的离散时间信号开始引入MATLAB仿真，给出学生实例的仿真程序并讲解。从简单问题着手解决学生畏难心理，引导学生逐渐熟练使用仿真软件处理数字信号。（2）理论讲解与仿真结合，将抽象的理论知识形象展示出来，加深学生对理论知识的理解和掌握。如在讲解到离散时间系统幅频响应的估算时，理论简单但是太过抽象，可以使用MATLAB软件画一动图，展示频率变化导致矢量变化进而引起顿率响应变化的全过程。（3）通过调整仿真实例相关参数并给出相应仿真结果，激发学生借助仿真自主验证理论的热情。如在讲解到谱估计中增加时长及补零对频谱分辨率影响时，可以通过分别改变时长、补零长度后须谱图来验证频谱分析相关理论。（4）课后作业强调使用仿真对理论结果进行验证，培养学生实验验证理论的严谨思维及习惯，提高学生学习成就感。如在谱估计作业中通过仿真得到频谱图，并对关键数据进行标注即可证明理论计算结果。2、基于课程项目的探究研讨课堂翻转精心设计与教学内容紧密结合的课程项目，再将课程项目设计为课前项目准备、课中项目教学、课后项目拓展三个教学环节，使线上学习与线下活动相融合.整个过程以学生为主、教师为辅，使学生适应翻转课堂的节奏，增加学生对课程内容的参与、体验及分享，通过使课堂内容与项目实践应用相结合，激发学生的学习兴趣和探索潜质。教学以小组为单位，围绕某综合性的探究课题，通过课前、课中、课后三个环节小组研讨，共分四个阶段。阶段一（基础课题研讨）。课前教师利用“学习通”推送探究项目课题，要求学生通过线上资源复习准备频谱分析等相关知识，课中各小组在讨论和合作学习基础上，确定探究课题选题。阶段二和阶段三（过程训练）。课前学生通过线上资源复习准备相关知识，各小组合作编写实验部分程序。课中围绕探究课题过程训练，以小组为单位进行自由讨论，教师负责答疑解惑。课后各小组在教师的指导下，进一步完善和提升所选定的探究性课题。阶段四（探究课题成果汇报）。课前要求各小组全面梳理探究项目课题，制作汇报PPT。课中各小组汇报答辩，采用“教师提问打分+小组互评打分”的师生共同评价方式。课后各小组根据彼此研究成果的分享，反思弥补自己实践和专业知识的不足，整理报告，总结收获，实现知识迁移与运用。在进行讨论时，学生一般能按要求仿真出波形，但对问题的分析往往不够深入或存在疑惑，教师由浅入深地引导学生对问题进行深入分析。2.6教学评价改革课程采用多维度考核评价方式，完善对学生学习过程的监测、评估与反馈。课程教学评价体系主要由以下四个方面构成：（1）学习过程性评价；（2）学习参与状态的评价；（3）学习成果的评价；（4）学习效果的评价。学习过程性评价由学生自评、同学互评和教师点评三点构成：学习过程性评价占总评价的30%。学习参与状态的评价对出勤与纪律、答疑、课程讨论、个性化学习模块参与度等方面的内容进行考核。学习参与状态的评价占总评价的20%。学习成果的评价主要参考点包括活动过程、小组合作、研究方法及过程、内容、成果展示、展示效果等方面。学习成果的评价占总评价的30%。学习效果的评价包括兴趣、知识和认知、认真程度、与他人合作、竞争意识等，学习效果的评价占总评价的20%。三、标志性成果和成果主要解决的教学问题1、标志性成果（1）带有“思政目标”的数字信号处理课程教学大纲；（2）融入课程思政的数字信号处理教案1套；（3）数字信号处理课程思政案例库1份；（4）数字信号处理网络教学平台教学资源建设，网络试题库，期末测试题10套；（5）数字信号处理课程考核办法；（6）2018年《数字信号处理》课程立项为衡水学院首批精品在线开放课程建设；（7）发表论文5篇；（8）教改课题9项。2、成果主要解决的教学问题（1）教师课程思政意识不强，课程思政内涵融入课堂教学水平较低；（2）数字信号处理与后续课程的知识衔接问题，以及现有数字信号处理教材强调理论技巧、应用性不足的问题；（3）传统课程考核评价办法与线上线下教学模式不匹配，考核方式单一考核内容片面、过程考核评价缺少科学性的问题；（4）教学理念滞后，课堂教学沉闷，学生课堂参与度低。四、成果的主要特色和创新之处本项目全面推进了数字信号处理课程的课程思政建设，提高了团队教师的育人意识和育人能力，确保了数字信号处理课程思政建设落地落实，见功见效。坚持人才培养的OBE理念，构建“学生为中心”教学模式，线上线下相融合，改革传统的课程考核评价体系，激发学生学习动力，有效解决了教学中的“痛点”问题，真正做到让学生“把头抬起来，坐到前排来，脑筋动起来，课后忙起来”，增加了课程的高阶性、创新性、挑战度，体现学生获得感。1、方法的创新性：数字信号处理课程团队与思政课教师交流，知识互补，集体讨论挖掘数字信号处理课程中蕴含的思政元素。通过讨论分析，一方面将数字信号处理知识点凝练出思政元素，同时通过思政教师的协助，找到对应的思政示例，建立知识点、思政元素、思政事例的映射关系。这个方法可以有效帮助教师理解什么是“课程思政”，快速找到思政示例，课堂教学如何融入课程思政，从而提升教师课程思政教学能力。2、成果的创新性：课程组建立了数字信号处理知识点、思政元素、思政事例的映射关系，编写完成数字信号处理课程思政案例库，覆盖每一章内容。同时，数字信号处理特色教案中首次增加思政目标和思政资源。数字信号处理课程思政案例库和特色教案，为每一位数字信号处理教师提供了课程思政教学参考，为实现立德树人根本任务、解决为谁培养人这一根本问题提供了基本保证。3、视角的创新性：全方位全过程的课程考核评价办法。根据线上线下融合互补的教学新模式，按照课前、课中、课后“三个阶段、三个过程”，设置不同的“三个考核标准”，多方位、多角度评价学生学习达成情况，激发学生动力，提升学习的挑战性和获得感可依托数字信号处理教学平台实现对学生达成度的评测。通过使用网络试题库；一方面方便学生及时发现问题并解决问题，同时在不增加教师负担的情况下，帮助教师及时了解学生掌握知识情况，顺利完成考核过程记录各项繁琐工作，完成形成性评价。五、成果的推广应用效果本成果已在两届学生中进行了推广应用，成果应用有深度，有广度，有重点、有突破，可复制。1、线上线下融合互补，创新教学模式充分利用信息技术，线上线下融合互补，以学生为中心，完成课前准备性学习、课中深度性学习、课后拓展性学习，促使学生知识、能力及素质的协调发展。通过课前布置与生活相关的引导问题，激发学生学习兴趣，提升自主学习能力；变课堂为学堂，学生带着问题进行课堂讨论和学习，提升学生创新性和创造力。课后借助综合案例，提升学生数字信号处理分析问题能力和解决实际问题的能力。在2年的教学实践中，通过多方评价以及学生的调查反馈可以看出，约99%的学生评价好，效果显著。尤其对于学有余力的同学，提供了更广阔的平台，寒暑假期间，日点击量达到300多次，学生仍在平台上阅读资料、疑难解答、自评自测、考研复习，学生反映效果好。2、新的数字信号处理考核办法实施后，有效改善了学风，提高了学生学习数学的主动性，效果显著新的课程考核评价体系加大了形成性考核，由原来的30%提高到60%，这就意味着如果没有过程考核成绩，总成绩是很难及格的，从而学生会自觉加强平时学习。形成性考核比例的增加从制度上强迫学生自觉加强平时学习的主动性，有效避免了考试突击的现象，有利于知识的掌握。利用试题库进行课前、课后知识达成度测试，学生能够及时发现没有掌握的内容，通过QQ群、网络平台答疑板块等答疑方式，及时解决，有助于学生学好后续单元内容。新的课程评价体系下，成绩与知识掌握程度成正比，尤其是得高分的学生一定是知识掌握较好的学生。调查问卷显示，学生普遍认为新的考核机制下，拿高分不容易了，高分要求考核的每一项都必须高分，是能力的真实反映。但只要认真学习，都能够达到及格分数。在新的课程考核办法下，目标