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摘要:本文面向应用型人才培养进行“数字信号处理”课程实践化教学改革。分析现有教学方法存在的问题，调研企业用人需求，依据实际工程案例，构建信号采集和处理流程的知识体系，开展理论与实践一体化教学。通过将工程案例融入课程教学，使学生建立完整的知识体系，在实践中学习和运用理论知识，激发学生学习兴趣，提高学习效率，锻炼实际的项目开发能力。
关键词:应用型人才培养;数字信号处理;实践化教学改革
0引言
为了不断推进“中国制造2025”等国家战略，教育部高等教育司提出普通本科院校应该紧密对接经济带、城市群和产业链布局，深化产教融合、校企合作，优化人才培养类型结构，加大应用型人才培养力度［1］。“数字信号处理”作为电子信息、自动化、通信工程、测控技术与仪器等专业一门核心的专业基础课［2］，对学生项目研发能力的培养十分重要。然而，这门课程概念繁杂、理论抽象，传统教学方式只重视理论教学而忽略了知识应用，教学效率低下。如何对现有的课程教学模式进行改革，依据企业需求，在教会学生理论知识的同时，锻炼其工程实践能力，是培养应用型人才的关键。近年来，已有许多关于“数字信号处理”课程实践化教学的改革尝试。有学者尝试基于Matlab、LabVIEW等软件设计数字信号处理教学演示系统或者实验平台［3，4］;有学者对数字信号处理的一些理论如滤波器设计等实践化教学方法进行探索［5］;也有学者将科研成果转化为教学案例，如地震、语音、心电、脉搏等信号的采集与处理，将这些案例引入课堂教学，提高教学效果［4，6，7］。这些改革取得不错的教学效果，为面向应用型人才培养的数字信号处理课程教学模式改革提供了思路。在我校不断推动面向应用型人才培养的课程实践化教学模式改革过程中，笔者参与主持“数字信号处理”课程的实践化教学改革，依据企业需求及现有人才培养过程中遇到的问题，以企业的实际案例为载体，进行实践化教学改革的尝试，取得了较好的效果，为后续教学改革打下坚实的基础。
1现有教学方法存在的问题
为了落实我校十三五规划提出建设“特色鲜明、质量著称的应用型品牌大学”的目标，我院充分分析学校所处地域的经济结构，对长三角经济区的多家企业进行走访调研，提出面向非标自动化生产与检测行业(简称非标自动化行业)的人才需求，探索测控技术与仪器专业人才培养模式。在分析企业用人需求的基础上，发现数字信号处理课程现有教学方法存在以下不足:(1)传统教学方式已不能满足学生培养的要求。传统的教学方式重在理论知识内容的讲解，即只教学生“学什么?”，而不讲知识点的来源及工程应用前景，即“为什么学?”，“怎样用?”，导致学生囫囵吞枣，学习效率低，进而失去学习兴趣。(2)学生没有建立完整的专业知识体系，学习效果差。教师注重本门课程知识的讲解，而忽略了课程内容在整个知识体系中的位置，即使有些课程讲解了知识体系，学生也因为知识的欠缺而难以掌握，进而导致学生所学内容分散，容易混淆，陷入“学的快，忘的快”的死区。(3)毕业学生能力已不能满足企业需求。非标自动化行业的企业需求随着社会、经济的变革在不断改变，而高等教育，特别是应用型高校教育却沿袭着自身的惯性运行［1］，导致学生在学校“所学”滞后企业“所需”，进而产生“企业招工难，高校毕业生生找工作难”的怪象。
2实践化教学改革总体思路
“数字信号处理”课程实践化教学改革的总体思路为:以企业需求为导向，以工程案例为载体，根据学生的认知过程，探索数字信号处理课程的教学实践模式，有针对地培养学生的能力，满足企业用人需求。图1为本项目的详细工作思路。具体如下:首先，与长三角非标自动化行业的相关企业合作将企业用人需求转变为具体的工作能力要求。与企业工程师合作选择能锻炼学生工作能力的综合工程案例，对其进行分解，用于学校教学。然后，以案例为载体对信号处理流程的知识体系进行整合与优化，开展教学工作。将工程综合案例按照内在的逻辑性进行分解，形成若干教学案例。进一步梳理这些案例，分解出这些案例所必需的理论知识和实践能力，整合形成知识体系。在此基础上，开展理实一体化教学，完成理论知识和教学案例知识讲解与训练。最后，通过综合实训让学生完成教学案例，培养其项目开发能力。通过对案例进行“分解→综合”的过程，使学生对复杂工程项目的具体实施过程有所了解，能够在掌握理论知识和实践技能的同时，懂得如何在实际工程项目的实施过程中有针对的自学新知识和新技能。最后，与企业合作，让学生在企业进行实习，通过进一步锻炼，使学生将所学知识和技能进行迁移，形成实际工作能力，满足企业需求。
3教学改革内容的实践过程
1)工程案例库的构建
为了实现应用型人才培养的目标，根据企业用人需求有针对性的培养人才，我校立足长三角经济带的非标自动化行业，积极整合企业资源，以我校为主导，联合美国国家仪器NI(NationalInstrument)公司、苏州凌创电子系统有限公司、苏州博众精工科技有限公司、江苏特创科技有限公司、苏州高登威科技股份有限公司、儒拉玛特自动化技术(苏州)有限公司等20多家企业，成立“非标自动化行业卓越工程师校企联合培养联盟”。旨在共同培养应用型人才，这些企业多以提供非标自动化产品的技术研发为主，具有丰富的工程案例。与企业工程师合作，对工程案例进行整合，建立工程案例库。
2)知识体系构建
通过对工程案例的分解与分析，得到图2所示的信号采集与处理流程。以该流程为主线，使学生建立完整的专业知识体系，明确数字信号处理课程在专业中的地位以及该门课程应该掌握的知识点。图2中，从每个模块提取问题，以问题为中心进行教学，让学生了解各流程之间的逻辑关系以及应该具备怎样的能力。在每个模块前提出“为什么有这个模块?”，通过解答，提高学生学习的兴趣，产生“怎样做才能实现这个模块?”的学习动力。同时，讲解信号流程中每一个模块与所学课程的支撑关系，如传感器模块由“传感器原理与检测技术”课程支撑、信号预处理模块由“电路”、“电子技术基础”课程支撑等。而“数字信号处理”课程是A/D转换模块、数字信号处理器模块和D/A转换模块的理论支撑课程。其中，A/D转换模块对连续信号进行采样转换，从而形成能够存储的离散信号，这个过程中必须遵循信号采样定理。而为了对采集的信号进行分析，就需要从频谱中观察信号的成分，引出傅里叶变换。信号中不可避免的含有噪声，因此就需要设计数字滤波器抑制这些噪声，引出FIR和IIR数字滤波器的设计。而卷积定理，z变换是设计滤波器的数学工具。通过对信号采集与处理流程的分析，使学生在建立专业知识体系的同时，明白“数字信号处理”课程核心知识点的工程背景及重要性，引起学生的学习兴趣及对课程的重视。
3)基于工程案例的实践化教学过程
根据学生的认知规律及过程，以学生为中心，依托工程案例开展理实一体化教学。通过前修课程“传感器原理与检测技术”、“电子技术基础”、“单片机原理及应用”等课程，学生已以小组为单位完成所分配案例的硬件系统。基于该系统开展“数字信号处理”课程的理论和实践教学。首先，对工程案例进行分解，获取完成案例所需的理论知识和实践技能。然后，对理论知识进行讲解，让学生掌握必要的概念和原理。针对所学习的理论，指导学生在所开发的系统上完成理论验证和算法编程实现。例如，①讲解完采样定理之后，让学生在单片机系统内设置不同采样频率对模拟信号进行采样，通过模拟信号和数字信号时域波形和频谱成分的对比，掌握采样定理内容。②在讲解完IIR滤波器设计方法之后，指导学生对已采集的离线数据在MATLAB软件中完成滤波器的性能设计，得到滤波器的系统传递函数和差分方程;在此基础上，在单片机上采用C语言代码实现差分方程，通过实际信号的滤波过程让学生感受滤波器的作用，掌握实际工程项目开发中滤波器的设计和调试过程。采用这种方式，使学生具备完成工程案例的基础知识和基本能力。最后，通过综合实训，指导学生对所学知识进行整合，完成完整的工程案例，强化他们的能力，使其能够进行实际工程项目开发，满足企业用人需求。
4)教学效果评估
采用多种手段对学生的学习效果进行评估:(1)基于“蓝墨云班课”软件，通过知识点测评、学生自评、调查问卷等形式，对学生理论知识学习的效果进行打分，把握学生理论知识掌握程度，了解学习中遇到的困难，有针对性地进行课外辅导。(2)制定实践环节的评分细则，对学生实践环节表现进行评价。同时，编纂数字信号处理算法的Matlab、C语言程序试题库，让学生在课余时间以“刷积分”的形式进行实践学习。最终，通过实践编程考试，对其学习效果进行测评。(3)制定实训环节的评分细则，根据学生对工程案例的完成程度对其进行评价。该部分由项目的完成度、答辩成绩和实验报告成绩组成。
4结语
面向应用性人才培养，根据企业需求，依据实际工程项目探索数字信号处理课程实践化教学模式改革。将信号采集与处理流程引入教学，使学生建立完整的专业知识体系。同时，将工程案例引入课堂，开展理实一体化教学。最终，通过指导学生完成完整工程案例锻炼其工程实践能力。
参考文献:
［1］王继元．行业学院:应用型人才培养的时代要求［J］．南京:江苏高教，2019，(3):71-74．
［2］李鹏．基于新形势下的数字信号处理技术的应用和发展研究［J］．北京:电子测试，2016，(3X):76-77．
［3］易婷．基于Matlab的“数字信号处理”课程实验设计［J］．南京:电气电子教学学报，2017，39(2):111-113．
［4］丑永新，刘燕，鲁明丽，等．“数字信号处理”课程辅助教学系统［J］．南京:电气电子教学学报，2018，40(5):81-84．
［5］席在芳，欧青立，曾照福．IIR数字滤波器设计实验教学的探索与实践［J］．北京:实验技术与管理，2008，25(8):48-50．
［6］杨毅，李泽伟，邓北星，马晓红．语音信号处理实验的改革与实践［J］．上海:实验室研究与探索，2014，33(4):123-126．
［7］武晔，万永革，石砚斌．数字信号处理课程“地震数据重采样”综合性实验设计［J］．上海:实验室研究与探索，2018，37(2):178-182+192．
作者:丑永新 刘继承 钟黎萍 谢启 单位:常熟理工学院