教學創新大賽《數字信號處理》教學創新成果報告摘要：數字信號處理是電子信息類專業的主干課程之一，是一門理論與實踐相結合，實踐性較強的專業課程。參賽團隊以“新工科”建設為指導，以學生為中心，以高階能力培養為目標，針對本課程工程性強的特點。對該課程的教學方法進行探索和實踐。以OBE理念貫穿全教學過程，構建以能力為導向的“知·能·用”教學內容：以“立德樹人”為出發點，實現思想政治理論與課程的有機結合，構建以“明-思·辨”為脈絡的思政內容：構建以能力為導向的雙層評價體系，實現以評促學。該教學改革較好地實現了以學生為中心培養創新型人才的教學目標。一、課程教學背景《數字信號處理》作為電子信息工程專業的必修課程，在電子信息領域的重要作用也被越來越多的其他研究領域所認同。然而，該課程理論性很強，概念抽象，公式繁多，推導復雜，涉及工程數學、高等數學等多門基礎數學課程和信息類課程的相關知識。要想在短期內學好該門課程，難度可想可知。從我院目前開設的狀況來看，學生普遍存在學習困難、考試成績不理想、實際應用能力弱的問題，顯然，這樣的尷尬處境與“新工科”的教學要求有著巨大差距，這就需要作為教師的我們要盡快找出教學中的短板，從授課形式、教學方法、實踐環節、考核方式等方面重新進行設計，切實做到“以學生為中心”，以培養學習興趣為主要出發點，逐步消除差距，提升教學的質量，真正做到產學研應用的緊密結合。二、課程改革內容針對《數字信號處理》課程在實際教學中出現的問題，本次課改更加貼近實際，更好地適應“新工科”教學要求，主要從教學大綱、課程教學模式設計、課程思政以及課程考核體系設計幾個方面著手，并通過實踐，取得了較好的教學效果。2.1基于OBE的教學大綱改革教學大綱是課程教學的綱領性文件，傳統教學大綱過于強調知識的規范性，規定教學方式以教師講授為主，學生被動接受教師“灌輸”的知識。整個授課過程沒有關注學生的學習成果，導致缺乏持續性改進的措施。這已不再適應當前教學改革的要求。基于此，“數字信號處理”課程教學團隊對課程大綱進行了改革，把培養目標和教學要求轉化為可評測的質量項目。追尋反向設計原則，教學大綱以課程教學目標為核心，課程目標是學生的學習成果導向，其各個模塊的邏輯關系如圖1所示。設計的理論教學內容和實驗教學內容能明確地指向課程目標。實施的教學方法以幫助學生提高學習效果為前提，有助于提高學生的成績。成績考核方法圍繞課程教學目標設定。通過對教學目的達成度的評價，提出有針對性的持續性改進措施。圖1教學大綱實施模塊的邏輯關系圖制訂者依據專業培養方案，對課程目標、課程內容、教學方法、考核方式、考核內容提出明確、合理的要求，既體現對學生的能力要求，又要與畢業要求指標點有明確的對應關系，課程教學內容和教學方式圍繞課程教學目標設定。課程考核能覆蓋所有的目標，針對課程目標設計考核內容和與評分標準，考核方式和考試內容能有效證明課程目標的達成。2.2理論教學改革1、漸進、互動式教學，促進學習自信和興趣由于本課程所涉及的許多內容具有抽象復雜的特點，學生普遍認為學習困難，容易產生消極畏難的學習心理，挫敗學生的學習自信和興趣，而興趣是最好的老師，自信能夠提升學習的積極性和主動性。因此，提升學生的學習自信和興趣對本課程的教學尤為重要。首先，漸進式教學促進學習自信。在教學實例講解、課堂提問和習題安排中，按漸進式教學原則，由易到難開展教學。通過實例的漸進式講解，學生逐步掌握相關理論，并逐步建立起學習自信。其次，互動式教學提升學生的學習興趣。傳統的教學方式偏向于老師主講，學生參與性不強，學習處于被動接受的模式，不利于學生學習興趣的培養。在本課程的授課過程中，重視師生的教學互動，并結合所講實例以漸進式的課堂提問方式進行互動。在課堂提問時，應根據學生的基礎和能力，把握所提問題由易到難的“度”。先提出簡單問題，學生們運用數字信號處理的方法對簡單問題進行分析，給出正確結果，教師及時給予肯定。隨著學生的進步，逐次增加所提問題的難度。此外，課后安排與課堂學習內容相對應的作業，更好地鞏固所學內容。在作業安排時，遵循實例、隨堂練習、作業的知識點對應，難度逐步遞增，覆蓋內容全面的原則，使學生在課程學習過程中提升學習信心，培養學習興趣。2、抽象理論圖形化，直觀呈現物理意義。“數字信號處理”課程內容具有抽象難懂的特點，許多理論、公式的抽象性，使學生感覺難于掌握其物理意義。基于此，本課程在課堂教學中充分使用多媒體、MATLAB等現代教學工具，將抽象理論圖形化，直觀地呈現其物理意義。3、構建知識關系圖，掌握知識點之間的關聯數字信號處理課程內容多，在授課過程中應重視歸納總結、提煉內容，筆者嘗試帶領學生構建知識關系圖，隨著課程的進行，所構建的知識關系圖也隨之優化。構建知識關系圖可以使學生宏觀地掌握課程知識結構，也可以使學生了解本課程所學的知識點之間的關聯。圖2是數字信號處理課程“離散信號與系統分析”的知識關系圖示例，通過不斷優化知識關系圖，使學生了解各知識點之間的關聯，深挖基本概念、定理和性質的內涵，掌握其工程意義和分析方法。圖2知識關系圖2.3線上線下混合式教學模式改革隨著網絡技術的快速發展，傳統的教學模式很難滿足當前的教育發展要求，近年來大學的教學方式在探索中不斷創新發展，利用網絡資源，開展混合模式教學創新了教學途徑，打破了教學的時空限制。電子信息工程專業“數字信號處理”課程內容多、課時少，課程理論抽象難懂、公式推導繁雜耗時，在有限的課時安排下，難于全面完成本課程的教學任務。因此，“數字信號處理”課程教學團隊順應教育的時代潮流，充分利用各種網絡教學平臺，采用線上線下混合式教學模式進行本課程的教學，使課堂教學與線上教學優勢互補。學習通，是面向智能手機等移動終端的新媒體學習平臺，構建數字信號處理課程教學資源庫，可以擴展學生的視野，學生在課堂上沒弄懂的知識可以在平臺上自主進行學習，并且可以擴展學生的視野，增強他們學習信心，使學生能深刻地領會數字信號處理的基本思想、基本理論和基本方法。資源庫的資源主要有：課程標準、課程教學設計、電子教案、電子課件、視頻教學、課后習題、模擬試題及答案、歷年考題、試題庫、習題解答，應用故事、應用案例、實驗演示等，圖3為線上資源庫建設情況。學生可以根據自己的需要有選擇地學習。這種自主式的學習方法對于培養學生綜合素質和創新能力效果更加顯著。2.4課程思政教學的融合課程思政是充分提煉專業課程中蘊含的思想政治文化元素，并將日常知識融入到思想層面的元素。因此，為了將思想政治元素融入到數字信號處理課程中，全面貫徹OBE的教育理念，“數字信號處理”課程教學團隊通過精細設計、修訂原有教學大綱，融入多種教學手段，合理策劃授課方案，修改形成性評價等方法來實施該課程思政教學的改革與實踐。1、教學大綱融入思政元素全面貫徹OBE的教育理念，“數字信號處理”課程教學團隊結合本門課程教學各環節的實際內容，將總體育人目標落實到數字信號處理課程的每一章節中。在教學目標中明確每章節具體思政目標，以及不同章節的思政目標如何進行關聯等問題，對教學內容中的部分章節內容進行了修改，即在原來的大綱基礎上進一步增加了了解數字信號應用的學時，增加學生社會責任意識等要求在此基礎上，增加了課后個性化思考題，思考題的完成題目不做統一要求，由學生根據自身掌握的情況自主選擇完成，以滿足學生不同的學習需要。創設引導學生主動參與的教育環境，達到激發學生學習積極性的目的，挖掘每一個學生的潛能，培養學生掌握和運用知識的態度和能力。2、授課方案融入思政元素授課方案是教師授課過程的提綱、思路。為了使每節課在授課過程中有明確的授課思路和課程思政目標，教學團隊對思政目標與知識技能目標進行設計、融合，進而對思政素材進行精煉，提取核心內容。并在課堂教學方案的基礎上，重新修改了教學方案的格式和內容，將原來的課堂教學設計分為教師活動及內容和學生活動及效果兩部分。為了確保每節課學生都能參與其中，根據不同學生的學習程度提出不同的問題，合理地修改形成性評價，從而準確地掌握不同學生的學習狀態，培養學生的學習興趣和專業自信度。有利于教師更好地知曉以及跟蹤每個學生的學習情況以及進度，更好的評估上課的實效性，從而保證教學活動的順利高效的展開。3、線下課程思政建設與實踐線下課程思政建設就是在課程教學中，結合課程知識點，挖掘課程中蘊含的“人文素養”元素，培養學生的天文精神和價值塑造，并在課堂教學過程中，在合適的地方嵌入課程思政，起到潤物細無聲的育人作用。“數字信號處理”課程教學團隊在推進數字信號處理課程思政建設過程中，始終遵循“寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中”的思政理念。因此，在課堂教學建設中，為了更好地將思政內容融入到課程內容中，對思政點的融入位置、方式做了巧妙設計，避免出現生拉硬套的現象。首先，建立“思政數據庫”，充實教學內容；其次，從學生的思維入手，設計教學活動，幫助學生拓展思維；最后，依據課程內容，靈活選擇教學方法，達到潤物無聲的效果。另外，結合該課程應用性很強的特點，充分挖掘其應用層面的技術問題、技術瓶頸和技術現狀，激發學生的責任感，體會大國工匠精神，培養自主創新能力，切實擔負起實現中華民族偉大復興的重任。4、線上課程思政建設與實踐線上課程思政資源建設，可以充分利用文本、圖像、視頻和影音等多媒體資源、英雄人物事跡、感人人物故事等，對學生進行思政教育。教師可以給學生設置課程思政學習任務，讓學生通過直觀的視覺刺激，讓心靈和精神產生碰撞；教師也可以不設定學習要求，通過課堂教學引導學生去線上學習和觀看思政資源，讓學生自主選擇相應的線上內容進行學習。為此，“數字信號處理""課程教學團隊對數字信號處理線上課程資源進行建設，充分結合數字信號處理課程的特點，建設一批思政資源庫，包含文字、音頻和視頻等多媒體資源。例如，通過“感動中國十大人物”等先進個人事跡，讓學生感受到這些人物的人格魅力，自覺樹立正確的世界觀、價值觀和人生觀。通過國之利器、大國重器、大國工匠、超級工程和輝煌中國等視頻資源，讓學生感受到祖國的偉大成就，培養學生的愛國精神，激發學生的學習激情。2.5實踐教學改革1、借助MATLAB仿真軟件在《數字信號處理》課程的傳統教學基礎上，將Matlab仿真軟件引入到該課程的教學過程中。通過結合Matlab仿真軟件的直觀性、實踐性教學，對《數字信號處理》課程中晦澀難懂、抽象復雜的理論知識進行Matlab軟件仿真，使得有關基本概念、基本性質和基本原理的知識能以直觀的圖形樣式展示出來。這樣一來，即有利于學生掌握課程知識，又能將學生從繁瑣冗長的數學公式推導中解脫出來，提高學生的學習效率和積極性，從而達到應用型人才培養的目標要求。（1）從最基本的離散時間信號開始引入MATLAB仿真，給出學生實例的仿真程序并講解。從簡單問題著手解決學生畏難心理，引導學生逐漸熟練使用仿真軟件處理數字信號。（2）理論講解與仿真結合，將抽象的理論知識形象展示出來，加深學生對理論知識的理解和掌握。如在講解到離散時間系統幅頻響應的估算時，理論簡單但是太過抽象，可以使用MATLAB軟件畫一動圖，展示頻率變化導致矢量變化進而引起頓率響應變化的全過程。（3）通過調整仿真實例相關參數并給出相應仿真結果，激發學生借助仿真自主驗證理論的熱情。如在講解到譜估計中增加時長及補零對頻譜分辨率影響時，可以通過分別改變時長、補零長度后須譜圖來驗證頻譜分析相關理論。（4）課后作業強調使用仿真對理論結果進行驗證，培養學生實驗驗證理論的嚴謹思維及習慣，提高學生學習成就感。如在譜估計作業中通過仿真得到頻譜圖，并對關鍵數據進行標注即可證明理論計算結果。2、基于課程項目的探究研討課堂翻轉精心設計與教學內容緊密結合的課程項目，再將課程項目設計為課前項目準備、課中項目教學、課后項目拓展三個教學環節，使線上學習與線下活動相融合.整個過程以學生為主、教師為輔，使學生適應翻轉課堂的節奏，增加學生對課程內容的參與、體驗及分享，通過使課堂內容與項目實踐應用相結合，激發學生的學習興趣和探索潛質。教學以小組為單位，圍繞某綜合性的探究課題，通過課前、課中、課后三個環節小組研討，共分四個階段。階段一（基礎課題研討）。課前教師利用“學習通”推送探究項目課題，要求學生通過線上資源復習準備頻譜分析等相關知識，課中各小組在討論和合作學習基礎上，確定探究課題選題。階段二和階段三（過程訓練）。課前學生通過線上資源復習準備相關知識，各小組合作編寫實驗部分程序。課中圍繞探究課題過程訓練，以小組為單位進行自由討論，教師負責答疑解惑。課后各小組在教師的指導下，進一步完善和提升所選定的探究性課題。階段四（探究課題成果匯報）。課前要求各小組全面梳理探究項目課題，制作匯報PPT。課中各小組匯報答辯，采用“教師提問打分+小組互評打分”的師生共同評價方式。課后各小組根據彼此研究成果的分享，反思彌補自己實踐和專業知識的不足，整理報告，總結收獲，實現知識遷移與運用。在進行討論時，學生一般能按要求仿真出波形，但對問題的分析往往不夠深入或存在疑惑，教師由淺入深地引導學生對問題進行深入分析。2.6教學評價改革課程采用多維度考核評價方式，完善對學生學習過程的監測、評估與反饋。課程教學評價體系主要由以下四個方面構成：（1）學習過程性評價；（2）學習參與狀態的評價；（3）學習成果的評價；（4）學習效果的評價。學習過程性評價由學生自評、同學互評和教師點評三點構成：學習過程性評價占總評價的30%。學習參與狀態的評價對出勤與紀律、答疑、課程討論、個性化學習模塊參與度等方面的內容進行考核。學習參與狀態的評價占總評價的20%。學習成果的評價主要參考點包括活動過程、小組合作、研究方法及過程、內容、成果展示、展示效果等方面。學習成果的評價占總評價的30%。學習效果的評價包括興趣、知識和認知、認真程度、與他人合作、競爭意識等，學習效果的評價占總評價的20%。三、標志性成果和成果主要解決的教學問題1、標志性成果（1）帶有“思政目標”的數字信號處理課程教學大綱；（2）融入課程思政的數字信號處理教案1套；（3）數字信號處理課程思政案例庫1份；（4）數字信號處理網絡教學平臺教學資源建設，網絡試題庫，期末測試題10套；（5）數字信號處理課程考核辦法；（6）2018年《數字信號處理》課程立項為衡水學院首批精品在線開放課程建設；（7）發表論文5篇；（8）教改課題9項。2、成果主要解決的教學問題（1）教師課程思政意識不強，課程思政內涵融入課堂教學水平較低；（2）數字信號處理與后續課程的知識銜接問題，以及現有數字信號處理教材強調理論技巧、應用性不足的問題；（3）傳統課程考核評價辦法與線上線下教學模式不匹配，考核方式單一考核內容片面、過程考核評價缺少科學性的問題；（4）教學理念滯后，課堂教學沉悶，學生課堂參與度低。四、成果的主要特色和創新之處本項目全面推進了數字信號處理課程的課程思政建設，提高了團隊教師的育人意識和育人能力，確保了數字信號處理課程思政建設落地落實，見功見效。堅持人才培養的OBE理念，構建“學生為中心”教學模式，線上線下相融合，改革傳統的課程考核評價體系，激發學生學習動力，有效解決了教學中的“痛點”問題，真正做到讓學生“把頭抬起來，坐到前排來，腦筋動起來，課后忙起來”，增加了課程的高階性、創新性、挑戰度，體現學生獲得感。1、方法的創新性：數字信號處理課程團隊與思政課教師交流，知識互補，集體討論挖掘數字信號處理課程中蘊含的思政元素。通過討論分析，一方面將數字信號處理知識點凝練出思政元素，同時通過思政教師的協助，找到對應的思政示例，建立知識點、思政元素、思政事例的映射關系。這個方法可以有效幫助教師理解什么是“課程思政”，快速找到思政示例，課堂教學如何融入課程思政，從而提升教師課程思政教學能力。2、成果的創新性：課程組建立了數字信號處理知識點、思政元素、思政事例的映射關系，編寫完成數字信號處理課程思政案例庫，覆蓋每一章內容。同時，數字信號處理特色教案中首次增加思政目標和思政資源。數字信號處理課程思政案例庫和特色教案，為每一位數字信號處理教師提供了課程思政教學參考，為實現立德樹人根本任務、解決為誰培養人這一根本問題提供了基本保證。3、視角的創新性：全方位全過程的課程考核評價辦法。根據線上線下融合互補的教學新模式，按照課前、課中、課后“三個階段、三個過程”，設置不同的“三個考核標準”，多方位、多角度評價學生學習達成情況，激發學生動力，提升學習的挑戰性和獲得感可依托數字信號處理教學平臺實現對學生達成度的評測。通過使用網絡試題庫；一方面方便學生及時發現問題并解決問題，同時在不增加教師負擔的情況下，幫助教師及時了解學生掌握知識情況，順利完成考核過程記錄各項繁瑣工作，完成形成性評價。五、成果的推廣應用效果本成果已在兩屆學生中進行了推廣應用，成果應用有深度，有廣度，有重點、有突破，可復制。1、線上線下融合互補，創新教學模式充分利用信息技術，線上線下融合互補，以學生為中心，完成課前準備性學習、課中深度性學習、課后拓展性學習，促使學生知識、能力及素質的協調發展。通過課前布置與生活相關的引導問題，激發學生學習興趣，提升自主學習能力；變課堂為學堂，學生帶著問題進行課堂討論和學習，提升學生創新性和創造力。課后借助綜合案例，提升學生數字信號處理分析問題能力和解決實際問題的能力。在2年的教學實踐中，通過多方評價以及學生的調查反饋可以看出，約99%的學生評價好，效果顯著。尤其對于學有余力的同學，提供了更廣闊的平臺，寒暑假期間，日點擊量達到300多次，學生仍在平臺上閱讀資料、疑難解答、自評自測、考研復習，學生反映效果好。2、新的數字信號處理考核辦法實施后，有效改善了學風，提高了學生學習數學的主動性，效果顯著新的課程考核評價體系加大了形成性考核，由原來的30%提高到60%，這就意味著如果沒有過程考核成績，總成績是很難及格的，從而學生會自覺加強平時學習。形成性考核比例的增加從制度上強迫學生自覺加強平時學習的主動性，有效避免了考試突擊的現象，有利于知識的掌握。利用試題庫進行課前、課后知識達成度測試，學生能夠及時發現沒有掌握的內容，通過QQ群、網絡平臺答疑板塊等答疑方式，及時解決，有助于學生學好后續單元內容。新的課程評價體系下，成績與知識掌握程度成正比，尤其是得高分的學生一定是知識掌握較好的學生。調查問卷顯示，學生普遍認為新的考核機制下，拿高分不容易了，高分要求考核的每一項都必須高分，是能力的真實反映。但只要認真學習，都能夠達到及格分數。在新的課程考核辦法下，目標