面向创新型人才培养的数字信号处理教学模式改革与实践研究

摘要：以创新型人才培养为导向，改革电子信息类专业核心课程数字信号处理的教育教学模式，提升数字信号处理课程对创新型人才培养的支撑作用。结合STEM教育理念，融入TRIZ创新理论，对教学内容、教学方法、评价体系进行重构改革和教学实践，培养学生创新思维能力。采用直接和间接评价方法对课程目标达成情况进行分析。结果表明，该教学模式有效提升了学生的学习兴趣和创新能力，教学满意度较高。该研究为电子信息类专业核心课程建设提供了新的思路，也为未来产业创新型人才培养路径的探索提供了参考。

关键词：创新型人才培养；电子信息类；数字信号处理；教育教学模式；课程目标达成情况分析

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）02-0108-05 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

“十四五”时期，国家深入实施创新驱动发展战略，部署纵深推进大众创业万众创新，为高校深化创新创业教育改革指明了方向。习近平总书记也强调，要增强教育服务创新发展能力，培养更多适应高质量发展、高水平自立自强的各类人才。为顺应时代发展，我国高等院校正在积极探索满足社会需求的创新创业教育人才培养模式[1]。创新型人才需要具备丰富的实践经验、过硬的专业本领、较强的分析解决问题能力、长远的目光以及一定的管理才能。因此，高校在培养创新型人才时，既要夯实学生的理论基础，又要注重提升其综合实践能力[2-3]。

数字信号处理是电子信息类专业的核心课程，与人才培养方案中的多门课程密切相关，其教学效果直接影响学生对其他课程的学习。数字信号处理利用数值计算方法，对信号进行采集、变换、综合、估值和识别。课程要求通过应用和实践掌握基本概念、基本理论和常用算法，使学生能够运用数字信号处理技术解决电子信息领域的实际工程问题，并具备独立设计具有一定功能的数字信号处理系统的能力。数字信号处理天然连接了数学理论和信息系统设计实践，有助于学生创新思维的训练[4]。将数字信号处理与创新教育融合，有助于提升学生在专业领域的分析综合能力、实践动手能力和创新能力。

1 创新型人才培养研究思路

结合高校实际，以培养创新型人才为目标，本研究提出以下假设：1） 开展符合课程实际的课程思政教育，能够提升学生的专业素养和社会责任感；2） 开展多学科综合的案例教学，并引入创新理论，能够提升学生的主观能动性；3） 运用动态学习数据分析技术，能够持续改进课程教学方法。

基于以上假设，本研究以数字信号处理为例，探索将教育教学模式改革与创新型人才培养相结合，提升课程对创新型人才培养的支撑作用，帮助学生具备服务地方经济建设和区域社会发展所需的综合与创新能力。主要研究思路包括：

1） 重构课程教学内容。在知识体系中融入思政元素，在潜移默化中达到立德树人的目标；在实践教学中融入TRIZ创新理论，培养学生合作找寻问题最佳解决方案的能力。

2） 调整教学方式方法。合理设置案例环节，通过“理论+实践+理论”教学，培养学生创新思维能力；结合STEM教育理念，培养学生从多学科知识综合应用的角度解决实际问题。

3） 建立闭环教学评价体系。通过学习分析技术，结合在线课程平台，动态监测课程教学设计与学生学习指标之间的关系，以持续改进对不同特点学生应用的教学方法。

2 教学模式改革

2.1 重构教学内容

随着信息化技术的发展，数字信号处理的发展也日新月异，理论和技术方面不断创新，成为多学科相互连接的桥梁和纽带。基于创新型人才培养需求，结合电子信息类专业人才培养目标，我们制定了数字信号处理课程目标，包括：能将时域离散信号和系统的基本知识，时域分析、频域分析的基本原理和性质，用于描述和解决专业工程问题，强化学生的社会责任感与投身电子信息相关行业的职业精神；能够综合运用DTFT、ZT、DFT、FFT的基本原理和性质分析解决电子信息系统中数字信号采集、传送和处理等相关问题；能够针对性能指标，利用IIR和FIR数字滤波器的基本设计方法和技术，设计开发数字信号处理系统。

根据课程目标，在重构教学内容时，主要采用以下方法进行探索和实践

1） 课前发布与新技术新方法相关的拓展内容，使学生能够在课前通过查阅资料，了解数字信号处理新技术新方法的产生历程，让学生感受到相关知识点在工程实际问题中的应用，强化学生的社会责任感与投身电子信息相关行业的职业精神，达到课程思政育人的目的[5]。例如在课程开始前，可先发布思考题“数字信号处理在5G网络向6G网络发展中的作用”，如图1 所示，激起学生探索该门课程的兴趣。

2） 课堂采用波形图或者框图的方式将抽象的概念形象化[6]，比如利用Matlab仿真工具将原始信号波形和其傅里叶变换频谱显示出来，通过小组讨论引导学生得到FFT变换的内涵和物理意义，讨论场景如图2和3所示。

3） 进行目标明确、融入自然的课程思政教育。紧密围绕社会主义核心价值观，结合课程目标对社会责任感和职业精神的要求，明确课程思政所要达到的培养目标。深入挖掘专业教学内容，精选并提炼紧贴课程内容、符合思政育人目标、时代性突出的思政元素，通过问题导入、案例分析、项目驱动等多样性的师生互动和交流，促进学生价值观的成长。例如介绍数字信号处理技术在矿产勘探、农业监测等领域的应用，引导学生思考资源安全与农业建设的意义。

4） 基于TRIZ创新理论开展工程实践教学[7]，结合实际工程问题，如蓝牙耳机的噪声消除问题，引导学生利用FFT的基本原理去分析信号频谱和噪声频谱的异同点，从而引出滤波器的设计问题。允许学生采用试错法或者头脑风暴法，提出多种解决方案，既培养学生的学习热情，也能够让学生突破思维定式，激活学生的创新思维，示意图如图4所示。

2.2 改革教学方法

数字信号处理涉及很多数学分析与变换过程，同时又与信息、通信工程领域的实际应用结合紧密，这种特点适用于STEM教育理念[8]，培养学生用科学、技术、工程和数学综合的角度解决具体问题。在重构教学内容的基础上，优化的教学方法是教学过程的灵魂和核心，也是贯彻培养学生创新能力的核心。在改革教学方法方面，遵循“教师是主导、学生是主体、实践是核心”的原则，开展教学方法改革与实践。教师在熟练掌握教学内容的前提下，针对学生的学习背景和已经学习内容的掌握情况，围绕创新思维培养，设置启发式案例，从工程中存在哪些问题、问题如何引出、问题如何解决等方面入手，循序渐进，调动学生的积极性和主动性，激发学生的探索和求知欲望。以项目课程为载体，密切结合理论与实践，循序渐进、由浅入深开展教学，提升学生的实践创新能力。基于STEM 教育理念开展教学方法改革的示意图如图5所示。

如何充分调动学生的学习积极性和主观能动性是培养学生科学思维和创新能力的关键。鉴于数字信号处理具有抽象程度高、理论性强的特点，遵循“理论+实践+理论”的模式[9]，设置项目实例，督促学生广泛深入参与项目设计方案的讨论中，突出学生的主体地位，让学生在体验、操作和实践中有效提高知识运用和创新能力。结合科技前沿和社会热点设置综合能力提升型思考题，引导学生系统化知识学习，并用理论指导实践。鼓励学生主动思考，勤于总结，启发学生用工程化思维去解决分析问题，并将解决问题的方法和处理结果归纳总结，去撰写科研论文，从而逐步培养学生的科技创新意识，提高科技创新能力。例如吸纳学生参与某图像处理项目的信号处理环节中，让其思考如何采用小波变换实现图像融合，去体会运用所学理论去解决工程实践问题。通过参与这些实践环节，不仅提高了学生的学习兴趣，还激发了学生进行科技创新的积极性。

2.3 建立闭环教学评价体系

科学、合理、有效、可操作性强的教学评价体系，应具备评价主体多元、评价内容全面、评价方法多样、评价结果适用的特点，并且能够形成完整闭环。在建立闭环教学评价体系的实践过程中，主要采用基于形成性评价为主的迭代改进评价体系[10]，其示意图如图6所示。形成性评价是在教学过程中对学生的学习情况进行评价，为教师和学生提供反馈，评价过程中收集到的信息用于调整教学以满足学生需求，提高教学质量。

对学生的数字信号处理学习过程进行模型化分析，评价教学中的关键影响因素。实现学习分析的基础是充分的学习状态信息。数字信号处理的数字化互动教学资源将得到进一步的扩展和丰富，以便共享资源，收集学习表现。采用超星学习通在线平台，能够监测学生的学习状态，分析其用在该门课程上的时间，能够针对作业、测试的成绩提供针对性的帮助，预防学习风险。利用各种网络社交平台，采用群组、小程序等方式，实现学习交流、数据统计的作用。基于学习分析技术，提高教师对学生学习情况的了解，及时调整和改进教学方法，并且针对不同学生提供有效的指导和帮助，促进学生的学习进步。

课程考核结束后，采用形成性评价和终结性评价相结合的方式，对课程目标的达成情况进行评价，针对课程目标的达成情况进行分析，提出新一轮的教学方法改进措施，针对学生的创新学习能力，修订课程目标，以使课程达到对人才培养的支撑作用。

3 实践效果分析

3.1 课程目标达成情况分析——直接评价

在课程目标的达成情况方面，通过教学改革，学生是否能够深入理解数字信号处理的基本原理和方法，掌握主要算法与技术，以及培养扎实的数学基础和分析问题的能力，成为评估改革成效的重要指标。考核评价的综合计分方法见表1。

采用考核成绩分析法完成课程目标达成情况的直接评价，每个课程目标的达成度的评价数据来源于各个考核环节的得分。课程目标1采用章节测试和期末考试的第一部分进行评价分析，章节测试的满分为9分，统计得到学生的平均分为6.4分，期末考试第一部分的满分为21分，统计得到学生的平均分为13.6 分，故学生课程目标1的平均得分为20分，满分为30 分，则课程目标1的达成度为20/30=0.67。类似的，通过计算得到其他课程目标的达成度，见表2。三个课程目标达成情况分别是0.67、0.70、0.71，均超过0.6合格线，达成总体课程目标，说明学生通过学习，能够理解数字信号处理的基本原理和方法，掌握主要算法与技术，数学基础和分析问题的能力得到提升。

针对所有学生，分析学生个人课程目标的达成情况。课程目标1的考核内容要求学生能将时域离散信号和系统的基本知识，时域分析、频域分析的基本原理和性质，用于描述和解决专业工程问题，强化学生的社会责任感与投身电子信息相关行业的职业精神。课程目标1达成情况为0.67。从个人达成分布情况来看，有21.4%的学生达到0.80以上。本课程目标过程性考核的方式为章节测试，达成情况为0.71，达成情况良好；终结性考核主要通过考试，达成情况为0.65，达成情况合格。

课程目标2的考核内容要求学生能够综合运用DTFT、ZT、DFT、FFT的基本原理和性质分析解决电子信息系统中数字信号采集、传送和处理等相关问题。课程目标2达成情况为0.70。从个人达成分布情况来看，有30.4%的学生达到0.80以上。本课程目标过程性考核的方式为作业，达成情况为0.87，达成情况良好；终结性考核主要通过考试，达成情况为0.63，达成情况合格。

课程目标3的考核内容要求学生能够针对性能指标，利用IIR和FIR数字滤波器的基本设计方法和技术，设计开发数字信号处理系统。课程目标3达成情况为0.71。从个人达成分布情况来看，有35.7%的学生达到0.80以上。本课程目标过程性考核的方式为课内实验，达成情况为0.81，达成情况良好；终结性考核主要通过考试，达成情况为0.67，达成情况合格。

从实践结果来看，通过优化整合教学内容、引入最新技术和应用案例，以及强化实践应用环节，课程目标得到了较好地实现。通过分析课程目标的达成情况，结合在线平台对学生学习状态的监测情况，可以针对不同层次学生的学习特点进行改进。成绩优秀的学生，知识要点掌握较快，作业完成质量较高，需要扩展教学资源，丰富可选任务，鼓励参与课外竞赛。成绩一般的学生，能够基本掌握课程内容，但学习动力不够充分，需要强化学习方法的指导，并通过小组互助提升学习效率。成绩较差的学生，学习困难较大，需要提供基础知识的补充，建立更为平缓的学习曲线。