信號處理方向實踐教學體系的改革與實踐*

劉鵬程 李春雷 張愛華 張茜

中原工學院電子信息學院 鄭州 450007

1 引言

信號處理方向主要培養能夠從事信號與信息處理系統的研究、設計、開發、應用工作的應用性高級工程技術人才。因此，實踐教學體系在學生動手能力培養方面發揮著重要的作用，是理論教學的補充和擴展，同時又為科學研究工作打下基礎[1-3]。然而，在當前信息處理技術日新月異的背景下，傳統的信號處理實踐教學體系已遠遠不能滿足信息技術發展和高等教育對人才培養的要求。在這樣的前提下，研究國內外相關領域高等教育實踐教學特點，在中原工學院電子信息學院課題組多年信號處理系列課程實踐教學的基礎上，開展多樣化、綜合化、分層次、重創新的實踐教學[4-5]。

2 信號處理系列課程體系

信號處理課程組成員在調查和分析社會的需求以及國內外知名院校教學改革方式的基礎上，對信號處理系列課程進行了重大的改革，對信號處理方向系列課程的設置、銜接及教學目標進行宏觀規劃，構建了信號處理系列課程實踐教學體系，并將“信號與系統”“語音信號處理”和“數字信號處理”確定為本學科方向的核心課程，將“DSP技術與應用”“隨機信號分析”“數字圖像處理”確定為實踐應用體系課程，連同核心課程一起，制訂出方向理論課和方向實踐環節。為培養具有信號處理綜合應用能力的學生，進行改革和實踐探索。信號處理系列課程體系結構如圖1所示，展示了該實踐教學體系中原理、方法和應用有機結合的特點。該系列課程體系具有以下優勢。

1）構建了以“信號與系統”“語音信號處理”和“數字信號處理”為核心的實踐教學體系。在原理性課程中，重點講授概念、理論和方法；在應用性課程中，重點講授軟硬件設計與實際應用。

2）結合本學科方向新的教學和科研成果，使實踐教學體系更加優化，更具學科前瞻性。在課程中積極引入設計實例，并注重體系課程之間的聯系與溝通，提升學生對“大信號”的理解能力。

圖1 信號處理系列課程體系結構

圖2 基礎實驗內容

3 實驗教學

基于信號處理方向課程體系的特點，課程組按層次遞進地設計了一系列的實驗課程，主要包括基礎理論實驗與綜合實驗。在設計過程中遵循如下原則[1]：加強理論基礎，優化實驗教學內容，更新實驗教學平臺，逐層深化，促進理論與實踐一體化進程。

按照上述設計原則，課程組共設計了4部分實驗，如圖2所示。前三部分為基于MATLAB的驗證性實驗，第四部分為基于DSP系統的設計性實驗。

1）信號分析與處理。該部分的6個實驗均為基本理論實踐，通過這部分實驗，學生可以很好地將理論與實驗結合起來。在信號與系統課程中，基本信號的產生、時域與頻域抽樣、窗函數的特性分析是最基本最重要的基本理論內容。然后利用DFT分析連續及離散信號的功率譜，及隨機信號的功率譜分析。通過這部分基礎理論實驗，學生不僅掌握了重點基礎理論內容，還對學習產生了興趣，增強了對知識點的理解。

2）系統分析與設計。該部分在學習基礎理論的基礎上，掌握對連續系統及離散系統的分析，并掌握各種濾波器的設計、應用以及優化。

3）信號處理綜合應用。該部分的6個實驗是對基礎知識的應用，主要有信號多速率變換及其應用、希爾伯特變換與單邊帶幅度調制、語音信號的壓縮與回放、電話撥號音合成與識別、信號幅度調制與解調等。

4）信號處理軟硬件實現。這一部分主要培養學生的綜合實踐能力，開發學生的潛力和工程創新意識，以DSP為硬件平臺，實現軟硬件設計。為學生參加全國電子設計大賽、“飛思卡爾”智能汽車比賽、全國“挑戰杯”等活動奠定基礎。

根據體系中實驗教學的特點編寫出較為系統的信號處理實驗指導書。在編寫過程中轉變實驗教學思路，注重實驗內容的優化設計，搭建功能強大的實驗開發設計平臺，側重培養學生分析和解決問題的能力，激發學生的學習興趣。對本體系實驗教學起到很好的指導作用。

4 課程設計

課程設計是一個綜合性的實踐教學環節，較為系統地考查學生的理論知識和實踐水平，加強學生對信號處理基本原理、基本方法的掌握，培養學生獨立分析和解決問題的能力。課程設計的內容側重于信號處理的理論與技術的綜合應用。

另外將DSP原理與應用、語音信號處理和數字圖像處理等3門課程有機結合起來，設計實際的系統。如要求學生在DSP硬件系統上實現圖像處理的基礎算法，目的是讓學生掌握最基本的圖像處理技術，包括圖像的讀寫、直方圖處理（簡單變換和直方圖均衡化）、圖像平滑與增強、邊緣抽取、閾值化、基本二值形態學處理（腐蝕、膨脹、開、閉等）、離散傅里葉變換等重要的基礎知識點。并且要求在DSP實驗平臺上，利用CCS圖像處理編程方法對圖像處理技術進行實現。在這個題目里，能夠讓學生學會如何在CCS軟件上完成圖像處理的功能，即如何使用DSP芯片完成圖像處理的算法。

5 結論

根據信號處理課程體系的特點，將信號處理實踐教學體系設計為實驗教學及課程設計教學兩大部分，其中實驗教學又分為基礎實驗及綜合實驗，體現了循序漸進、由易到難、逐層深入提高的特點。通過該實踐教學體系的訓練，學生不僅能掌握信號處理方向的基本原理、基本方法和基本技術，還能夠將其應用到工程實際之中，培養了學生獨立分析、解決問題的能力和工程實踐創新能力。

[1]楊述斌,沈斌,鄒蓮英．《數字信號處理》教學方法改革初探[J].中國電力教育,2008,28(2)：83-84.

[2]張彥,張濤．《數字信號處理應用技術》課程設計教學研究[J].科技教育創新,2010(2)：316-317.

[3]李永全.數字信號處理課程設計的改革與探索[J].實驗科學與技術,2007,6(3)：101-103.

[4]張冬玲,于丹.數字信號處理課程設計改革[M]//中國電子教育學會高教分會2010年論文集，2010：57-59.

[5]李祖明,胡仁杰.綜合設計類課程建設的思考與實踐[J].實驗室研究與探索,2008(12)：109-117.