地方院校信號處理課程群的建設(shè)與探索

李秀梅+董文+賈中云

[摘 要]信號處理課程群在電子工程專業(yè)人才培養(yǎng)中具有重要的作用。從分析目前信號處理課程群教學(xué)中存在的主要問題入手，通過信號處理課程群的課程體系建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺及虛擬實驗室建設(shè)，基于“講、讀、議、練”對分課堂的教學(xué)模式建設(shè)，實踐教學(xué)體系建設(shè)等手段，有效完成了地方院校信號處理課程群的建設(shè)與探索。

[關(guān)鍵詞]信號處理；課程群；課程體系；教學(xué)模式；講、讀、議、練

[中圖分類號] G643.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）08-0169-03

信號處理類課程是電子信息工程專業(yè)的核心課程，是信號與信息處理學(xué)科和碩士點建設(shè)發(fā)展的基礎(chǔ)支撐課程。其中信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理課程是學(xué)生考取信息處理類專業(yè)碩士研究生的主要專業(yè)課程。可以說，沒有信號處理類課程的建設(shè)，便沒有信號與信息處理學(xué)科的建設(shè)。由于信號處理類課程之間關(guān)聯(lián)度較高，可采用信號處理課程群的模式對其進行建設(shè)。[1] [2] [3]

我校信號處理類課程包括信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、DSP原理與應(yīng)用、數(shù)字圖像處理四門課程，組成信號處理課程群。上述四門課在教學(xué)時間安排上前后順接（后兩門課程可以安排在同一學(xué)期并行），且在內(nèi)容上承上啟下，相互關(guān)聯(lián)。其中信號與系統(tǒng)課程要求學(xué)生掌握信號與系統(tǒng)分析的基本原理與基本方法，理解信號處理的數(shù)學(xué)概念、物理概念及工程概念，是信號分析的基礎(chǔ)課程，為后續(xù)的數(shù)字信號處理、DSP原理與應(yīng)用、數(shù)字圖像處理等課程的學(xué)習(xí)打下良好的理論基礎(chǔ)。數(shù)字信號處理課程主要針對離散時間信號，采用數(shù)值計算的方法完成對信號的分析和處理。DSP原理與應(yīng)用是將數(shù)字信號處理的基本理論和算法付諸硬件實現(xiàn)，是理論聯(lián)系實際的硬件平臺。數(shù)字圖像處理則是將信號從一維分析上升到二維分析，是信號處理理論和實踐的具體應(yīng)用。上述課程既相互交叉重復(fù)，互不相同，卻又具有不可分割的內(nèi)在聯(lián)系。

一、目前信號處理課程群教學(xué)中存在的主要問題

（一）各課程間相對獨立，融合度不夠

在上述信號處理類課程的講授過程中，為保證每門課程體系的完整性，知識點的重復(fù)性和不相關(guān)性問題比較嚴重，授課內(nèi)容缺乏統(tǒng)籌安排，各課程主講人授課內(nèi)容缺乏系統(tǒng)性，既浪費了學(xué)時，又加重了學(xué)生學(xué)習(xí)負擔(dān)。

（二）信號處理類課程理論性較強，較抽象難懂

由于信號處理類課程中數(shù)學(xué)公式和推導(dǎo)較多，僅僅通過課堂上的講授，學(xué)生無法較好地消化和理解課程中的概念與理論，從而也導(dǎo)致對課程的學(xué)習(xí)喪失興趣和信心。比如信號與系統(tǒng)容易被當(dāng)成數(shù)學(xué)課來教學(xué)，體現(xiàn)不出課程在學(xué)科中的意義。

（三）課程以教師課堂講授為主，學(xué)生參與性較差

目前信號處理課程群課堂教學(xué)中，多采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，即教師以多媒體或板書等形式進行課堂講授，偏重于對概念與理論的講授。因而，學(xué)生參與性較差，很難能調(diào)動其學(xué)習(xí)的主動性與積極性，從而影響了學(xué)生對課程的掌握和理解程度。

（四）實踐教學(xué)體系不完善，實踐教學(xué)模式單一

目前信號處理類課程群中每門課程的實踐環(huán)節(jié)只是針對本門課程，沒有形成循序漸進、前后有機銜接、系統(tǒng)貫穿的專業(yè)技能培養(yǎng)鏈條，沒有樹立工程意識，培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力的環(huán)境不完善；實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計以驗證性實驗居多，綜合性、設(shè)計性實驗較少，學(xué)生多在模仿中被動接受知識學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練。

二、信號處理課程群建設(shè)

針對上述問題，考慮到信號處理課程群的特點，以優(yōu)化課程體系建設(shè)、推進課堂教學(xué)模式改革、提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性為目標，我們采用了如下的實施方案和方法，將“自主、協(xié)同、互動”的教學(xué)理念具體落實。

（一）信號處理課程群的課程體系建設(shè)

在深入研究信號處理課程群中課程的相互聯(lián)系及實踐環(huán)節(jié)的前提下，在確保課程群體系完整性和系統(tǒng)性的同時，從信號處理基本內(nèi)容出發(fā)，對課程內(nèi)容重新規(guī)劃、設(shè)計，刪除課程間內(nèi)容的重復(fù)，實現(xiàn)課程內(nèi)容的優(yōu)化整合，從而達到節(jié)約課時、提高教學(xué)效率的目的。如信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理兩門課程中都包含離散信號與系統(tǒng)的時域、Z域分析，可以把這部分內(nèi)容歸到數(shù)字信號處理課程中，避免重復(fù)授課。在課程群建設(shè)過程中，經(jīng)過課程群內(nèi)容重新定位與整合，整合后各課程的學(xué)時及基本內(nèi)容如下：

信號與系統(tǒng)課程共48學(xué)時，本課程主要在時域、頻域、復(fù)頻域（三個域）針對連續(xù)時間信號和連續(xù)時間系統(tǒng)（兩個對象）進行分析，要求學(xué)生掌握最基本的信號與系統(tǒng)理論及分析方法。

數(shù)字信號處理課程共64學(xué)時，本課程主要針對離散時間信號和系統(tǒng)，利用傅里葉變換、離散傅里葉變換、Z變換等方法進行分析，以及利用IIR和FIR數(shù)字濾波器等手段進行信號處理。課程安排中包括了16個學(xué)時的實驗，主要利用Matlab進一步深化課堂上學(xué)到的有關(guān)數(shù)字信號處理的基本概念、基本原理以及基本的信號處理操作及濾波器設(shè)計方法，幫助學(xué)生加深對相關(guān)理論和方法的理解。

DSP原理與應(yīng)用課程共48課時，以美國TI公司的16位定點處理器TMS320C54x系列DSP為對象，講授DSP的原理、結(jié)構(gòu)及開發(fā)應(yīng)用，掌握DSP開發(fā)工具的使用及DSP匯編語言及C語言編程方法，熟悉TMS320C54x的硬件設(shè)計等。

數(shù)字圖像處理課程共48課時，要求學(xué)生掌握數(shù)字圖像的概念、類型，掌握數(shù)字圖像處理的基本原理和基本方法：圖像變換、圖像增強、圖像編碼、圖像的復(fù)原和重建，并利用Matlab實驗幫助學(xué)生加深理解數(shù)字圖像處理的基本原理。

（二）信號處理課程群的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺及虛擬實驗室建設(shè)

建設(shè)課程群網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，實現(xiàn)課程群資源共享，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供平臺。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中主要包含課程理論教學(xué)大綱、實驗教學(xué)大綱、電子課件、教學(xué)錄像、例題及習(xí)題解答等，同時設(shè)有自我檢測、自由討論等功能，幫助學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)和自我評價，并通過這種互動、探究的學(xué)習(xí)過程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)習(xí)效果。

同時針對信號處理課程群理論性較強，較抽象難懂的特點，利用Matlab和Labview等工具，構(gòu)建可視化GUI演示系統(tǒng)，通過交互式演示，幫助學(xué)生更好地理解信號處理課程群中抽象的概念、原理及分析方法。目前，我們已初步完成基于Matlab的信號處理課程群GUI演示系統(tǒng)[4]，包括信號的基本運算、連續(xù)信號的卷積積分運算、離散信號的卷積和運算、連續(xù)時間及離散時間線性時不變系統(tǒng)分析、采樣定理、周期信號的傅里葉級數(shù)展開、濾波器設(shè)計等內(nèi)容。同時我們利用Labview實現(xiàn)了信號處理虛擬實驗系統(tǒng)，主要包括基本信號的產(chǎn)生、信號的運算、采樣定理、圖像處理、聲音采集以及濾波器設(shè)計等信號處理課程相關(guān)的實驗。[5]

（三）基于“講、讀、議、練”對分課堂的教學(xué)模式建設(shè)

“講、讀、議、練”對分課堂教學(xué)模式，是在“讀、議、練”教學(xué)模式[6] [7]的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生的實際情況進行了改進，將“讀、議、練”放在教師的“講”之后，采取對分課堂的形式[8]，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，強調(diào)學(xué)生對知識的內(nèi)化和吸收，將課堂的一部分時間分給學(xué)生進行討論，構(gòu)建有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和師生互動的教學(xué)模式，把教師課堂教學(xué)和學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)有機結(jié)合，培養(yǎng)和增強學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和探究性，提高學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的投入時間。

在“講、讀、議、練”對分課堂教學(xué)模式中，首先教師按照課程大綱和課程進度的安排，采取多媒體課件與板書相結(jié)合的方式，對課程的相關(guān)知識點內(nèi)容和重點進行講解，以理清知識體系為主，側(cè)重對重點難點的講解。教師完成講授以后，將與所講授課程內(nèi)容相關(guān)的閱讀材料告知學(xué)生，并指導(dǎo)學(xué)生進行有效閱讀。“讀”還包括借助現(xiàn)有的MOOC平臺，如Coursera、Udacity、EDX等平臺；以及5-10分鐘內(nèi)就一個知識點進行針對性講解的音頻或視頻，即微課；另外還有一些微視頻，如TED、Khan、MITX等網(wǎng)站提供的微視頻等。這些新的教學(xué)平臺和手段，都可以讓學(xué)生在“讀”的階段去進一步接觸和消化教師所講的知識點。在學(xué)生“讀”的基礎(chǔ)上，將學(xué)生按一定的人數(shù)進行分組，開展課堂討論，通過抽簽的方式確定一組學(xué)生進行講解，其他各組學(xué)生進行提問，由學(xué)生相互討論解答一些問題，其他共同的問題則由教師給出解答，進行生生互動、師生互動。最后是“練”，包括課堂練習(xí)如口頭回答和書面練習(xí)，以及課后練習(xí)如實驗操作和綜合性作業(yè)，撰寫讀書報告等。

（四）信號處理課程群的實踐教學(xué)體系建設(shè)

根據(jù)為學(xué)生規(guī)劃的工程項目以及具體的工程技術(shù)要求，根據(jù)課程群內(nèi)課程的特點，建立系統(tǒng)貫穿的多層次實踐教學(xué)體系，有目的的設(shè)計各層次的實踐教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能力的培養(yǎng)有一個循序漸進的過程，逐步達到工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面的鍛煉目標。

信號處理課程群包括信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、DSP原理及應(yīng)用、數(shù)字圖像處理課程，除此之外，實踐體系還把學(xué)科競賽、學(xué)生開放實驗室項目、短學(xué)期的課程設(shè)計包括進來，根據(jù)課程特點，將整個體系分成三個層次：第一層次為工程認知訓(xùn)練層，第二層次為綜合技能訓(xùn)練層，第三個層次為創(chuàng)新訓(xùn)練層。對于工程認知訓(xùn)練層，合理設(shè)計驗證性試驗項目，增大設(shè)計性試驗項目比例，如信號的基本運算、采樣定理等；綜合技能訓(xùn)練層的實踐教學(xué)內(nèi)容是整個工程項目的核心組成部分，在教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計上充分利用好兩周時間的短學(xué)期做好課程設(shè)計，進行圖像處理、語音處理等綜合性的實驗，積極組織學(xué)生申請學(xué)生開放實驗項目，系統(tǒng)規(guī)劃信號處理類課程的實踐教學(xué)內(nèi)容；創(chuàng)新訓(xùn)練層是學(xué)生個人能力、工程意識、人際團隊能力以及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的最終體現(xiàn)，因此其重點落在學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)上，使學(xué)生能利用所學(xué)過的信號處理課程群的知識，運用創(chuàng)新性思維，解決實際生產(chǎn)生活應(yīng)用中所出現(xiàn)的問題。

三、信號處理課程群建設(shè)的特色之處

（一）課程體系優(yōu)化

在確保課程群體系完整性和系統(tǒng)性的同時，以培養(yǎng)學(xué)生的分析應(yīng)用能力為目標，從信號處理基本內(nèi)容出發(fā)，協(xié)調(diào)各門課程的教學(xué)內(nèi)容與重點，實現(xiàn)課程體系的優(yōu)化，充分體現(xiàn)課程群的相關(guān)性和整合性。

（二）理論問題可視化

通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、GUI演示系統(tǒng)、虛擬實驗室建設(shè)，將信號處理類課程群學(xué)習(xí)中理論性較強、數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多的問題可視化、形象化，提高學(xué)生對這些問題的理解和掌握，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性。

（三）教學(xué)模式多樣化

通過“講、讀、議、練”對分課堂的教學(xué)模式，借助MOOC、微課、微視頻平臺，引導(dǎo)學(xué)生主動參與、獨立思考，鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的鉆研問題和探究創(chuàng)新的興趣和能力。

（四）實踐教學(xué)體系工程化

建立完善的、階梯式前進的、符合工程素質(zhì)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)規(guī)律的實踐教學(xué)體系，形成完整的實踐技能培養(yǎng)鏈條，規(guī)劃實踐教學(xué)內(nèi)容，改變實踐教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)建立良好的實踐教學(xué)平臺。

四、總結(jié)

本文通過信號處理課程群的建設(shè)與探索，完善了信號處理課程群的課程體系建設(shè)，解決了現(xiàn)有課程教學(xué)中各課程彼此割裂、部分內(nèi)容相互重疊的問題；通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、虛擬實驗室建設(shè)，解決學(xué)生在信號處理類課程學(xué)習(xí)中因理論性較強、數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多而使學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性不夠的問題；通過“講、讀、議、練”的教學(xué)模式，利用MOOC、微課、微視頻等平臺，解決目前課程教學(xué)中以教師為主體、采用課堂講授這一單一教學(xué)組織方式的問題，引導(dǎo)學(xué)生主動參與、獨立思考，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、鉆研問題、探究創(chuàng)新的興趣和能力；通過建立完善的、階梯式前進的、符合工程素質(zhì)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)規(guī)律的實踐教學(xué)體系，解決課程之間實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)、沒有形成完整的實踐技能培養(yǎng)鏈條、不利于培養(yǎng)工程意識的問題。

[ 注 釋 ]

[1] 歐陽繕，歐陽寧，劉慶華.信號處理課程群的建設(shè)與改革實踐[J].大眾科技，2008（11）：185-186.

[2] 李素文，王鳳隨，邵芬，楊一軍.電氣信息類專業(yè)信號處理課程群的建設(shè)[J].淮北煤炭師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2010（4）：80-82.

[3] 周小微，金寧，胡建榮.信號處理課程群教學(xué)改革的實踐與探索[J].中國電力教育，2011（1）：86-87.

[4] 李秀梅，董文，賈中云.基于Matlab的信號與系統(tǒng)課程GUI演示系統(tǒng)[J].大學(xué)教育，2014（9）：78-79.

[5] 吳湖青，李秀梅，孫晨林.基于Labview的信號處理虛擬實驗平臺[J].杭州師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（13）：669-672.

[6] 何菊芳，季誠鈞.“讀、議、練”教學(xué)模式：基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的財政學(xué)課程教學(xué)改革[J].中國大學(xué)教學(xué)，2011（9）：59-60.

[7] 李秀梅，賈中云，董文.“讀、議、練”教學(xué)模式在“數(shù)字信號處理”課程中的應(yīng)用[J].工業(yè)和信息化教育，2014（5）.

[8] 張學(xué)新.對分課堂：大學(xué)課堂教學(xué)改革的新探索[J].復(fù)旦教育論壇，2014（5）：5-10.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]