信號處理課程設計的探索與實踐

毛彥欣 許波 周華偉

摘 要：文章探索了信號處理課程設計教學模式的改革并付諸實踐。為了克服以往課程設計教學實踐中存在的問題，我們采取自主選題和按班分組的方式，更新和改革課程設計內容，加強課程設計的過程管理并完善考核方式。實踐證明，這種課程設計教學模式的改革取得了良好的教學效果。

關鍵詞：課程設計；信號處理；教學實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）02-0142-02

Abstract： This paper has explored methods of course design teaching and put it into practice. In order to overcome the problems existing in the teaching practice， independent topics and grouping method are adopted， the course design content is updated and reformed， the management is strengthened， and the assessment method is improved. Practice has proved that the course design reform has achieved good results.

Keywords： course design； signal processing； teaching practice

《信號與系統》是各高校信息類專業重要的專業基礎必修課[1，2]，它既是電路課程的延伸，又是后續信息處理類課程的理論基礎，擔任著承上啟下的角色。《數字信號處理》理論則廣泛應用于通信、信號處理、醫療電子、控制工程等科技領域[3]。在這兩門課的教學過程中，經常遇到大量數學公式的推導，學習起來比較枯燥，因而可能降低學生的學習興趣；而且這兩門課的實踐性與應用性都比較強[4]。因此，為了使學生更容易接受課堂理論，我們把抽象的理論與實際工程應用相結合，開設了信號處理課程設計實踐環節，利用MATLAB軟件加強學生對課堂理論的理解與運用，鍛煉學生獨立思考、綜合分析問題并完成一些具體任務的能力。

一、課程設計教學實踐中存在的問題

目前，很多高校開設了MATLAB上機環節[5]。但如果課程設計僅局限于每天幾個學時的MATLAB上機，而上機內容則是利用指導書中已有的程序來驗證或分析課堂上所學理論，最終又以實驗報告來考核學生。這樣的教學模式將會導致課程設計的機械化，學生會完全按照課程設計指導書中的步驟按部就班地進行，缺乏獨立思考，始終處于機械、被動的學習狀態，并不能真正地學有所獲，也不能真正幫助學生理解那些晦澀難懂的理論，并將這些理論與實踐相結合。因此，如何克服上述弊端，激發學生的學習動力和興趣，真正實現自主學習，提高課程設計教學效果，需要我們深入探索和實踐。

信號處理課程設計的目標是通過課程設計讓學生更深入地理解信號處理與分析的基本概念和基本分析方法，激勵學生將課堂理論運用于實踐，為他們將來獨立思考和解決實際工程問題奠定良好的基礎。因此，信號處理課程設計可以通過融合了若干信號處理知識點的綜合工程實例，激發學生的求知欲，拓展其知識面，更好地培養他們分析和解決相關問題的能力。

二、擺正理論與實踐的關系

首先，有效利用現代化教學手段，提高理論課的教學效率和效果。其次，課堂上所講授的理論均來源于歷史長河中各種工程實踐。在理論課教學過程中可以以這些理論來源為背景，介紹理論知識在工程實踐中的應用，提高學生上課的興趣，充分調動他們的積極性；同時，這些理論來源也有助于學生邏輯思維能力的培養。再次，課堂上要有意識地滲透課程設計的目標和大體實踐內容，但要保留對課程設計中工程應用實例的具體解釋，讓學生存在未知知識，激發他們的求知欲。課程設計是對課堂理論的驗證或綜合運用，其內容既來源于課堂又高于課堂。在課程設計過程中，教師要注意引導學生去尋找工程實例的理論支撐，通過理論與實踐的結合促進學生對課堂理論知識的深入理解和進一步運用。

三、改革課程設計的內容

信號處理課程設計內容應盡量跟蹤或體現信號處理領域相應技術的發展與現狀。以實際工程應用為背景，優化和層次化課程設計內容，力圖提高學生對相關知識的學習興趣。課程設計包含簡易FFT分析儀的設計、音樂聲道的合成與分解、抽樣定理的工程實用、無失真傳輸系統的設計與分析，以及語音信號的分析與處理等。以語音信號的分析與處理為例，設計內容既包含對基本理論的驗證，又包含對理論的綜合運用。首先，讓學生自己錄制幾段語音和音樂信號；然后，通過MATLAB軟件對采集到的多種信號進行時頻分析，研究不同語音及音樂信號的時頻特點；對語音信號進行快慢放、變聲、調制與解調、重采樣處理。再次，設計合適的濾波器，對含噪語音信號進行降噪，并分析各種濾波方法的優缺點。最后，利用MATLAB GUI設計出一個語音信號處理虛擬實驗平臺。在設計任務中，給出一道提高能力的附加自選題，可以讓學有余力的學生充分發揮積極性，得到更好地鍛煉。在設計過程中，鼓勵學生積極思考，并引導他們嘗試從工程應用背景提出問題，注重問題的分析、解決與延伸，利用課程設計模擬科學研究的過程。力爭讓學生能夠將理論原理、實現方法和實際應用結合起來，培養他們的實際動手能力和創新意識。

四、重視過程管理

信號處理課程設計強調學生設計的自主性和團隊合作精神。根據課程設計具體任務和要求將學生分組，每組成員約5～6人，并兼顧學習成績和動手能力的強弱，進行互補組合，以便他們合理配合，共同學習進步。每組由教師指定或組員推舉一位組長負責分配和協調該組每位組員的具體分工，全組同學既要獨立思考又需集體討論、分工合作。學生按組討論并自行擬定設計方案，分工負責編寫MATLAB程序并仿真實現設計任務。在設計初期，教師要指導學生如何查閱設計所需的相關資料，讓學生掌握良好的查閱方法和習慣。在設計過程中，注意引導學生尋求每個課程設計任務的理論支撐，鍛煉和提高他們的邏輯思維及分析問題的能力，注意加強學生之間的相互交流與合作。整個設計過程都應以學生自我設計為主，教師主要做宏觀指導，改變以往授課時“唯教師”的學習習慣。另外，通過對整個課程設計過程的監督和管理，教師要詳盡掌握各組的進展及遇到的問題，有針對性地進行指導。這樣，通過課程設計過程中的互動，學生得到了更好的鍛煉，教師也可以更充分地了解各個教學環節，全面掌握學生在課程設計過程中的整體表現。

五、完善考核方式

我們不再采用簡單的提交課程設計報告的形式來考核，而是加強對學生在整個設計過程的檢查和監督，將學生的具體表現納入平時成績的評定。同時，組織學生之間進行平時成績的互評，組員的個人表現都會影響到整組的總體成績，從而促進學生學習的主動性，培養學生的責任心和合作精神。

課程設計的最終成績由三部分構成：1.平時表現占40%，根據學生的設計態度、實踐和創新能力給予相應評分，并適當參考每組學生的互評成績。2.課程設計報告占25%，教師給定報告的規范格式，每組需上交一份詳盡的課程設計綜合報告，報告中必須注明每位組員的具體分工及其設計內容。根據組員的課程設計完成情況、報告內容與參考標準（或答案）的符合程度來考查學生分析設計的正確性與邏輯嚴謹性。3.答辯成績占35%，主要考核學生對課程設計內容及其相應理論知識的理解與掌握程度。答辯過程中，不僅要考查學生對自己分工負責內容的熟悉程度與完成情況，也要考查其對整個設計內容的掌握程度。明確給出五級量化考核標準，做到公平公正。但要注意的是，每組成員在合作完成課程設計任務的過程中，具體分工任務的難度和貢獻大小都會有所區別。所以，在最終成績的評定上，應合理處理小組成績與個人成績之間的關系。為了體現成績的區分度和公平性，在小組成績的基礎上，根據個人任務的難度、完成情況、課堂表現，適當調整個人成績。

六、課程設計改革的效果

新的信號處理課程設計教學模式擺脫了以往機械、被動的學習形式，給予了學生充分動手實踐、自主學習的機會。與實際工程應用相結合的設計內容更利于激發學生的學習興趣，促使學生綜合運用所學理論知識加強對課堂理論的深入理解與掌握。這對后續課程的學習甚至畢業設計都起著重要的幫助作用。另外，資料的查閱也培養了他們的自學能力。層次化的課程設計內容激發出了學生探索新知識的熱情，使部分學生樂于嘗試，較好地完成了設計任務，少數優秀學生不僅根據要求完成了設計任務，并且還有所擴展。通過一次課程設計，學生經歷了查文獻、自學、分析解決問題、總結報告的整個過程，設計任務的最終完成給予了他們很大的成就感和自信心。另外，教師也通過對整個設計過程的監督、指導和考核，詳盡掌握課程設計的整體情況和教學效果。實踐證明，這種信號處理課程設計教學模式能夠克服以往教學過程中的弊端，做到讓學生學有所獲，取得了良好的效果。

七、結束語

作者根據多年教學經驗以及在教學實踐中遇到的問題，改革了信號處理課程設計的教學模式。幾個學期的實踐給予了我們很大的收獲和啟發。首先要擺正理論和實踐的關系，使理論教學更好地跟課程設計相輔相成，互為補充；其次，要從課程設計的具體選題、過程管理、考核方式等多方面進行改進，提高教學質量。另外，要積極尋求完善信號處理課程設計過程的多種方式方法，優化教學效果。總之，如何讓課堂理論更生動易懂，更好地培養學生汲取新知識、理論聯系實際分析解決問題的能力，是我們不斷嘗試和努力方向。

參考文獻

[1]李敏通，趙繼政，等.信號處理類課程群課程體系建設與教學改革探[J].高教學刊，2015，14：90-91.

[2]羅倩，朱希安.應用性“信號與系統”課程設計改革探索[J]. 中國電力教育，2013，29：58-59.

[3]程佩青.數字信號處理教程[M].北京：清華大學出版社，2013.

[4]楊智明，彭喜元，等.數字信號處理課程實踐型教學方法研究[J].實驗室研究與探索，2014，33（9）：180-183.

[5]尹霄麗，牛澤群.軟硬件結合的“信號與系統”課程實驗教學[J].電氣電子教學學報，2016，38（3）：116-119.