新工科背景下信號處理類課程群建設探索

殷仕淑，王松濤，段凱宇

(安徽財經大學電子信息工程系，安徽 蚌埠 233041)

自從2017年2月“復旦共識”以后，“新工科”建設理念，在國內高校里引起廣泛重視.新興的學科門類、老學科的新型改造以及不同學科交叉產生的新生學科等都屬于新工科范疇[1,2].電子信息工程專業是一個培養具備電子技術及信息系統的基礎知識，能從事各類電子設備和信息系統研究、設計、制造、應用和開發的工程技術人才.在建設新工科背景下，電子信息工程專業可以通過轉型和改造，升級為新型工科專業.為此，其傳統課程體系需要進行改造和優化[3].為了提高教學效果，應采用新的有效的教學方法.本文以安徽財經大學電子信息工程專業為例，擬從教學內容和教學方法兩個方面，對由《復變函數與積分變化》《信號與系統》和《數字信號處理》等課程構成的信號處理類課程群改造建設進行探索.

在安徽財經大學電子信息工程專業里，《信號與系統》和《數字信號處理》分別被設為專業基礎課和專業核心課.《復變函數》作為必修的工程數學課程，設在大二上半學期完成.另有《數字圖像處理》和《語音信號處理》作為專業拓展選修課，主要由本專業大三生和大四生選修.教學方法主要是傳統的理論知識滿堂灌,輔以少量實驗課的形式.然而，考慮到目前大數據、人工智能和互聯網+等新一輪的科技革命，以及中國制造2025國家戰略的需要，現有陳舊教學內容和課堂理論教學模式培養出來的畢業生離新經濟發展的需求有不小的距離[4,5].

1 教學內容優化

圖1顯示了我校現有信號處理類幾門課程教學內容之間的相互關系：

圖1 現有信號處理類課程群主要教學內容

在上圖中，Z變換、拉氏變換、連續時間傅里葉變換和離散時間傅里葉變換等可以看成是把信號從時域轉換成變換域的數學工具.信號的頻譜分析是理解模擬信號和數字信號頻域特性的基礎.濾波器的結構與設計部分考慮到系統的實現與應用.作為選修課的《語音信號處理》與《數字圖像處理》則由于課時少，幾乎只能完成一些基本概念的教學和演示性實驗教學.

為了響應建設新工科的理念，需要把新一輪科技革命核心技術：智能制造、人工智能、大數據和互聯網+等相關內容引入現有教學內容中，實現專業課程教學內容優化升級[6,7].對于電子信息工程專業的信號處理類課程而言，可以嘗試從三個方面去優化教學內容：(1)優化基礎課和核心課現有教學內容；(2)引入DSP芯片技術及FPGA技術的應用和開發；(3)引入語音及圖像信號智能化處理新內容.經過調整，建議的信號處理類課程群包含:a.基礎課程：《復變函數》和《信號與系統》；b.核心課程：《數字信號處理》；c.素質拓展課程：《FPGA芯片技術》《DSP芯片技術》《深度學習：語音識別》和《數字圖像處理與機器視覺》.強調信號處理主題，簡化基礎課程和核心課程現有教學內容.例如，由于z變換在數字信號處理領域的重要性，復變函數課程教學就以級數及留數概念為重點教學內容，其他相關內容只做簡單概念陳述與簡單舉例.在數字信號處理課程教學中，以理解濾波器概念及工作原理為主要目的，理清DTFT、z變換及DFT之間關系，對于FFT工作原理，可讓學生自修.在壓縮現有基礎課核心課教學內容之余，增加兩大類新核心技術知識：芯片技術類及人工智能類，代替現有語音及圖像信號處理等較陳舊內容.新增拓展課程教學內容可由課程組結合時代發展，自行安排.圖2展示了安徽財經大學電子信息工程專業對新增課程教學內容的初步探索.

圖2 新工科建設理念下信號處理類課程群建議教學內容

圖2中兩大類新核心技術知識課程教學，建議采用小項目制去完成教學任務，不強制教學課時的設定.完成圖2課程群教學任務后，學生對信號處理有較全面的了解，可以在芯片開發或人工智能方面進一步發展[8].

2 教學方法改革

現有的教學方法大多還是滿堂灌模式，老師在黑板前面滔滔不絕，學生在下面沉默不語.實驗課教學內容也大多是驗證式和簡單模仿式的，把老師準備的例子改改參數之類的.這種教學模式不再適用于調整后課程群的教學任務.如果不改革，即便是課程內容更新了，教學效果依舊很差，學生達不到在芯片開發或人工智能方面有進一步發展的直接可能，除非進入某些以盈利為目的的專業培訓機構再培訓.應該看到，舊的教學方法與培訓機構培訓方法之間最大不同在于培訓機構一般采用項目制.因此，為了真正達到教學目的，弱化理論教學滿堂灌的模式，加強實驗教學環節，在DSP芯片技術、FPGA芯片技術及語音圖像信號智能處理課程環節，采用項目制教學模式.要求學生至少完成兩個學分選修課程學習.通過動手體驗，激發學生學習興趣，引發思考，解決問題等，真正提高教學效果，完成教學任務，培養合格人才.

需要注意的是，為了完成課程中設置的小項目，學生需要基本會用C語言、MATLAB語言和硬件描述語言.《C語言程序設計》作為基礎課開設在學生大一期間.MATLAB內容沒有獨立開課，相關教學內容包含在《信號與系統》及《數字信號處理》實驗課程教學中完成(見圖2).硬件描述語言在現有課程《EDA技術與應用》中介紹.由于課程課時有限，需要精心設計小項目實驗內容.從圖2可以看到，四門新增拓展課程教學內容不多.以FPGA芯片技術課程為例，教學目的實現3個小項目，從簡到復雜.第一個簡單項目幫助學生迅速了解FPGA工作原理.精心挑選小項目內容“數字濾波器實現”，可以與核心課程教學內容緊密銜接.最后實現對圖像簡單的中值濾波處理.再如，新增語音識別課程的教學內容只有一個，用深度神經網絡算法做語音識別.在數字圖像處理與機器視覺課程中，可以對學生分項目組，分別進行相關主題項目實現；并采用匯報或者演講方式進行分享和交流等.

安徽財經大學雖然是財經類院校，但也積極響應教育部的“新工科”建設理念，大力支持電子信息工程專業進行專業改造升級.本文對專業信號處理類課程群建設的探索得到學院支持，將在未來幾年里進行實施，并允許根據未來幾年經濟社會發展的需求進行及時調整和修訂.可預見，通過升級課程群，采用項目制的教學方法，畢業生可以很快很好的適應新經濟產業對人才的要求.

3 結語

在建設新工科背景下，本文對電子信息工程專業的信號處理類課程群升級改造進行了初步探索.把新一輪科技革命的核心技術知識納入教學內容，為了提高教學效果，達到教學目的，采用項目制教學方法.完成學習后，學生對信號處理技術應有較全面的了解，可直接適應國家新經濟發展的需求.

參考文獻：

[1]林健.面向未來的中國新工科建設[J].清華大學教育研究，2017,(3):26-35.

[2]吳愛華.加快發展和建設新工科主動適應和引領新經濟[J].高等工程教育研究,2017,(1):1-8.

[3]龐慧敏.盼“新工科”縮短書本到企業的距離[N].工人日報，2017-05-19.

[4]張海生.“新工科”建設的背景、價值向度與預期效果[J].湖北社會科學，2017,(9):167-173.

[5]陳勁.人工智能與新工科人才培養：重大轉向[J].高等工程教育研究, 2017,(6):18-23.

[6]許濤，嚴驪，殷俊峰.創新創業教育視角下的“人工智能+新工科”發展模式和路徑研究[J].遠程教育雜志,2018,(1):80-88.

[7]朱君.“新工科”創新理念的電子信息類專業基礎實踐教學改革[J].實驗技術與管理,2017,(11):171-173,177.

[8]葉宏.新工科創新人才培養與學生能力評價方式改革研究[J].中國教育現代裝備,2017,(10):35-37.