新工科背景下通信工程專業信號處理課程群建設

羅向龍，李晗，傅攀峰，吳向東

一 引言

新工科建設已經成為新時代高等教育改革和發展的方向，新工科建設引起了國內外高校的普遍重視[1，2]。通信工程專業以通信系統和通信網方面的基礎理論、組成原理和設計方法為基礎，通過通信工程實踐的基本訓練，培養學生具備從事現代通信系統和網絡的設計、開發、調試和工程應用的基本能力。在新工科的時代背景下，對教育理念、培養模式、課程體系、學生的綜合能力能方面提出了全新的要求。信號處理類課程是通信工程專業核心的專業基礎課程，但是因其理論性和高度的抽象性，使學生普遍感覺學習困難，學習的熱情下降。為了提高教學效果，適應新工科建設的需要[3，4]，本文以長安大學通信工程專業為例，通過建設以“信號與系統”“數字信號及應用”“隨機信號分析”“數字圖像處理”以及“數字信號處理課程設計”組成的課程群，以“信號與系統”和“數字信號處理及應用”作為基礎模塊，將“數字信號處理課程設計”和“數字圖像處理”作為基礎理論及應用模塊，“隨機信號分析”作為升級模塊。三個模塊以重視基礎理論、突出實踐應用為主線、注重學科發展，構成縱向傳承、橫向互補的模塊化交織的專業課程體系。通過課程體系的研究，使學生從理論到實踐形成完整體系。

二 課程體系及教學內容優化

信號處理類課程是電子信息類專業知識體系的核心組成部分，是本科生重要的專業課程。我校通信工程專業培養計劃中與信號處理相關的課程主要包括“信號與系統”“數字信號處理及應用”“數字信號處理課程設計”“數字圖像處理”和“隨機信號分析”五門課程。這五門課程知識點相互交叉覆蓋，但又有著不同的側重點與表述方式，構成了一個相互聯系的課程群體系，因 此在課程設置中將這幾門課程作為課程群進行建設。該體系不僅涉及到信號分析與處理的整套理論，而且更注重運用信號處理的相關理論解決工程領域中的實際問題。從而使學生掌握信號處理基本理論的同時，能將知識有效地轉化為實際工作的能力，更好的適應于社會對人才的需求。

為了響應新工科建設的思想內涵，同時將最新的大數據、人工智能、互聯網+等新技術融入課程體系，將最新的科技成果引入教學內容，實現對課程體系的升級和改造，通過基礎理論教學，使學生快速了解學科最新前沿技術，我校對通信工程專業信號處理課程群的教學內容從以下兩個方面進行了優化。

（1）優化課程體系。根據信號處理課程群課程教學重點和要求的不同，將課程分為基礎模塊、應用模塊和升級模塊。基礎模塊主要包含《信號與系統》與《數字信號處理及應用》兩門課程，強調的是有關信號以及信號處理的基本概念和理論，通過基礎模塊的學習使學生掌握有關、傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換、系統響應、濾波器設計等的基本原理，并開設一定的實驗課時加深學生對抽象知識的理解。應用模塊主要包含《數字圖像處理》和《數字信號處理課程設計》兩門課程，圖像作為典型的二維信號，《數字圖像處理》課程在圖像處理基本理論算法的基礎上，通過大量的圖像處理實例，培養學生學習信號處理類課程的興趣。而《數字信號處理課程設計》以項目為引導，結合我校在交通運輸領域的特色，通過交通流時間序列、交通視頻等具體數據，開展交通預測、交通狀態監測、車型識別、公路大霧檢測等實際項目的訓練，培養學生應用信號處理解決實際問題的能力，實現從知識到能力的轉變。《隨機信號分析》作為發展課程，主要目的是開闊學生的視野，提高學生信號處理的理論水平，為專業課程的學習和后續的深造奠定基礎。

（2）整合優化教學內容。信號處理類課程內容之間相互交疊，為了更好的做到課程教學內容的有效銜接，避免教學內容的重復，通過建立課程小組，任課教師通過集體研討，對課程的重疊部分做出科學合理的分配，避免重疊部分在不同課程授課中多次出現，造成教學資源的浪費，使課程按照進度有序進行，確保取得好的教學效果。并通過與學生座談交流以及畢業生的問卷調查對課程內容進行優化，在強調經典理論學習的同時，緊跟學科前沿，使學生了解學科發展動態，培養學習興趣。例如離散傅里葉變換和Z變換在“信號與系統”課程中和“數字信號處理及應用”中均有涉及，離散傅里葉變換涉及的內容復雜，難以理解，其并不是對連續傅里葉變換的簡單離散化，因此其講課的重點就需要放在“數字信號處理及應用”的課程中去，讓學生通過實驗編程的方法去理解，而在“信號與系統”中就只占小的課時。

三 教學方法改革

現有的教學方法基本還是以傳統的“填鴨式”教育為主，實驗課程也大多采用集成試驗箱為主的驗證性實驗為主[5,6]。在大數據、人工智能的時代和新工科對人 才的需求，傳統的教學模式的教學效果很難保證。在信息高度發達的當代，學生獲取信息的途徑非常的多，如果對教學方法不進行改革很難培養學生的學習興趣，取得良好的教學效果。為了提高教學質量，培養學生基本理論的同時，強調學生的實踐動手能力，我校通信工程專業信號處理類課程從一下幾個方面進行教學方法的改革。

（1）理論教學與實際緊密結合。信號處理類課程理論性強，扎實的理論是指導實踐的基礎。但是理論學習非常的抽象，往往使學生很難理解，學生也很難明白所學課程與實際的關系，因此在教學中必須緊密聯系實際，變抽象難懂的理論為通俗易懂的實際問題，從而便于學生理解。例如在講解采樣定理時，可以通過對語音信號分別設置滿足和不滿足采樣定理的采樣頻率進行采樣，讓學生理解采樣定理的重要性。同時可以結合生活中的實例，加深對采樣定理的理解。以在看臺上觀看長跑為例，將連續觀察運動員的跑步看作連續信號，看臺上的觀眾間隔一定的時間去關注場上的運動員看作采樣，當間隔時間過長，所看到的第一名很有可能并不是第一名（可能落后別人幾圈），即“眼見不一定為實”，產生這種錯誤判斷的原因就是觀察間隔時間過長（采樣周期過大）。通過以上兩個實例的講解，學生一定能準確理解采樣定理的內涵。

（2）強化計算機仿真和工程訓練。信號處理類課程在注重理論的同時，必須關注用基本理論解決實際問題。因此在教學中分兩個層面的實訓實踐，即計算機仿真和工程訓練。計算機仿真主要是通過MATLAB、LabVIEW及Python等編程語言對經典的算法進行驗證。例如關于DFT的計算機仿真，通過產生簡單的單頻正弦信號，讓學生通過程序理解頻譜分析中信號加窗、頻譜泄露等基本概念。通過對語音信號的采集和處理，理解采樣定理、信號濾波以及頻譜分析等理論，并通過語音信號頻譜的分析掌握語音信號頻譜的特征。在此基礎之上，通過工程項目的訓練，以項目為引導提高學生分析問題解決問題的能力。例如通過車型識別、交通狀態檢測、交通事件檢測、路面病害識別、橋梁健康評估等我校特色的實踐項目訓練，使學生完成從知識到能力的轉變，培養學生的學習興趣，提高教學質量。

（3）注重學生創新能力培養。以科研促教學為思想，營造課堂和課后的新環境，提高學生的創新能力。針對課程的具體知識點，充分挖掘其歷史背景和現實應用，要求教師在備課階段精心完成問題構建的構建。然后在課堂中構建問題，包括問題的背景、意義等；并針對問題對學生提出任務要求。要求學生針對問題，利用網絡搜集與問題相關資料，以小組討論的方式，提出解決方案。在實踐環節，特別是課程設計過程中，以實際的與課程相關的科研小項目作為課題，要求學生以科研團隊的形式完成課題的前期調研，在教師的指導下，利用相應的軟件或硬件，完成科研小項目，真正培養學生分析問題解決實際問題的能力。

（4）建立新的課程考核體系和方式。在傳統以出勤率、作業、實驗和考試成績為主的考核方式基礎上，更加注重對學生平時學生狀況的過程監控的測評，加大實踐在考核中所占的比例。對課程所要求的計算機仿真以及課程設計的實踐訓練項目，以課程小組的教師組成專家團隊，通過答辯的形式，讓學生通過PPT講解、程序和事物演示對自己完成的任務進行全方位展示，教師團隊和全體學生均可對項目成果進行提問和質疑。教師團隊根據答辯學生現場展示、問題解答等各個方面對學生的成績給出綜合評價。通過新的考核體系和方式，培養學生的語音表達能力、運用知識解決問題的能力、現場應變的能力等綜合技能，真正實現對學生綜合能力的考核。

四 小結

目前大數據、人工智能和互聯網+等新一輪的科技革命，都與信號處理課程群有著非常密切的聯系。以新工科為背景，為了更好提高教學質量，本文對我校通信工程專業信號處理課程群建設的課程體系、教學內容、教學方法等內容進行了探討，可以進一步提高該類課程的教學水平和效果，并且更好的發揮信號處理類課程在通信工程、電子信息工程等相關專業課程中的輻射、帶動作用。