基于工程認證的數據壓縮與編碼課程建設

白恩健 吳 張光林

摘? 要：針對電子信息工程專業數據壓縮與編碼課程的教學實際，基于工程教育專業認證的教學目標，提出以學生為教學活動主體實施課程教學設計，并從教學大綱、教學方法、課程項目、考核評價和持續改進等方面說明具體措施，達成課程對專業畢業要求的有效支撐。

關鍵詞：工程認證;課程項目;數據壓縮;CDIO

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：2096-000X（2019）05-0074-03

Abstract： According to the teaching practice of data compression course and based on the teaching goal of certification of engineering education major， this paper puts forward the implementation of curriculum design with students as the main body of teaching activities， and illustrates the concrete measures from the aspects of syllabus， teaching methods， curriculum items， assessment and continuous improvement， so as to achieve the course effective support for graduation requirements.

Keywords： engineering education professional certification; course project; data compression; CDIO

一、概述

工程教育認證主要倡導學生中心、產出導向和持續改進三個基本理念。學生中心理念強調以學生為中心，圍繞培養目標和畢業要求的達成進行資源配置和教學安排;產出導向理念強調教學設計和教學實施以學生所取得的學習成果為導向;持續改進理念強調專業必須建立有效的質量監控和持續改進機制，能持續跟蹤改進效果并勇于推動專業人才培養質量不斷提升[1]。基于工程教育專業認證的理念，課程教學需支撐畢業要求的有效達成，要求教學改進教學方法、優化教學內容[2，3]。基于CDIO的項目驅動教學方法，以學生為主，教師教學為輔，將理論與實踐充分的融合起來，提高課堂活躍度，使學生主動地接受知識，激發學生的創造力[4]。項目驅動教學是課程教學有效支撐畢業要求達成的重要手段。

數據壓縮與編碼課程（4學分，64學時）是我校電子信息工程專業的核心專業方向課程，主要講授數據壓縮的基本原理、實用技術、技術標準和具體應用。“數據壓縮”作為信息時代數字通信、大眾傳媒和多媒體技術的共性關鍵技術，對提高學生理論與實踐方面的能力發揮著重要的作用[5，6]。通過課程建設，使學生在軟件、硬件和算法理論方面的學習成果得以融會貫通，培養學生解決復雜工程問題能力，支撐畢業要求的有效達成。

二、工程教育專業認證體系下的課程教學大綱

傳統的教學大綱在制定過程中缺乏對專業特色和人才培養目標的宏觀把握，課程教學目標與教學內容的指向性不明確。為保證專業培養目標的有效達成，根據工程教育認證的要求，各教學環節對人才培養目標的貢獻，專業人才培養目標中的知識、能力和素質，學生學習該課程的預期效果等均應系統寫入課程的教學大綱中，確保不因為任課教師的改變而隨意更改教學內容。

信號類課程群是我校的一個教學團隊，承擔梳理知識脈絡體系、鑒定和評價課程教學、督導課程持續改進的重任。包含信號與系統、數字信號處理、DSP原理與應用、數字圖像處理以及數據壓縮與編碼等課程融合建設。在該課程體系中，信號與系統突出理論基礎，數字信號處理以信號處理算法研究為主線，突出研究性學習，DSP原理與應用突出信號處理算法在工程中的硬件實現，數字圖像處理和數據壓縮與編碼課程突出軟硬件仿真及研究項目驅動。通過團隊集體討論、研究教學目標、課程教學內容等，形成制定課程大綱的編制思路，由任課教師執筆完成大綱書寫，經過團隊集體審核后在教學過程中實施。

教學團隊組織集體學習電子信息工程專業的12條畢業要求，理解工程教育專業認證標準的內涵，結合區域發展和專業定位，依照畢業要求按專業培養目標確立課程教學目標，構建教學目標畢業要求關系矩陣（表1），并根據教學目標進行教學設計（表2）。

本課程的教學目標為：1. 了解數據壓縮領域的研究現狀與方法，能夠理解研究應具備的知識和能力（支撐畢業要求12.1）;2. 能夠利用信息論的理論和方法討論壓縮技術，為設計無損壓縮和有損壓縮方案搭建技術框架，設計編碼方案（支撐畢業要求2.3）;3. 了解JPEG、MPEG等圖像、音頻和視頻壓縮的國際標準，能準確分析不同標準的優勢和問題（支撐畢業要求6.1）;4. 能從工程實際出發，選擇合適的編碼方案，完成軟硬件設計與實施（支撐畢業要求9.1）。

三、課程教學設計

（一）教學方法

根據教學目標，本課程以課堂教學、課外作業、仿真實驗、課程項目等共同實施。針對畢業要求的具體指標點，緊密聯系工程實際，以數據壓縮算法設計與應用為根本出發點組織教學。采用結合工程實際的案例教學方法：教學中始終以結合工程實際為主線，采用多媒體與傳統板書相結合方式、同時輔以案例教學，突出工程實踐的應用能力培養。如針對常見的電子產品包括手機、電視、數字監控等介紹數據壓縮的技術標準，以此提高學生的學習熱情。如以手機通信系統為案例，介紹信號從端到端傳輸的過程中是如何實現的，用到本課程的哪些具體內容和分析方法，以此讓學生明白課本知識的具體工程應用，同時也解決了知識割裂的問題，使學生能開始站在專業的角度去理解信號與系統、數字信號處理、電磁場、通信電路等課程，逐步融匯貫通，建立專業知識體系。

為實現教學目標，增強課堂互動，讓學生能“抬起頭、動起腦”，采用啟發式、討論式和研究式等教學方法，開展項目驅動教學。由教師設計相關的課程項目，然后將學生分成不同的項目小組，去完成教師布置的項目任務。在整個過程中，以學生為主體，教師起到指導作用，讓學生自己動腦、動手，充分提高學生積極性，激發他們的創造力。

（二）課程項目

本課程在整個專業課程體系中，需對綜合規劃能力、團隊組織能力、終身學習意識與發展適應能力形成有效支撐，因此在實踐教學方面設計軟件仿真實驗和工程設計項目。

軟件仿真實驗：采用C、Pathon或Matlab等語言，對文本、語音、圖像和視頻進行壓縮處理，目的是通過軟件實驗來理解數據壓縮中涉及的一些主題，一個預期實現的目標是學生在學習本課程后可以自行開發壓縮軟件包，從而更好地體會不同數據的特性以及不同壓縮算法中涉及的各種因素權衡。同時針對學有余力的學生還可以通過軟件仿真實驗開展研究性學習。例如基于小波變換的圖像壓縮編碼不是本課程的課內教學內容，可以選拔能力較好的學生課后自行研究這部分內容，通過軟件實驗的方法與離散余弦變換的方法進行對比，培養學生的研究能力。

課程項目：本課程講授G726、G722、JPEG，H261、H264等眾多國際標準，如何讓學生更好的理解和應用這些標準需要認真研究。通過設立基于DSP的語音壓縮數據通信課程項目，讓學生綜合運用數字信號處理、信號與系統等課程所學內容，了解ADPCM編碼器的基本原理，著重從自適應量化和自適應預測兩個方面來實現G726編碼器和解碼器，結合數據壓縮與編碼課程的內容實現語音壓縮數據通信系統的硬件環境搭建、程序設計實現和結果測試。本項目所需的硬件包括兩塊具備DSP的開發板和音頻子板，通過RS-232電纜連接收發系統，并將話筒和耳機分別連接到兩個音頻子板插孔上。本項目的原理是當一個用戶對話筒說話時，音頻子板的模數轉換芯片將采樣和轉換成數據后送到第一塊開發板的數字信號處理設備上。數字信號處理設備將使用G726A編碼器壓縮語音信號，然后通過RS-232接口傳輸幀數據到第二塊DSP開發板。再由數字信號處理設備使用G726A編碼器對幀數據進行解碼，然后通過音頻子板上的模數轉換芯片轉換成語音信號輸出到耳機。通過該課程項目訓練學生的溝通能力、團隊協作能力和知識綜合運用解決復雜工程問題的能力。

（三）過程考核

本課程的綜合成績由平時作業、出勤、仿真實驗、課程項目和期末考試組成。對于學生學習效果的評價，注重過程考核，強調平時的課堂表現、實驗完成情況和項目完成情況。例如，針對“冗余度、相關性、熵”等容易混淆的概念，設計問題，并通過討論課請同學發表自己的看法，在討論中得出正確的結論，達到舉一反三的目的，教師在此過程中組織大家分析討論并認真記錄學生表現，以此作為課堂表現的成績。

針對學生個體的情況，分層教學、因人施教。對于學習能力一般的學生，以驗證性實驗為主，教師輔以個別點撥讓他們掌握分析問題的思路和解決問題的方法。對于能力突出的學生，鼓勵他們開展研究性學習，了解學術前沿，給予一定的成績獎勵。

軟件實驗的項目從實驗原理（權重0.3）、實驗方法（權重0.4）和實驗報告（權重0.3）三個方面進行評價，教師以問題問詢的方式對學生是否掌握實驗原理以及實驗方法的正確性進行評價，避免只看報告打分，也可以一定程度上杜絕抄襲等現象。

課程項目的評價從項目完成度（權重0.6）、項目答辯（權重0.3）和項目報告（權重0.1）三個方面開展。通過答辯，鍛煉學生的表達能力和溝通能力。

本課程各部分的成績比例為出勤5%，作業及課堂表現13%，仿真實驗12%、課程項目20%，期末考試：50%。

（四）持續改進

信號類課程群教學團隊聚焦“評學”，定期開展面向產出的課程體系合理性評價和課程質量評價。組織審核課程教學能否對畢業要求形成有效支撐，并給出課程改革的建議，通過聽課、查閱教學記錄、試卷等進行監督。本課程在每學期教學結束后對教學目標的達成情況進行量化分析，撰寫課程考核報告，認真分析對畢業要求是否構成有效支撐，進而分析存在的問題，以便后續教學中能夠持續改進。

四、結束語

目前各高校正在開展本科教學秩序整頓工作，查找課堂建設中存在的突出問題和薄弱環節。通過打造有深度、有挑戰的課程提高課程質量，對大學生合理增負。數字壓縮與編碼課程作為高年級的專業方向課程，承擔著對過往所學課程融會貫通的重任，教學的重點應著眼于能力培養。因此，在課程建設過程中注重以學生為中心，轉變教育理念，從“教知識”轉變為“培能力”。理解學生個體差異，轉變教學方法，從“灌輸為主”轉變為“討論為主”。注重過程考核，有效地培養學生掌握自我摸索學習的方法。本課程的實踐將為其它專業核心課程的建設提供良好的建設經驗。

參考文獻：

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