應用型本科院校信號處理類課程群新工科建設初探

方薈，馮慧斌，林文，曹新容，陽清

摘要：信號處理類課程群是通信工程專業課程體系建設的重要環節，該環節對通信工程專業在新工科背景下的轉型升級具有重要促進作用。文章以應用型本科院校為例，結合當前新一輪的產業變革、科技革命、新經濟發展形勢和中國制造2025國家戰略等對地方應用型人才的需求，在保留課程核心理論知識的同時，對教學內容和實踐內容進行重構，探索建設符合新時代要求的信號處理類課程群。引入認知與建構的教學理論，充分利用豐富的網絡資源和編程平臺，幫助學生更好地滿足地方新經濟環境下通信行業對人才的要求。

關鍵詞：新工科;應用型本科;通信工程;信號處理;課程群建設

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）01-0274-03

一、引言

“新工科”建設是主動應對新一輪科技革命與產業變革的戰略行動。地方高校，尤其是新建地方應用型本科院校要對區域經濟發展和產業轉型升級提供智力支持，把“新工科”建設作為院校應用型轉型改革的“催化劑”，人才培養方案與課程體系建設更是要圍繞這一點而展開[1-5]。近幾年傳統通信行業受到互聯網和人工智能浪潮的沖擊和影響[6]。在此背景下，通信工程專業急需轉型、改造和升級。結合新的一輪產業變革、科技革命、新經濟發展形勢和中國制造2025的國家戰略對創新型工科人才的需求，在保留課程基礎理論結構的同時，借鑒“卓越工程師培養計劃”[7]“CDIO工程教育模式[8]”和“OBE成果導向教育[9]”的理念，對傳統的課程內容進行優化，建設符合新建應用型本科院校在新時代要求的信號處理類課程群，對于通信工程專業轉型具有重大意義?？紤]新建本科院校學生的特點[10]，在課程群改革前期探索的基礎上[11]，借助學校的數字福建智能化生產物聯網實驗平臺，聚焦物聯網前沿的信息與信號處理技術發展與應用[12-14]，豐富課程群體系內容，開拓學生的視野與思路，進一步提高學生的創業創新能力，為我校通信工程專業在新工科背景下的應用型轉型尋找突破口，也為其他新建地方應用型本科院校的通信工程專業的發展轉型做出示范。

二、優化教學內容

信號處理類課程群由信號與系統、數字信號處理和DSP應用技術三門課程構成，其中，“信號與系統”著重于信號的描述和系統的分析;“數字信號處理”著重于數字信號處理的方法和技術實現;“DSP應用技術”著重于數字信號處理系統的軟硬件開發及應用。目前開設的這些課程內容，大多還停留在基礎知識的傳授上，所列舉的案例仍然局限于經典信號處理問題，缺乏“新工科”所提倡的“六個新”，難以滿足通信工程專業在新時期轉型所需專業基礎的要求。這對于數學門檻較高的信號處理理論以及新建本科院校的學生來說，更加難以理解。一方面亟待提高學生學習信號處理類課程的積極性，另一方面亟須探索通信工程專業的轉型發展方向，使培養的學生跟上時代的步伐。因此，在原有的信息處理課程群教學內容的基礎上，新增了部分信號處理內容，可分為三個方面：物聯網中的信號處理、人工智能問題的信號處理和大數據問題的信號處理。物聯網中的信號處理包括信號采集、信號編碼和實時信號處理。其中實時信號處理對眾多的物聯網應用場景顯得十分重要。人工智能問題的信號處理包括信號分類、信號分割和信號壓縮，可覆蓋語音信號處理和圖像信號處理兩個深度學習的熱門領域。大數據問題的信號處理主要包括圖表示、矩陣填充、隨機逼近、統計學習和凸優化。物聯網中的信號處理需要人工智能和大數據方法的支撐，人工智能問題的信號處理可提高物聯網應用或大數據應用中的智能水平，大數據問題的信號處理與人工智能方法有緊密聯系，且在物聯網中有著直接的應用。新增的教學案例取材于學院各科研平臺有關項目，往屆優秀的雙創項目和教師自身的科研項目。新知識、新內容的引入不能犧牲原有信號處理課程群內容中的必要課時，只能點到為止，更深入的擴展可在其他選修課上進行。引入的目的最終要回歸到對信號處理基礎的鞏固和對本質問題的思考。

三、重構實踐內容

為了適應“新工科”背景下新建地方本科院校的轉型改革，有必要對信號處理課程群的實踐內容進行重構，以實現在新環境下應用型本科人才的培養目標。目前課程群開設的實踐內容，仿真實驗偏多，硬件實驗偏少;盡管已增設了一部分的綜合和設計實驗，以及課程設計，但課程群實踐內容之間缺乏緊密且統一的聯系，難以形成連貫閉環的實踐環節。因此在原有信號處理課程群實踐內容的基礎上，要重構各課程的實驗內容。信號與系統課實驗多增加關于離散信號與離散系統的內容;數字信號處理課實驗的編程語言由MATLAB改為DSP builder。DSP Builder在算法友好的開發環境中幫助設計人員縮短DSP設計周期。MATLAB和Altera DSP Builder模塊以及Altera知識產權（IP）MegaCore功能相結合，將系統級設計實現和DSP算法開發相連接。數字信號處理課程設計的編程語言由MATLAB改為FPGA的HDL（Verilog HDL或VHDL）。調整后的實踐內容從MATLAB到DSP builder再到HDL語言，即是從算法級到結構級再到RTL（Register Transfer Level）級的轉變，使得信號處理實驗不再停留于理論的仿真驗證，更趨于電路的實際驗證和設計實現。遵循理論指導實踐原則，在數字信號處理課程設計中開設與教學內容相適應的實踐方向，如無線傳感網中的語音采集與處理。其涉及語音采集、語音編碼、語音去噪、語音分析、語音分割和語音識別中的一個或若干個關鍵技術。再如無線傳感網中的圖像采集與處理，其涉及圖像采集、圖像編碼、圖像去噪、圖像分析、圖像分割和圖像識別中的若干個關鍵技術。

四、教學方式改革

現有的教學方式大多還是“填鴨式”，教師在課堂上賣力地推導公式，通過圖例生動地講解信號處理原理，學生在講臺下無動于衷。實驗課教學也大多是驗證性的。這樣的教學方式不再適合當前的教學改革，尤其在有限的學時中，需要講授的內容又是多學科多方面的，這對講授對象為新建本科院校的學生來說更是巨大的挑戰。教學內容的豐富與更新還不足以調動學生的積極性，相反，若仍然采用“滿堂灌”的方式，則會適得其反，會讓學生覺得內容雜亂繁多，無從下手。所以筆者期望從三個方面對教學方式加以改革：（1）借助網絡多媒體技術，讓學生直觀形象地掌握基礎知識，激發學生的學習興趣。引入翻轉課堂思想，在教學過程中，充分利用慕課（MOOC）或其他網絡資源，通過使用在線智慧教學工具，在線上線下與學生互動，全面提升學生的課堂教學體驗。將課程的重點和難點以外的內容留給學生在課下線上自學，在有限的課程時間內讓教學過程專注于課程的重點和難點，提高課堂效率;將課程新增的案例內容通過慕課（MOOC）或其他網絡資源系統展示出來，以此擴展學生的學習視野，充分激發學生的學習興趣;將課程擴展的實踐內容通過慕課（MOOC）或其他網絡資源在課下線上入門學習，培養學生課外自學的能力。“雨課堂”作為典型的智慧教學工具，在上一輪其他專業基礎課程的教學過程中使用，且已嘗到甜頭。（2）精心設計相關案例或課題用于教學和實踐環節，使學生明確學習目的，提高自身處理復雜工程問題的能力。引入任務驅動教學法和項目驅動教學法，借助教材，電子教案，網絡多媒體資源等多種教學素材，在教學環節中，從淺顯的案例入手，帶動理論的學習和應用軟件的實操，圍繞一個共同的任務目標展開學習，以任務的完成結果檢驗和總結整個學習過程。在實踐環節中，通過項目課題的形式進行教學，使學生在解決問題的過程中習慣于項目的完整方式，所設置的項目課題包含課程群各門課程知識。搭建信號處理與其他學科內容之間的橋梁，如設計溫度采集過程中信號采樣設計和基于Zigbee技術的溫度采集系統設計。（3）綜合運用Python、LABVIEW和MATLAB三種軟件平臺，從算法仿真到算法設計再到硬件開發，不同層次的學生均可找到適合自己的信號處理學習工具，進而降低學生學習的門檻。

五、考核方式改革

現有的考核方式主要以平時成績、期中成績和期末成績為衡量標準。盡管開始強調要遵循過程性的考核原則，但實際操作起來仍存在一些問題，如考核形式單一、只注重卷面成績等。因此，筆者擬從兩個方面對考核方式進行改革。一方面考核形式多樣化，綜合運用測驗、報告、設計、競賽等多種考核方式?？己私Y果取決于學生在競賽中的表現，主要由考試名次，指導教師評價，隊友評價和自我評價構成;另一方面在實踐課程過程性考核中加入對學生查閱檢索資料，調查研究、綜合分析和協作的能力的考查。檢索資料可從參考文獻及其引用情況的質量中得到反映;調查研究可從報告撰寫的規范程度上看到;綜合分析能力主要來自學生對實踐過程的描述與分析的詳細準確程度;協作能力主要來自指導教師與隊友的評價。

六、結語

在建設“新工科”背景下，本文對我校通信工程專業的信號處理類課程群轉型建設進行了初步探索，把新一輪科技革命的核心技術知識納入課程群教學內容和實踐內容，為了保證教學效果，達到教學目的，引入翻轉課堂思想，吸納任務驅動法與項目驅動法，充分利用網絡媒體資源，流行的編程平臺和智慧教學工具為課程群教學全過程服務，考核形式多樣化，改進實踐過程考核的量化指標。完成學習后，學生可以對信號處理技術應用有較深入的掌握和較全面的了解，可直接滿足地方新經濟發展的需求。

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On the Construction of Emerging Engineering Education of Signal Processing Courses in Application-oriented Universities

FANG Hui，FENG Hui-bin，LIN Wen，CAO Xin-rong，YANG Qing

（College of Computer and Control Engineering，Minjiang University，Fuzhou，Fujian 350108，China）

Abstract：Signal processing course group is an important link in the course system construction of communication engineering specialty，which plays an important role in promoting the transformation and upgrading of communication engineering specialty under the background of Emerging Engineering Education.This paper takes application-oriented universities as an example.With the needs of the local applied talents for current new round of industrial transformation，scientific and technological revolution，the new economic development situation and the national strategy of "Made in China 2025"，we reconstruct the teaching content and practical content and explore the construction of signal processing course group in line with the new era，while retain the core theoretical knowledge of the curriculum.Introduce the teaching theory of cognition and construction and make full use of abundant network resources and programming platform with aim to help students better adapt to the talents requirements of communication industry under the new local economic environment.

Key words：Emerging Engineering Education;applied undergraduate;communication engineering;signal processing;course group construction