“信號處理”課程群實驗實踐教學(xué)改革與實踐

李敏 劉俊

[摘 要] 該文旨在為解決現(xiàn)有信號處理課程群實驗實踐教學(xué)中存在的問題與不足，針對“MATLAB技術(shù)及應(yīng)用”“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”“DSP原理及應(yīng)用”和“數(shù)字圖像處理”五門課程構(gòu)成的信號處理課程群實驗實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，從實驗實踐教學(xué)體系、教學(xué)方法、教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控三方面進行了改革和實踐。制定“模塊化、層次化、相互銜接、整體統(tǒng)一”實驗實踐教學(xué)體系，形成了“自主式、合作式、結(jié)合式”實驗實踐教學(xué)方法，建立一套完整的實驗實踐質(zhì)量監(jiān)控體系。通過實踐檢驗，教學(xué)成效明顯。

[關(guān)鍵詞] 信號處理課程群;實驗實踐教學(xué)體系;教學(xué)方法;教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控

[基金項目] 2016年度重慶大學(xué)教改項目（2016Y16）;2017年度重慶大學(xué)實驗教改項目（2017S26）

[作者簡介] 李 敏（1978—），女，四川人，重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室高級工程師，主要從事傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)與信號處理、實驗教學(xué)與創(chuàng)新研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）23-0156-03? ? [收稿日期] 2019-11-05

一、引言

課程群是以單門課程為基礎(chǔ)，整合兩門或以上內(nèi)容相關(guān)聯(lián)或程度逐步加深的課程組成一個結(jié)構(gòu)合理、層次清晰、課程間相互連接、相互配合、相互照應(yīng)的連環(huán)式課程群體。課程群通過對課程的重新規(guī)劃、設(shè)計填補原先課程間的空白，刪除原先課程間的重復(fù)內(nèi)容，體現(xiàn)群內(nèi)一門課程對另一門課程的意義，并使學(xué)生更好地把握一門課程與其他課程以及整個課程群的關(guān)系，從而達到整體大于部分之和的效益[1-3]。

筆者所在的學(xué)院開設(shè)與“信號處理”相關(guān)的課程有“MATLAB技術(shù)及應(yīng)用”“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”“DSP技術(shù)及應(yīng)用”和“數(shù)字圖像處理”五門課程，“MATLAB技術(shù)及應(yīng)用”是信號處理的主要工具軟件技術(shù)，“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”是三個專業(yè)重要的基礎(chǔ)課，“DSP技術(shù)及應(yīng)用”和“數(shù)字圖像處理”是專業(yè)選修課。根據(jù)培養(yǎng)計劃，上述五門課程都安排有學(xué)時不等的實驗實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，但都是課程內(nèi)實驗，獨立開設(shè)，沒有形成統(tǒng)一的實驗實踐教學(xué)體系，實驗內(nèi)容的安排也沒有考慮到課程之間的聯(lián)系和知識點的重疊與交叉，主要存在以下幾個問題。

1.學(xué)生在可以選修“MATLAB技術(shù)及應(yīng)用”課程時，并不清楚MATLAB技術(shù)對學(xué)習(xí)“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”等信號處理課程的重要性，即便選修了，學(xué)習(xí)目的也不明確，導(dǎo)致收效甚微。

2.“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”兩門實驗課的內(nèi)容主要是用MATLAB軟件對連續(xù)和離散信號進行處理和分析，礙于實驗課時，實驗內(nèi)容和方法較為陳舊且各自應(yīng)用重點不突出。

3.由于五門課程沒有形成整體統(tǒng)一的實驗實踐教學(xué)體系，實驗內(nèi)容沒有做到承上啟下，普遍存在工程概念薄弱、理論聯(lián)系實際不足、原理和方法與應(yīng)用脫節(jié)等問題，加大了學(xué)生理解難度而且應(yīng)用意義又不明確，教學(xué)效果并不理想。

基于以上問題，結(jié)合筆者所在學(xué)校專業(yè)課程設(shè)置特點，將“MATLAB技術(shù)及應(yīng)用”“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”“DSP原理及應(yīng)用”和“數(shù)字圖像處理”五門課程構(gòu)成信號處理課程群的實驗實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，從課程群實踐教學(xué)體系、教學(xué)方法、教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控三方面進行了研究和實踐[4-5]。

二、制定“模塊化、層次化、相互銜接、整體統(tǒng)一”的實驗實踐教學(xué)體系

按照“加強基礎(chǔ)、拓寬專業(yè)、強化實踐、突出能力、注重創(chuàng)新、體現(xiàn)個性”的教育理念，進一步加重實驗實踐教學(xué)內(nèi)容在整個人才培養(yǎng)方案中的比重，完善本課程群實驗實踐教學(xué)內(nèi)容，滿足學(xué)生主動獲取知識的需要。針對信號處理數(shù)學(xué)分析量大、工程性強的特點，在深入分析課程理論內(nèi)容及組成結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合適應(yīng)素質(zhì)教育和工程教育對電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，依托測控儀器與光電技術(shù)重慶市實驗教學(xué)示范中心，以培養(yǎng)學(xué)生探索創(chuàng)新能力為目標，構(gòu)建多層面階梯式實驗實踐教學(xué)模式，并融入CDIO工程教育模式的理念，建立包括軟件工具實驗?zāi)K、基礎(chǔ)實驗?zāi)K、課程群系統(tǒng)綜合實驗?zāi)K和創(chuàng)新研究型實驗?zāi)K的多模塊、多層次的信號處理課程群實驗實踐教學(xué)體系，圖1為該實驗實踐教學(xué)體系的結(jié)構(gòu)示意圖。

1.軟件工具模塊。在軟件工具模塊平臺上，完成信號處理課程群實驗實踐教學(xué)所需的軟件工具技術(shù)的實驗實踐教學(xué)，主要有MATLAB軟件技術(shù)實驗、C程序設(shè)計實驗。

2.基礎(chǔ)實驗?zāi)K。在基礎(chǔ)實驗?zāi)K平臺完成單門課程基礎(chǔ)實驗，主要開展驗證性、設(shè)計性和綜合性三個層面的實驗內(nèi)容。在基礎(chǔ)實驗室平臺完成的一般是指一些傳統(tǒng)實驗，多數(shù)是驗證性實驗，設(shè)計和綜合實驗較少。

3.課程群綜合實驗?zāi)K。利用課程群綜合實驗?zāi)K平臺將信號處理課程群多門課程的知識綜合在一起，實施綜合性設(shè)計制作實驗實踐。即在該平臺實現(xiàn)第四層面的課程群系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗。根據(jù)信號處理課程群的特點，這五門課程基本上都要用到信息處理仿真語言MATLAB，因此首先設(shè)置基于軟件編程的綜合實驗，在此基礎(chǔ)上增加開拓學(xué)生創(chuàng)新能力的DSP硬件與軟件相結(jié)合的綜合設(shè)計性實驗。例如，基于DSP的心電信號頻譜分析和雷達信號處理的設(shè)計制作等。即圍繞信號處理這個核心，突出MATLAB軟件仿真和DSP系統(tǒng)硬件實現(xiàn)的兩條主線，并貫穿在整個實驗實踐環(huán)節(jié)。

4.創(chuàng)新研究實驗?zāi)K。利用創(chuàng)新研究實驗?zāi)K平臺完成課外創(chuàng)新實驗，這是一種更高層面（第五層面）的實驗。通過課外指導(dǎo)學(xué)生參加各種學(xué)科競賽、教師科研課題和企業(yè)實習(xí)等形式，將課程群的建設(shè)延伸到課外，加強學(xué)生對專業(yè)應(yīng)用能力、工程推理能力和解決問題能力的培養(yǎng)以及團隊協(xié)作能力、創(chuàng)造性能力的培養(yǎng)。

三、改革實踐教學(xué)方法，突出以學(xué)生為中心

改進實驗教學(xué)方法，注重科學(xué)性與趣味性相結(jié)合，建立以育人為本、以學(xué)生為主體、以知識掌握為基礎(chǔ)、以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心、以綜合素質(zhì)提高為目標的實驗教學(xué)方式，提高實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，形成了自主式、合作式、研究式及結(jié)合式的實驗教學(xué)方法[6-8]。

（一）自主式

根據(jù)“以學(xué)生為本、以能力培養(yǎng)為核心”的教學(xué)理念，信號處理課程群實驗教學(xué)都采用采取開放式管理，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，主要體現(xiàn)在：一是可以在實驗大綱總的要求下在題庫里面自主選擇實驗項目。二是可以自主選擇實驗方案和實驗儀器，對于綜合性設(shè)計性實驗項目，學(xué)生可以自主選擇實驗方案和所需的實驗儀器。三是可以自主選擇實驗時間，實驗教學(xué)計劃只規(guī)定完成實驗項目的時間段，實驗室全天面向?qū)W生開放，學(xué)生可以在規(guī)定的時間范圍內(nèi)根據(jù)實驗內(nèi)容和自己的學(xué)習(xí)計劃自由選擇做實驗的時間。

（二）合作式

針對有一定難度且工作量較大的部分綜合設(shè)計型和研究創(chuàng)新型實驗，要求學(xué)生3～4人一組，共同擬定實驗方案，集體完成實驗項目并寫出總結(jié)報告。培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻、綜合設(shè)計、團隊協(xié)作、總結(jié)歸納等能力。采用合作方式進行，先將題目內(nèi)容要求按照總體設(shè)計方案分成若干子模塊，組內(nèi)學(xué)生協(xié)商選擇不同的子模塊，按照進度要求協(xié)作完成，通過組員協(xié)同努力，合作完成整體設(shè)計并寫出設(shè)計報告。

（三）結(jié)合式

打破實驗教學(xué)與理論教學(xué)之間的界限，探索理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合的新方法。改變過去那種教師先講、學(xué)生再做、“抱著學(xué)生走”的教學(xué)方法。將有些實踐性較強的理論教學(xué)內(nèi)容，直接放在實驗過程中講授，利用實驗室多媒體條件邊講授邊實驗，實現(xiàn)理論與實踐結(jié)合，十分直觀。另一方面，在理論課中也結(jié)合實驗內(nèi)容進行講授有助于理解。學(xué)生們拿到實驗項目，首先是自己去分析，然后在做相應(yīng)實驗時，再去驗證，看自己的分析是否正確。通過這樣的方式，不僅使學(xué)生對理論有了深刻的理解，同時又促進學(xué)生在實驗中帶著問題去做，去驗證自己對理論理解的正確性，加強了理論聯(lián)系實際的能力。

四、建立實驗實踐教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控體系

所有實驗教學(xué)手段的目的都是希望提高教學(xué)質(zhì)量。為了進一步提升教學(xué)質(zhì)量，有必要針對實驗實踐環(huán)節(jié)建立一套完整的質(zhì)量監(jiān)控體系。教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控體系是全員參與的、對教學(xué)全過程和影響教學(xué)質(zhì)量的各個方面實施的監(jiān)控。其全員性要求所有與教學(xué)相關(guān)的人員，都參與教學(xué)質(zhì)量的監(jiān)控;全過程是指對影響實踐教學(xué)質(zhì)量的每一環(huán)節(jié)、每個階段實施監(jiān)控，以階段性目標的達成保證高質(zhì)量結(jié)果的實現(xiàn);全面性要求對影響實驗實踐教學(xué)質(zhì)量的各個方面，如師資隊伍、教學(xué)管理、課程建設(shè)等進行監(jiān)控。

以考核學(xué)生實驗項目成績?yōu)槔趯嶒灴己朔椒ㄉ希捎枚嘣己宿k法進行綜合評定，注重考評方式的多樣化和考評指標的規(guī)范化，以保持對學(xué)生學(xué)習(xí)成績和教師教學(xué)效果檢驗的客觀公正性。主要考核內(nèi)容包括：實驗出勤率、實驗操作、實驗方案正確性（設(shè)計型實驗）。全方位、多元考核體系有助于激發(fā)學(xué)生實驗參與積極性和加強實驗教學(xué)的規(guī)范化管理。通過實驗實踐教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控體系的實施達到如下成效：

1.教師的教學(xué)積極性提高明顯。教師更加注重每一個實驗實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量標準，實驗課前準備更充分、課中輔導(dǎo)更仔細、課后報告批改和教學(xué)資料總結(jié)更加規(guī)范、詳細。

2.學(xué)生學(xué)習(xí)主動性明顯加強，動手實踐能力明顯提高。學(xué)生更加重視實驗實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，上課的積極性和主動性明顯提高，實現(xiàn)從“被動學(xué)習(xí)”向“主動學(xué)習(xí)”的轉(zhuǎn)變。

3.教學(xué)信息收集、整理和反饋效率明顯提高。通過對實驗實踐類課程各環(huán)節(jié)的全面監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)和解決實驗實踐教學(xué)過程存在的問題，保證教學(xué)各環(huán)節(jié)處于良性循環(huán)狀態(tài)和持續(xù)改進狀態(tài)。

五、實施效果

利用學(xué)院“光、機、電、算”交叉學(xué)科優(yōu)勢，以培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和研究創(chuàng)新能力為目標，在實驗實踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)質(zhì)量監(jiān)督等方面進行了優(yōu)化。加強與科研、工程和生產(chǎn)實際的結(jié)合，設(shè)計出可供學(xué)生多角度、多途徑、多方法進行思考和探究的實驗項目，改造了傳統(tǒng)的實驗實踐教學(xué)方法，激發(fā)了學(xué)生探究學(xué)習(xí)的欲望。在管理模式上，建立教師指導(dǎo)下的學(xué)生自主管理的實驗室運行模式與全開放運行機制，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實踐提供了支撐平臺。強化了創(chuàng)新意識和工程教育理念，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性，提高了實驗實踐教學(xué)水平和質(zhì)量，取得了顯著效果。

參考文獻

[1]蔣俊正，劉慶華，歐陽寧.信號處理課程群多層次實驗教學(xué)體系建設(shè)和教學(xué)方法改革[J].教育觀察，2014，25（3）：47-49.

[2]李秀梅，董文，賈中云.地方院校信號處理課程群的建設(shè)與探索[J].大學(xué)教學(xué)，2016（8）：169-171.

[3]李文杰，張曉鳴.電類學(xué)科信號處理課程群實驗教學(xué)體系構(gòu)建[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2015（217）：106-109.

[4]王連明，陳菊芳，黃繼鵬，等.電子信息類專業(yè)實驗課程體系改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2018，37（3）：147-149.

[5]張曉光，湯文豪，王艷芬，等.數(shù)字信號處理案例教學(xué)法研究與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2018，35（5）：214-2187

[6]楊智明，彭元熹.數(shù)字信號處理課程實踐型教學(xué)方法研究[J].實驗室科學(xué)·實驗室研究與探索，2014，33（9）：180-183.

[7]王典，劉財，劉洋，等.數(shù)字信號處理課程分類和分層教學(xué)模式探索[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30（2）：31-32.

[8]趙希文，楊海，韓瑩，等.基于項目的研究性學(xué)習(xí)組織體系的研究與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2016，33（6）：10-12.

Reform and Practice of Signal Processing Course Group Experimental Practice Teaching

LI Min，LIU Jun

（Key Laboratory of Optoelectronic Technology and System of the Education Ministry of China，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Abstract：In order to solve the problems and shortcomings of the experimental practice teaching in Signal Processing course group，including MATLAB Technology and Applications，Signals and Systems，Digital Signal Processing，DSP Principles and Applications and Digital Image Processing，reform and practice have been carried out from three aspects：experimental practice teaching system，teaching method and teaching quality monitoring.The experimental practice teaching system of "modular，hierarchical，mutual connection，and overall unification" is formulated;the experimental practice teaching method of "autonomous，cooperative，combined" experimental practice teaching method is formed;a complete set of experimental practice quality monitoring system is established.And the teaching effect is obvious through the practice test.

Key words：Signal Processing course group;experimental practice teaching system;teaching method;teaching quality monitoring