信號處理實踐類課程教學問題分析及改進策略

張新峰 賈懋珅 竇慧晶 李暉

摘要：信號處理實踐類課程是電子信息類本科生利用信號處理基礎知識解決實際問題的重要教學環節。作者在教學中發現，學生理論聯系實際的能力亟須加強，運用數據結構的基本思想制作課程演示實例的能力不足，信號處理課程報告中對課題結果缺乏深入的理論分析，往往停留在實驗現象描述層面。據此，作者從教學內容設計、教學講義編寫等方面提出了相應的改進策略。

關鍵詞：信號處理;理論聯系實際;數據結構;線上線下結合

中圖分類號：G434 ?文獻標識碼：A ?論文編號：1674-2117（2021）05-0107-03

對于電子信息工程、通信工程的本科生而言，信號處理實踐類課程是必不可少的，因為熟練運用信號處理技術來解決實際問題是該類專業學生的基本功。筆者所在學校開設的相應課程為“信號處理工程訓練”，該課程開設在大三下學期，此時學生已系統地學完了“信號與系統”“數字信號處理”“隨機信號分析”的相關理論并完成了課內的基礎實驗。“信號處理工程訓練”課程的開設旨在提高學生運用信號處理的基礎理論解決實際工程問題的能力，這其中包括問題分析、建模，求解、結果分析等環節。由于這類課程內容抽象，多數學生不理解其物理意義，應用于實際中較為被動。筆者的出發點是讓學生從解決實際工程問題出發，對問題進行分析，建立信號處理模型，然后求解并對結果進行分析。這樣，能讓他們體會到信號處理理論的具體應用，對基本概念和模型有更深刻的認識和掌握，同時培養了其解決復雜工程問題的能力，進而培養了他們的創新思維。

亟須解決的問題

筆者在授課過程中發現，從學生上課的實際效果看，存在如下亟須解決的問題：

①學生信號處理知識總體掌握情況較好，但理論聯系實際的能力有待加強。

部分學生信號處理類課程考試的成績很高，但在解決具體問題時，卻無從下手。例如，課程中有一道心電信號處理的題目，題目為“設計一個濾波器去除工頻信號的干擾”，這屬于一個濾波器設計和應用的問題。學生對這道題主要的困難表現在：模仿《數字信號處理》教材上的例題設計出了濾波器，卻不知道如何利用濾波器處理實際數據。教材中的濾波器一般是以Z變換的形式給出的，但是這樣的濾波器在時域怎么用好多學生不明白。

②編程解決實際問題是不少學生的軟肋，有些學生能夠編寫程序，但程序質量不高，存在多種缺陷和漏洞。

學生可以根據具體問題建立合理的模型，但不清楚如何編寫程序實現模型的關鍵技術。課程要求學生在讀懂代碼的基礎上，靈活運用程序，熟悉相關的算法，在理解的基礎上去應用。然而，部分學生可編程完成課題的任務，但存在編程過程不夠規范、所編寫程序的魯棒性不強、邊界條件考慮不夠等問題。多數程序還有需要完善的地方，其突出表現在程序中存在諸多缺陷和漏洞。一方面是因為邊界條件沒有考慮周到，未對程序做比較完善的測試;另一方面是因為學生對C語言中一些原理性的知識認識不清，導致運行程序過程中經常出現內存泄露，甚至死機的現象。

③學生對問題結論的分析往往停留在簡單的現象描述上，缺乏對問題的深入分析，尤其是缺少理論分析，另外對軟件程序的測試不夠。

筆者對課程報告的寫法做了具體的要求，包括寫清楚課題的基本要求、具體的技術原理、關鍵的技術模塊及實現代碼、實驗結果及分析、本課題存在的問題、可能的意見和建議以及對未來工作的展望。雖然多數學生的實驗報告寫出了這幾個部分，在實驗結果部分也說明了原始數據、實驗結果，但相當一部分學生對實驗現象只做了簡單的描述，接著就直接說明所采用的方法適合解決什么問題，這樣得出的結論顯然不嚴謹，存在著將特殊誤認為是一般的問題，沒有做深入的分析，沒有給出得出此結論的前提條件。另外，學生在動手編程實現方面往往是淺嘗輒止，對實現的程序代碼沒有做足夠的測試，對程序幾乎沒有進行優化工作和算法效率的分析。

具體策略

筆者認為，針對本課程建設中存在的問題，可以初步采取如下策略進行改進：

①多渠道征集課題素材，將其加工為適合本科生解決的實踐性課題。

課題要來源于生產或生活實際，因為只有實際問題才容易引起學生的興趣。注重經典理論的講述與引入最新技術的相互融合[1]是增強學生理論聯系實際能力的一個重要方法。課題的來源：一方面可以利用已有的資源，如自己的研究課題、相關教師的研究課題等，在此基礎上加工為符合本科生實現的工程課題;另一方面可以鼓勵學生進行各種實踐活動，他們在實際中發現的可利用信號處理理論與方法解決的問題，經過加工和整理，也可以成為本課程的課題。此外，可以從其他專業（如生物醫學工程、機械電子工程等）征集與信號處理相關的問題，從多源頭征集課題，力求使課題內容豐富多彩，這樣在一定程度上拓寬了學生知識應用的視野，同時也讓學生體會到了信號處理理論應用的魅力。筆者鼓勵學生自己提出問題、設計課題，在此基礎上引導他們自己分析、解決問題。學生設計完題目之后，教師對題目的難度、綜合性和數據采集條件等嚴格把關，確保題目的質量和數據的來源可靠。另外，筆者對課題科學地進行分級，設置不同的難度等級，以適應不同層次的學生，題目的難度分為基礎類、提高類和較難類、開放性三個級別。所有學生必須完成基礎類的題目，學有余力的學生可以完成提高類的題目，致力于從事研究的學生可以完成較難的題目和開放性課題。

②通過線下和線上相結合的教學方式，激發學生的學習興趣，達到教學相長的目的。

由于這門課程既涉及數字信號處理中的抽象知識，又涉及編程實現的問題，僅僅靠課堂時間來解決學生的具體問題是遠遠不夠的。筆者認為，可以采用線下教學和線上答疑相結合的教學方式，通過線上答疑解決學生的個性化問題，如通過騰訊會議、微信群、學習通等平臺進行;線下課堂主要用于解決學生的共性問題。學生遇到的問題和有關課題的心得體會隨時可以發布到相應的平臺，教師也可以及時將優秀的作業或實驗放到平臺上，供大家學習和參考。通過學習平臺學生可以了解不同的課題內容，并相互討論，共同學習，形成良好的學習氛圍。這樣做的目的是培養學生的學習興趣，讓他們充分體會數字信號處理理論的作用，更重要的是讓學生領會其中的思路、邏輯、思想和方法。

③編寫從理論知識到工程實踐問題的過渡指導，同時注重運用數據結構思路的課程設計講義。

講義是實踐課程的指南，設計講義在課程中起著關鍵作用。實踐類課程的講義包括課題目的、基本內容、課程原理、課程思考題等。針對課程中存在的問題，筆者主要從三個方面改進實驗講義：第一，講義要起到理論指導和工程問題的銜接作用。應突出強調課題所用關鍵技術的物理概念分析，突出解決實際問題的思路;不應把加強工程應用與深化數學分析對立起來，應該努力尋求理論與實踐的結合點。[2]第二，提供典型的案例分析過程。注重闡述案例問題解決的邏輯性，從問題分析、模型建立、編程實現、數據測試和結果分析等多個方面進行。學生通過案例的學習，能夠更快、更規范地進入課題工作。第三，增加利用數據結構的方法解決實際問題的思路指導，從數據的邏輯結構、存儲結構和運算三個方面考慮問題的求解，適當考慮算法的分析和設計問題，進一步強化學生編程的規范化。教師將抽象的專業課知識轉化為演示程序，將理論的應用通過圖像、音視頻等形式顯示出來，極大地激發了學生的學習和進行科學研究的興趣，同時通過演示實例中出現的問題，引起學生理論和方法層面的思考，進而激發學生的創新能力。

總結

“信號處理工程訓練”課程在筆者所在學校開課多年，該課程越來越得到學生們的認可。筆者認為應該加強學生理論聯系實際的能力，通過增加結合實際的工程案例，進一步增強學生的實踐興趣;通過線上與線下結合的教學方式，提高學生的學習興趣和解決問題的效率;通過編寫從理論知識到工程實踐問題的過渡指導，同時注重運用軟件工程思想的課程設計講義，使學生解決問題規范化。信號處理理論的應用效果可以通過軟件的形式表現出來，學生可以直觀地發現其不足，這又是學生改進和創新的源泉。

參考文獻：

[1]鄭君里，谷源濤.信號與系統課程歷史變革與進展[J].電氣電子教學學報，2012，34（02）：1-6.

[2]鄭君里，谷源濤，試談“信號與系統”課程理論與實踐之結合[J].電氣電子教學學報，2014，36（03）：1-5.

作者簡介：張新峰（1974—），男，山東寧津人，博士，副教授，研究方向為智能化信息處理。竇慧晶（1969—），女，吉林長春人，博士，副教授，研究方向為信號與信息處理。賈懋珅（1982—），男，河北張家口人，博士，副教授，博導，研究方向為音頻信號處理。李暉（1982—），女，山東濟南人，博士，講師，研究方向為信號與信息處理。

基金項目：教育部-華為技術有限公司產學合作協同育人項目（40042001202010）、北京工業大學教育教學研究課題重點項目（ER2020A002）、北京工業大學教育教學項目“‘數字信號處理共享案例庫構建及案例教學法優化策略研究”（編號：ER2020B008）。