案例引導的信號處理課程群協同教學模式實踐探索

趙 地

玉林師范學院物理與電信工程學院 廣西玉林 537000

一、概述

隨著工業4.0的出現、“中國制造2025”戰略的實施，工程教育與產業發展之間的聯系更為緊密、其間的相互支撐更加迫切，教育部推出的“新工科”計劃也對本科教育提出了更高要求。“新工科”下的人才培養，應該注重對其在學科知識融合技能方面的培養，注重創新精神和創新能力培養。作為人工智能和大數據時代排頭兵的電子信息類專業，應致力于課程體系改革，教學與實踐資源優化整合，不斷強化應用創新與實踐能力，切實提升學生綜合素質及能力。信號處理課程群，作為電子信息類專業核心課程，其教學模式的改革研究與創新實踐對推動新工科教育改革創新具有重要意義。

信號處理類課程已逐步成為自動控制、模式識別、計算機應用等學科的重要必修或者選修課程。針對電子信息類專業的信號處理課程群包括“信號與系統”“數字信號處理”“DSP原理及應用”以及“數字圖像處理”共4門課，這些專業課程理論與應用并重，與實際工程聯系緊密，對學生的知識與能力培養具有舉足輕重的作用。

信號處理課程群內部各課程之間具有重疊知識點與相當程度的相通之處，但又具有各自顯著的側重點。傳統教學模式存在以下明顯問題：(1)各門課程獨立授課，忽略了課程內容間的連貫性和銜接性。課程之間、知識點之間的關聯薄弱，加上信號處理類課程理論性強，知識要點繁多且抽象，導致學生無法將知識有效貫通、學習效果不理想，不求甚解，學習興趣降低。(2)重理論知識傳授，對實踐應用能力關注不夠，忽視了課程與實際項目工程的緊密聯系，導致學生普遍存在理論聯系實際不足、原理和方法與應用脫節等問題。且各門課程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，加大了學生理解難度，且應用意義不明確，教學效果不理想。(3)教學內容更新相對新技術發展嚴重滯后。傳統受限于課堂教學手段、教師的專業及科研能力等因素，相關領域的新知識、新技術和前沿科技成果不能及時增補進教學內容，致使學生能力培養滯后于社會需求。

因此，本文研究提出案例引導的信號處理課程群協同教學模式，該教學模式的主要思路為：設計貫穿課程群多門課程的典型應用案例，將其嵌入課程群教學過程；案例的實現過程對應課程群內課程知識要點的教學過程，促進各課程教學內容間的協同規劃和緊密銜接；案例的引入、研究、解決過程，以實現興趣引導、強化理解、驅動創新為目的，可幫助學生將課本知識和實際應用有機地結合起來，建立完整的知識體系。

二、案例引導的信號處理課程群課程體系

圖1 案例引導的信號處理課程群課程體系框架

本文所研究的信號處理課程群包含“信號與系統”“數字信號處理”“DSP原理及應用”和“數字圖像處理”4門專業課程。本課程群的課程體系如圖1所示，其中，“信號與系統”“數字信號處理”緊密關聯，同為核心基礎課程，組成課程群的基礎，是“數字圖像處理”“DSP原理及應用”的前續課程；“DSP原理及應用”著重于數字信號處理系統的軟硬件開發及應用，而“數字圖像處理”著重于圖像處理的方法及應用，則是“信號與系統”“數字信號處理”課程的應用實踐。信號處理課程群的教學過程以理論教學和應用實踐教學兩條線索交叉貫穿始終，兩大線索互為支撐，使學生在學習理論知識的過程中培養學生分析和解決實際工程問題的綜合能力。

三、優化整合理論教學內容，促進課程群教學協同規劃

按照本文所研究的案例引導的信號處理課程群協同教學模式的構建思路，首先對課程群內的課程內容進行整體規劃，實現教學內容的優化和整合。

(1)剔除重復的知識內容，依課程體系邏輯及知識要點屬性重新規劃課程教學內容。例如，“信號與系統”的核心教學內容涵蓋了連續信號及系統的時域分析、頻域分析和復頻域分析，離散信號和系統的時域分析、頻域分析和z變換等；而“數字信號處理”的核心教學內容也包含有離散信號與系統的時域、頻域和z變換。此部分在兩門課程存在重復，可考慮大規模縮減或剔除其在“信號與系統”課程中的課時安排，在“數字信號處理”課程中對離散信號與系統的時域、頻域分析和z變換進行深入講解。這樣一方面有利于確保知識要點屬性統一，更易于學生對知識的接受和掌握，另一方面有利于精簡學時，提升教學效率。

(2)強化課程群內課程的融合關聯，突出貫穿各模塊、各課程的主要知識線索，注重核心知識點的深入講解。例如，頻譜的概念及頻域分析，該核心知識點貫穿“信號與系統”“數字信號處理”與“數字圖像處理”三門課程。在“信號與系統”“數字信號處理”核心基礎課程中對于該知識點的講授，可將學生可見的圖像頻譜引入課堂教學當中，生動形象，減少理論知識部分的枯燥性和乏味性，通過提前給學生引入應用場景，激發學習興趣。在應用課程，即“數字圖像處理”課程中對于該知識點的講授，則應當基于圖像頻譜特性增加回顧相關基礎概念及關鍵理論，深化對支撐理論的理解，強化知識掌握。

四、案例引導課程群課程展開協同教學

案例引導，要求案例貫穿課程群多門課程，涵蓋各課程關聯的重要知識要點。協同教學，要求課程群各課程的教學過程有效銜接、互為呼應、知識線索清晰明了。因此，重點在于提煉貫穿課程群的主要知識線索，圍繞核心知識要點，設計實現環節和步驟明晰、便于分解、對應知識要點及脈絡清晰的典型案例。案例還要依托真實工程背景，具有實際應用價值，便于學生靈活運用、舉一反三。

在具體教學過程中，可首先從案例的具體應用場景中形象化引入，激發學生對于理論知識的學習興趣，提升課堂理論教學效果；逐步上升至理論，以理論為基礎研究解決案例中的實際問題，直觀感受理論與實際應用的聯系，并在應用中強化對理論的理解；再用理論歸納、指導一類實際應用問題的解決方法，增強對知識的運用能力，驅動創新能力培養。可設計較為綜合復雜的項目案例，也可用于實踐教學環節，以項目為牽引，提升學生的工程認知水平，促進并夯實理論基礎。

以案例“圖像去噪”為實例，以下詳解教學過程設計。此案例主要涵蓋“信號與系統”“數字信號處理”和“數字圖像處理”三門課程。該案例選取一幅實景圖像(如校園風光)，對其添加噪聲干擾，模擬受噪聲污染的含噪圖像。案例與課程教學主要相關對應要點為：

(1)主要知識線索——信號的頻域分析。

(2)涵蓋核心知識要點——一維連續傅里葉變換及性質(“信號與系統”課程)、卷積定理(“信號與系統”課程)、離散傅里葉變換及性質(“數字信號處理”課程)、數字濾波器設計(“數字信號處理”課程)、圖像信號的頻率特性(“數字圖像處理”課程)。

(3)實現環節——對圖像信號進行二維離散傅里葉變換，轉換至頻域空間；分析圖像頻率特性；設計濾波器進行去噪；對比理解圖像空域濾波與頻域濾波。

(一)從案例的具體化應用場景引入理論學習，激發興趣

按照課程群的課程教學順序，學生首先學習的是“信號與系統”“數字信號處理”這兩門專業基礎課，因而接觸的與案例相關的知識要點是信號的一維連續傅里葉變換及其性質、一維離散傅里葉變換及其性質。這部分知識理論性強、涉及大量公式推導及計算，雖物理意義明確卻抽象難懂。因此，以案例引導的教學操作中，理論講解前先給學生展示圖像的去噪效果，形象具體，以激發學習興趣，且借助圖像生動的表現方式及顯著的效果有助于學生了解傅里葉變換的實際應用，直觀上建立理論與實踐的聯系。

(二)多課程協同指導案例實現，理論與應用雙向促進

在“信號與系統”“數字信號處理”課程中已深入講解一維連續傅里葉變換、一維離散傅里葉變換的基礎上，首先由學生自己查閱資料、拓展學習二維離散傅里葉變換，為在“數字圖像處理”課程中學習圖像的頻域分析做好預備。圖像的二維離散傅里葉變換的講解應避免單純公式推導計算的枯燥講授，要注重課程間融合與關聯，從一維傅里葉變換的意義及性質推廣延伸，結合圖像的生動展示，引導學生理解圖像在頻域中的幅頻、相頻特性，結合定義與性質分析圖像的頻率分布特性。可利用Matlab進行仿真演示，例如，選取校園風光的一幅圖像，對其進行二維離散傅里葉變換，讓學生實際觀察變換后的結果，包括頻域中能量分布特點，不同頻率成分所對應的圖像成分等(邊緣、細節、噪聲是圖像中的什么成分？對應頻域中的什么頻率成分？頻域中的低頻成分對應何種圖像成分)。

實現案例中的去噪任務，先進行引導啟發式教學。以分組討論、代表發言等互動方式發揮學生思考、學習的主觀能動性：需要濾除的噪聲在圖像中有何特點？它在頻域中如何表現？在頻域中如何去除噪聲？使用我們“數字信號處理”課程中學過的一維濾波器可以實現嗎？教師進行進階式發問，學生進行進階式思考與探索，共同梳理出頻域中圖像去噪的算法流程、低通濾波器的設計思想與方法。

基于案例對比理解圖像空域濾波與頻域濾波。提出問題：圖像去噪可以在空域完成嗎?引出對已學重要知識要點——卷積定理的理解與運用。觀察噪聲特點可知，噪聲在空域表現為圖像中像素灰度值的突變點；若要去除噪聲，應沿減小灰度值起伏這一思路尋找方案——由此，空域圖像去噪可使用平滑濾波器實現。整個案例的實現，以信號的頻域分析為知識線索，將傅里葉變換及性質、卷積定理、濾波器設計、信號頻率特性等關鍵知識點全覆蓋，在案例推進中層層深化，融會貫通。

結合圖像仿真效果的演示分析，反過來引導學生深入理解傅里葉變換的公式、意義及性質，深化對支撐理論的理解，強化知識掌握。多課程協同，知識點銜接融合，有助于學生建立完整知識體系，提升解決實際應用問題的運用能力。

(三)案例分解小任務，分步自主實現促進實踐能力提升

案例貫穿課程群，案例實現環節對應知識點分解，因此，分解后的每個小任務用于強化對應知識點，且任務量適中，難度適宜。課堂上首先進行理論講解與分析，然后進行分組，由學生自行進行組內分工、任務分解分配，按約定時間完成后小組匯報完成情況及結論，最終由教師點評、總結。案例引導、任務驅動的教學方式，激發學生求知欲，鍛煉自學及思考能力，教學效果良好。

五、效果分析與思考

案例引導的信號處理課程群協同教學模式下，案例先于單純理論引入課堂，豐富課堂生動表現形式，有助于提高學生學習興趣；通過案例促進課程群各課程的有效銜接和深度融合，提升知識教授效率，多課程融合強化學習效果，有助于鞏固學生專業基礎；分組互動研討的方式豐富了學生的學習體驗，有助于激發求知欲，增加學習主動性，培養創新思維。

與此同時，案例引導的信號處理課程群協同教學模式也為教師及學生提出了更高要求：要求教師有扎實的專業基礎及良好的專業素養，對于課程群涵蓋的各門課程相當熟悉，具備關鍵知識線索、核心知識要點的提煉、歸納、總結、綜合運用及設計的能力；要求學生具備學習的主觀能動性，踏實打好專業基礎，能夠及時查漏補缺。此外，傳統信號處理類課程的教學內容更新相對新技術發展嚴重滯后，教學仍局限于對傳統技術的講授，致使學生能力培養滯后于社會需求。因此，授課教師要把握學科研究熱點和方向，促進科研與教學的雙向互動，在教學中適時適量的引入人工智能、機器視覺等前沿理論及科技的研究成果，使得教學與時俱進，一方面豐富課程本身的廣度和深度，另一方面有助于培養學生創新能力和科學探索精神。

結語

本文論述了案例引導的信號處理課程群協同教學模式實踐探索，以“圖像去噪”為實例，詳細介紹了課程群教學過程設計，具有借鑒意義。該教學模式重新統籌規劃信號處理課程群各課程的教學進程，優化整合理論教學內容，設計聚焦核心知識要點，貫穿課程群的典型案例。從案例的具體化應用場景引入理論學習，激發學習興趣；課程群多課程協同指導案例實現，理論與應用雙向促進；案例分解小任務，學生分步自主實現，促進實踐能力提升。該模式可幫助學生建立完整的知識體系，提高學生對信號處理類課程的理解以及工程實踐操作的能力，提升綜合運用知識解決實際問題的能力，達到創新應用型人才培養的目標。