電子信息類專業(yè)信號處理課程群的建設(shè)與改革實踐

王艷芬,張曉光,王 剛,蔡利梅

(中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院,江蘇徐州 221116)

實驗室創(chuàng)新

電子信息類專業(yè)信號處理課程群的建設(shè)與改革實踐

王艷芬,張曉光,王 剛,蔡利梅

(中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院,江蘇徐州 221116)

為充分發(fā)揮課程群結(jié)構(gòu)整體功能效益,提出電子信息類專業(yè)信號處理課程群建設(shè)思路,介紹了課程群建設(shè)目標、建設(shè)內(nèi)容及建設(shè)成效。建立了以“數(shù)字信號處理”為核心的交織模塊化信號處理課程群體系;進一步改革優(yōu)化了教學方法;構(gòu)建了三平臺、多層面階梯式實踐教學模式;持續(xù)建設(shè)與課程體系配套的精品教材;研發(fā)搭建了用于學生自主學習的信號處理課程群教學網(wǎng)站。實踐表明,其結(jié)果促進了學生理論分析能力、實踐能力和工程創(chuàng)新能力的綜合協(xié)調(diào)發(fā)展。

信號處理課程群;精品課程;精品教材;建設(shè)實踐

課程建設(shè)應當適應當今社會學科之間相互滲透和相互交叉的發(fā)展和變革,利用課程群的關(guān)聯(lián)性優(yōu)化整合課程體系,充分發(fā)揮課程群結(jié)構(gòu)整體功能效益,這樣可以更有效地培養(yǎng)創(chuàng)新型的高素質(zhì)人才[1]?；陔娮有畔㈩悓I(yè)信號處理類課程內(nèi)容的緊密關(guān)系,結(jié)合我校信息專業(yè)課程設(shè)置特點,提出將“信號與線性系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”、“DSP原理與應用”、“語音信號處理”和“圖像處理”5門課程構(gòu)成信號處理課程群進行綜合優(yōu)化建設(shè)[2],得到江蘇省高等教育教改研究等課題的資助,取得良好效果。

1 課程群建設(shè)目標

精品課程是指具有一流教學水平特色的示范性課程。課程群建設(shè)比單門課程建設(shè)涉及面大,在此基礎(chǔ)上建設(shè)精品課程,又以精品課程促進課程群建設(shè),對其他課程的教學改革起到示范作用,對整體教學效果起到引領(lǐng)作用。因此確定課程群建設(shè)的總目標是:以江蘇省精品課程“數(shù)字信號處理”的進一步建設(shè)為先導,協(xié)調(diào)各課程之間的關(guān)系,打破課程與課程之間傳統(tǒng)的單維關(guān)系,互為補充,相互關(guān)聯(lián),以“點”形成“面”,形成逐層遞進、整體優(yōu)化的體系化結(jié)構(gòu),使課程體系更加符合信息社會對學生知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)的需要,并融入CDIO工程教育模式的理念,加強學生基礎(chǔ)能力、動手實踐能力和探究創(chuàng)新能力的培養(yǎng),促進學生知識、能力、素質(zhì)的綜合協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 課程群建設(shè)的五點做法

2.1 建立交織模塊化課程體系,融入CDIO理念,整體優(yōu)化課程內(nèi)容

組建一個課程群,必須是幾門課程之間內(nèi)容緊密聯(lián)系、內(nèi)在邏輯性強、屬于同一培養(yǎng)能力范疇的有機整體。信號處理課程群5門課中,“信號與線性系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”是2門關(guān)聯(lián)性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課,是信息類專業(yè)的骨干核心課程,屬于課程群中的基礎(chǔ)理論部分,組成基礎(chǔ)模塊,也是我們重點建設(shè)的課程;而“DSP原理與應用”,又是“數(shù)字信號處理”課程理論的硬件實現(xiàn),是理論聯(lián)系實際的硬件平臺,所以“數(shù)字信號處理”和“DSP原理與應用”2門課組成理論實踐模塊;“語音信號處理”和“圖像處理”是信號處理理論和實踐的具體應用,組成應用模塊。3個模塊縱向傳承、橫向交疊互補,構(gòu)成“交織模塊化”課程體系,如圖1所示。其中“數(shù)字信號處理”課程在前2個模塊中互有交織,體現(xiàn)了該課程的重要地位。經(jīng)過多年的改革實踐,我校的“數(shù)字信號處理”課程建設(shè)取得較好成績,2010年被評為江蘇省精品課程。因此以精品課程建設(shè)為龍頭,帶動了課程群其他課程的改革與建設(shè)。

圖1 “交織模塊化”課程體系圖

在該課程體系中,“信號與線性系統(tǒng)”突出理論基礎(chǔ)和考研優(yōu)勢,“數(shù)字信號處理”以信號處理算法研究為主線,突出探究性學習方法,“DSP原理與應用”突出信號處理算法在工程中的硬件實現(xiàn),“語音信號處理”突出以軟件實驗和以實際課題為主線的研究型教學法,“圖像處理”突出采用軟件演示仿真,多媒體視聽技術(shù)等展示信息處理綜合技術(shù)的各個方面以及研究目標驅(qū)動項目教學法。對于實踐性較強的課程,融入CDIO工程教育的理念[3-4],注重培養(yǎng)學生系統(tǒng)工程能力,尤其是項目的構(gòu)思、設(shè)計和開發(fā)能力,以及較強的自學能力、組織溝通和協(xié)調(diào)能力。

按照課程群課程體系要求,在2012年版培養(yǎng)方案制定中重新編寫了課程大綱。注意協(xié)調(diào)各課程之間的內(nèi)容和邏輯順序,將各課程中的重疊部分內(nèi)容進行合理銜接、自然過渡,使課程群中各門課程知識系統(tǒng)化。例如:“信號與線性系統(tǒng)”的側(cè)重點放在連續(xù)信號處理部分,信號的數(shù)字處理內(nèi)容主要放在“數(shù)字信號處理”課程中。同時,按知識點的遞進,調(diào)整實驗課時比例,加大創(chuàng)新型綜合性實驗或課程設(shè)計。重新修訂后的課程教學大綱,教學內(nèi)容具有良好的連續(xù)性、系統(tǒng)性,知識結(jié)構(gòu)更加合理。

2.2 結(jié)合課程群特點,進一步改革優(yōu)化教學方法

(1)采用創(chuàng)新形象化課堂教學方法,將仿真研究引入課堂。對于抽象、理論性較強的課程,例如“數(shù)字信號處理”、“信號與線性系統(tǒng)”,將Matlab仿真研究引入課堂[5],通過在課堂上直接演示重點和難點問題的仿真結(jié)果和課后開展仿真實驗等多層次的教學活動,幫助學生領(lǐng)會和深化課堂上學到的基本概念、基本原理以及基本的信號處理操作,激發(fā)學生學習課程的興趣。

(2)堅持板書、多媒體教學和網(wǎng)絡教學三者結(jié)合并用的授課方式。針對一些基本原理和基本方法的推導和證明,仍然延續(xù)課堂板書的授課方式,讓學生一步一步跟上教師的思路;對于一些需要形象理解、圖示舉例以及演示的部分,則采用多媒體教學方式,充分利用聲音、圖像視頻、動畫等多種形式進行互動教學;針對課后的復習、相關(guān)背景知識的學習以及課堂內(nèi)容的擴展部分,充分利用網(wǎng)絡課程,提供相關(guān)資源擴展討論空間。

(3)讓學生參與習題課的講授,充分調(diào)動學生的積極性。采取的措施是學生自己講述習題,教師在每位學生講授完后進行點評,特別對講授過程中出現(xiàn)問題比較多的內(nèi)容重點講評。為鼓勵學生講授習題課的積極性,可采取一定的獎勵措施,例如給平時成績加分等。由于是學生自己上臺講解,教師釋疑,調(diào)動了學生主動學習的自覺性和積極性。

(4)指導學生進行探究式學習,增強學生的創(chuàng)新探究能力。通過課外大作業(yè)的形式指導學生以小組為單位進行探究式學習——圍繞課程中某個主題,提出問題、決定探究方向、組織探究、搜集并整理資料、軟件調(diào)試得出結(jié)論。例如:在“數(shù)字信號處理”課結(jié)束時,要學生提交一份基于Matlab軟件仿真的探究性研究報告;在“DSP原理與應用”課結(jié)束時,要學生提交一份基于CCS平臺仿真實現(xiàn)的專題論文。

1．1 對象 來源于中國疾控中心青年科研基金課題“我國6～13歲學齡兒童主要慢性病干預模式及適宜技術(shù)研究”的數(shù)據(jù)。

(5)多元化綜合評定考核模式。除平時考核(包括課堂出勤、作業(yè)、課堂討論等)外,還注重考核學生的理論分析、實踐動手和創(chuàng)新等多元素綜合能力。例如對于“數(shù)字信號處理”課程,多年來一直采取“6∶2∶2”考試模式,即采用筆試、上機考試、探究式學習課外作業(yè)加平時綜合評定的考試方式。理論筆試:100分試卷,占總成績的60%;Matlab上機考試:20分,占總成績的20%;探究式學習加平時:20分,占總成績的20%。其中:理論筆試著重基本概念、基本運算和基本原理;上機考試重點考核學生的實驗效果及實際編程解決問題的能力;探究式學習課外作業(yè)重點考察學生的創(chuàng)新實踐能力和團結(jié)協(xié)作精神。

2.3 依托國家級實驗教學示范中心,構(gòu)建“三平臺、多

層面”階梯式實踐教學模式,提高學生創(chuàng)新能力

借助我校電工電子國家級實驗教學示范中心優(yōu)良的實驗教學條件[6],以培養(yǎng)學生探究創(chuàng)新能力為目標,融入CDIO工程教育模式的理念,以實驗教學體系、實驗室建設(shè)、實驗教學方法為改革主線,進行驗證性—設(shè)計性—綜合研究性實驗的多層面結(jié)合,實現(xiàn)單門課程實驗—課程群系統(tǒng)綜合設(shè)計—課外參與科研課題的階梯式推進,構(gòu)建包括基礎(chǔ)實驗平臺、專業(yè)綜合實驗平臺和創(chuàng)新實驗平臺的“三平臺、多層面”階梯式實踐教學模式,如圖2所示。該模式把課程教學的能力培養(yǎng)和知識目標劃分成若干個階梯式遞進的子目標,從簡單到復雜,從單一到綜合階梯式遞進,完成一個較大的目標,促進了知識向技能的轉(zhuǎn)化,單項技能向綜合素質(zhì)的轉(zhuǎn)化,也體現(xiàn)了CDIO大綱中對學生能力培養(yǎng)的要求[3-4,7]。

在“信號與線性系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”課程中課內(nèi)完成基于Matlab語言的多個基礎(chǔ)實驗,并在課后開展利用Matlab軟件進行綜合研究課題的探究式學習;在后續(xù)的“DSP原理與應用”課程中,除了完成基于CCS軟件和TMS320C54系列DSP匯編語言實現(xiàn)算法仿真的軟件實驗外,還開設(shè)了基于自制DSP教學系統(tǒng)的硬件實驗[8-9];在“語音信號處理”和“圖像處理”課內(nèi)是軟件實驗,在大四第一學期的3周“信息處理綜合實踐”中設(shè)置了開拓學生創(chuàng)新能力的基于DSP硬件進行語音或圖像信號處理的綜合設(shè)計性實驗。例如,基于DSP的語音信號頻譜分析和語音均衡器的設(shè)計、電話撥號音合成與識別、通信與語音信號采集與分析等,形成一個完整的信號處理課程群實驗體系,軟、硬件并重。同時在課外指導學生參加大學生電子設(shè)計大賽和科研訓練計劃,并通過讓學生模擬科研課題研究或直接參與教師的課題研究,來加強學生工程能力的培養(yǎng)。

圖2 “三平臺、多層面”階梯式實踐教學模式

2.4 建設(shè)與課程體系配套的精品教材

教材是教學思想與教學內(nèi)容的重要載體,是教學方法與經(jīng)驗的結(jié)晶,也是提高教學質(zhì)量的重要保證。沒有精品教材的精品課程嚴格來講不能完全合乎精品課程本身的要求。因此,建設(shè)精品課程,教材建設(shè)至關(guān)重要。

2.4.1 自編特色主教材

(1)面向工科電子信息通信類本科學生,著重基本概念、基本原理的闡述及各概念之間的相互聯(lián)系。既重視原理、概念和算法的講解,保持課程知識體系的完整性和系統(tǒng)性,又重視算法實現(xiàn)和實踐。

(2)自始至終結(jié)合Matlab軟件來闡述重要概念和基本原理,知識點敘述清楚易懂,并提供軟件演示程序及與實際結(jié)合密切的綜合性例題。

(3)內(nèi)含實驗章節(jié),并配有可作為實驗練習和上機考試復習的習題,理論與實踐結(jié)合更加緊密。

(4)與本書配套的有學習指導、電子教案、網(wǎng)絡課件等。

2.4.2 其他教材的建設(shè)

(1)“信號與線性系統(tǒng)”教材編寫完成了全部8章內(nèi)容,重點是連續(xù)信號與系統(tǒng)的分析,離散信號與系統(tǒng)的分析與“數(shù)字信號處理”教材做到了較好的銜接。即將由電子工業(yè)出版社出版。

(2)“圖像處理”教材《數(shù)字圖像處理》編寫了9章內(nèi)容,于2014年8月由中國礦業(yè)大學出版社出版。

(3)“DSP原理與應用”課程根據(jù)課程群內(nèi)容的優(yōu)化,完成了涉及語音信號處理等內(nèi)容的綜合實驗開發(fā),重新補充完善后編制了相應的實驗教材講義。

2.5 建立全方位的信號處理課程群教學網(wǎng)站,為學生提供自主學習平臺

課程網(wǎng)站資源建設(shè)是課程教學改革中最重要的“物”的因素,是實現(xiàn)現(xiàn)代教育思想與理念、推行現(xiàn)代教學模式與方法、革新教學內(nèi)容的有力載體和工具[12]。省級精品課程“數(shù)字信號處理”教學網(wǎng)站多年來一直掛在學校精品課程網(wǎng)站上供校內(nèi)外學生和教師使用, 2012年又進行了部分內(nèi)容的更新,其他4門課也都陸續(xù)建立了自己的網(wǎng)站。在此基礎(chǔ)上,進行了整合和關(guān)聯(lián),建立了電子信息類專業(yè)信號處理課程群教學網(wǎng)站, 自2013年3月起掛在我校信電學院網(wǎng)站上供學生使用。網(wǎng)址為http://siee.cumt.edu.cn/Signalgroup/。

課程群網(wǎng)站具有如下特點:

(1)建立的課程群教學網(wǎng)站,各課程網(wǎng)站既相對獨立,又相互關(guān)聯(lián),內(nèi)容豐富、全面,課程之間可實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享,并提供多種資源下載方式,使用方便。

(2)課程群5門課程都結(jié)合各課程特點,在網(wǎng)站制作方面突出本身特色,如表1所示。

表1 課程群5門課程網(wǎng)站特色

3 建設(shè)成效與交流

(1)融入CDIO理念,建立了“交織模塊化”信號處理課程群體系,整體優(yōu)化課程內(nèi)容,強化知識模塊的系統(tǒng)性和綜合性,并探索了多種教學和考核方式;依托國家級實驗教學示范中心,構(gòu)建了“三平臺、多層面”階梯式實踐教學模式,培養(yǎng)了學生探究、創(chuàng)新及綜合實踐能力。

(2)結(jié)合課程群建設(shè),發(fā)表相關(guān)教學研究論文10余篇,編寫出版教材和講義4部。其中,《數(shù)字信號處理原理及實現(xiàn)》(第2版)2013年被評為“十二五”江蘇省高等學校重點教材(第1版為江蘇省精品教材)。該教材得到學生的普遍認可。有學生評價道:“該書在學習過程中最大的特點就是通俗易懂,把深奧的數(shù)字信號處理的相關(guān)知識簡單化,運用了生動的圖像和Matlab實例,使我們學起來得心應手?！睋?jù)有關(guān)部門統(tǒng)計,主教材在全國40多所高校中廣泛使用。

(3)建立了優(yōu)質(zhì)信號處理課程群教學網(wǎng)站。網(wǎng)站內(nèi)容豐富、全面,課程之間可實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享,為學生提供自主學習平臺,方便師生在線交流。其中“數(shù)字信號處理網(wǎng)絡教學系統(tǒng)”和“《信號與線性系統(tǒng)》多媒體教學課件”分別在2009年和2013年獲得江蘇省高校優(yōu)秀多媒體教學課件二等獎。本課程群教學網(wǎng)站目前主要為本校電子信息類包括信息工程、電子科學與技術(shù)等專業(yè)本科生使用,5門課,每年26個班約800人使用,近3年來使用情況良好。有學生反饋:教學網(wǎng)站中包含了豐富的學習資源,網(wǎng)站設(shè)計實用,界面美觀、簡潔。網(wǎng)絡課程是主要學習資源,在上課時不明白、不清楚的地方,課后我們可以在重點難點、課程學習中找到詳盡的解釋。例題、習題和綜合測試都給予了詳細的解題過程,幫助我們鞏固知識,是我們學習的好幫手。

(4)培養(yǎng)了一支年齡結(jié)構(gòu)、學歷職稱層次合理的高素質(zhì)教師隊伍,促進了專業(yè)的建設(shè)和發(fā)展,學生的實踐能力和創(chuàng)新意識顯著增強。本課程群教師隊伍16 人,其中教授4人,副教授8人,講師2人,高級實驗師1人,實驗師1人,具有博士學位的教師占62.5%,已發(fā)展成我院信息工程“國家特色專業(yè)”和電子科學專業(yè)的核心教師骨干隊伍。近幾年指導學生獲得國家級科研訓練計劃4項、省級3項,獲得各類教學獎勵19項,其中指導學生獲得全國及江蘇省電子設(shè)計大賽獎及全國高校信息技術(shù)創(chuàng)新與實踐活動決賽獎8項,優(yōu)秀指導教師獎5項。例如,蔡利梅副教授指導學生結(jié)合“圖像處理”課程知識所做的課題“基于改進模糊聚類的腦部磁共振圖像分割方法”獲江蘇省高等學校優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計二等獎。團隊成員張申教授在堅持人才培養(yǎng)質(zhì)量統(tǒng)一要求的基礎(chǔ)上,鼓勵學生個性化、多樣化發(fā)展,強化學生的創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)。采用了CDIO方法教學,基于項目(Project)的學習取得明顯收效,深受學生的喜愛[13]。他指導的信息工程專業(yè)張娜等4位學生研制的編程作品“荷塘保衛(wèi)戰(zhàn)”,2012年獲第四屆普通高校信息技術(shù)創(chuàng)新與實踐活動決賽游戲程序開發(fā)組全國一等獎,指導教師張申也被評為優(yōu)秀指導教師。

(5)擴大推廣與交流。2012年5月王艷芬教授被邀請在教育部高等學校電子電氣基礎(chǔ)課程教學指導分委員會主辦的全國高校電子信息類基礎(chǔ)課程系列研修班(第6期)上做“數(shù)字信號處理江蘇省精品課程建設(shè)”的經(jīng)驗報告以及介紹江蘇省精品教材《數(shù)字信號處理原理及實現(xiàn)》的編寫思路,重點、難點分析等。2014年7月課程群建設(shè)負責人王艷芬教授再次被邀請在全國高校電子信息類基礎(chǔ)課程系列研修班(第10期)上做了“數(shù)字信號處理精品課程與電子信息類專業(yè)信號處理課程群的建設(shè)與實踐”的經(jīng)驗報告,重點介紹了信號處理課程群建設(shè)的具體做法以及江蘇省重點教材的編寫體會等,與其他高校的教師進行了廣泛交流。

References)

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[4]吳鳴,熊光晶.以工程能力培養(yǎng)為導向的工程教育改革研究[J].理工高教研究,2010,29(3):54-59.

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Construction and reform practice on curriculum group of signal processing for electronic information specialty

Wang Yanfen,Zhang Xiaoguang,Wang Gang,Cai Limei
(School Information and Electrical Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to give full play to the integral function benefit of curriculum group structure,the signal processing course group construction idea of the electronic information specialty is put forward,and the construction goal,contents and effects of curriculum group are introduced.The interleaving modular teaching experimental system in the curriculum group of signal processing courses,taking the“digital signal processing”as the core,is established.The teaching method is further reformed and optimized.The laddershaped practice teaching mode with three-platform and multi-level is constructed,and the excellent teaching material matching curriculum system is developed.The signal processing course group teaching website is also researched and established in order to provide full range of autonomous learning platform for students.Practice shows that it enhances the comprehensive and harmonious development of students including theoretical analysis ability,practice ability and innovation ability of engineering.

curriculum group of signal processing;excellent course;excellent teaching material; construction practice

G642.0

A

1002-4956(2015)4-0011-04

2014-09-16

江蘇省高等教育教改研究立項課題(2011JSJG273);教育部第六批國家特色專業(yè)建設(shè)項目(TS1Z293);中國礦業(yè)大學課程建設(shè)與教學改革項目(201208)

王艷芬(1962—)女,江蘇徐州,博士,教授,主要從事信號處理與通信方面的教學和科研工作.

E-mail:lszwyf＠163.com