地方院校信號(hào)處理課程群的建設(shè)與探索

李秀梅+董文+賈中云

[摘 要]信號(hào)處理課程群在電子工程專業(yè)人才培養(yǎng)中具有重要的作用。從分析目前信號(hào)處理課程群教學(xué)中存在的主要問題入手，通過信號(hào)處理課程群的課程體系建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)及虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，基于“講、讀、議、練”對(duì)分課堂的教學(xué)模式建設(shè)，實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)等手段，有效完成了地方院校信號(hào)處理課程群的建設(shè)與探索。

[關(guān)鍵詞]信號(hào)處理；課程群；課程體系；教學(xué)模式；講、讀、議、練

[中圖分類號(hào)] G643.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）08-0169-03

信號(hào)處理類課程是電子信息工程專業(yè)的核心課程，是信號(hào)與信息處理學(xué)科和碩士點(diǎn)建設(shè)發(fā)展的基礎(chǔ)支撐課程。其中信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理課程是學(xué)生考取信息處理類專業(yè)碩士研究生的主要專業(yè)課程?？梢哉f，沒有信號(hào)處理類課程的建設(shè)，便沒有信號(hào)與信息處理學(xué)科的建設(shè)。由于信號(hào)處理類課程之間關(guān)聯(lián)度較高，可采用信號(hào)處理課程群的模式對(duì)其進(jìn)行建設(shè)。[1] [2] [3]

我校信號(hào)處理類課程包括信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、DSP原理與應(yīng)用、數(shù)字圖像處理四門課程，組成信號(hào)處理課程群。上述四門課在教學(xué)時(shí)間安排上前后順接（后兩門課程可以安排在同一學(xué)期并行），且在內(nèi)容上承上啟下，相互關(guān)聯(lián)。其中信號(hào)與系統(tǒng)課程要求學(xué)生掌握信號(hào)與系統(tǒng)分析的基本原理與基本方法，理解信號(hào)處理的數(shù)學(xué)概念、物理概念及工程概念，是信號(hào)分析的基礎(chǔ)課程，為后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理、DSP原理與應(yīng)用、數(shù)字圖像處理等課程的學(xué)習(xí)打下良好的理論基礎(chǔ)。數(shù)字信號(hào)處理課程主要針對(duì)離散時(shí)間信號(hào)，采用數(shù)值計(jì)算的方法完成對(duì)信號(hào)的分析和處理。DSP原理與應(yīng)用是將數(shù)字信號(hào)處理的基本理論和算法付諸硬件實(shí)現(xiàn)，是理論聯(lián)系實(shí)際的硬件平臺(tái)。數(shù)字圖像處理則是將信號(hào)從一維分析上升到二維分析，是信號(hào)處理理論和實(shí)踐的具體應(yīng)用。上述課程既相互交叉重復(fù)，互不相同，卻又具有不可分割的內(nèi)在聯(lián)系。

一、目前信號(hào)處理課程群教學(xué)中存在的主要問題

（一）各課程間相對(duì)獨(dú)立，融合度不夠

在上述信號(hào)處理類課程的講授過程中，為保證每門課程體系的完整性，知識(shí)點(diǎn)的重復(fù)性和不相關(guān)性問題比較嚴(yán)重，授課內(nèi)容缺乏統(tǒng)籌安排，各課程主講人授課內(nèi)容缺乏系統(tǒng)性，既浪費(fèi)了學(xué)時(shí)，又加重了學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

（二）信號(hào)處理類課程理論性較強(qiáng)，較抽象難懂

由于信號(hào)處理類課程中數(shù)學(xué)公式和推導(dǎo)較多，僅僅通過課堂上的講授，學(xué)生無法較好地消化和理解課程中的概念與理論，從而也導(dǎo)致對(duì)課程的學(xué)習(xí)喪失興趣和信心。比如信號(hào)與系統(tǒng)容易被當(dāng)成數(shù)學(xué)課來教學(xué)，體現(xiàn)不出課程在學(xué)科中的意義。

（三）課程以教師課堂講授為主，學(xué)生參與性較差

目前信號(hào)處理課程群課堂教學(xué)中，多采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，即教師以多媒體或板書等形式進(jìn)行課堂講授，偏重于對(duì)概念與理論的講授。因而，學(xué)生參與性較差，很難能調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性，從而影響了學(xué)生對(duì)課程的掌握和理解程度。

（四）實(shí)踐教學(xué)體系不完善，實(shí)踐教學(xué)模式單一

目前信號(hào)處理類課程群中每門課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)只是針對(duì)本門課程，沒有形成循序漸進(jìn)、前后有機(jī)銜接、系統(tǒng)貫穿的專業(yè)技能培養(yǎng)鏈條，沒有樹立工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力的環(huán)境不完善；實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少，學(xué)生多在模仿中被動(dòng)接受知識(shí)學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練。

二、信號(hào)處理課程群建設(shè)

針對(duì)上述問題，考慮到信號(hào)處理課程群的特點(diǎn)，以優(yōu)化課程體系建設(shè)、推進(jìn)課堂教學(xué)模式改革、提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性為目標(biāo)，我們采用了如下的實(shí)施方案和方法，將“自主、協(xié)同、互動(dòng)”的教學(xué)理念具體落實(shí)。

（一）信號(hào)處理課程群的課程體系建設(shè)

在深入研究信號(hào)處理課程群中課程的相互聯(lián)系及實(shí)踐環(huán)節(jié)的前提下，在確保課程群體系完整性和系統(tǒng)性的同時(shí)，從信號(hào)處理基本內(nèi)容出發(fā)，對(duì)課程內(nèi)容重新規(guī)劃、設(shè)計(jì)，刪除課程間內(nèi)容的重復(fù)，實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容的優(yōu)化整合，從而達(dá)到節(jié)約課時(shí)、提高教學(xué)效率的目的。如信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理兩門課程中都包含離散信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域、Z域分析，可以把這部分內(nèi)容歸到數(shù)字信號(hào)處理課程中，避免重復(fù)授課。在課程群建設(shè)過程中，經(jīng)過課程群內(nèi)容重新定位與整合，整合后各課程的學(xué)時(shí)及基本內(nèi)容如下：

信號(hào)與系統(tǒng)課程共48學(xué)時(shí)，本課程主要在時(shí)域、頻域、復(fù)頻域（三個(gè)域）針對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)和連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)（兩個(gè)對(duì)象）進(jìn)行分析，要求學(xué)生掌握最基本的信號(hào)與系統(tǒng)理論及分析方法。

數(shù)字信號(hào)處理課程共64學(xué)時(shí)，本課程主要針對(duì)離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)，利用傅里葉變換、離散傅里葉變換、Z變換等方法進(jìn)行分析，以及利用IIR和FIR數(shù)字濾波器等手段進(jìn)行信號(hào)處理。課程安排中包括了16個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，主要利用Matlab進(jìn)一步深化課堂上學(xué)到的有關(guān)數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本原理以及基本的信號(hào)處理操作及濾波器設(shè)計(jì)方法，幫助學(xué)生加深對(duì)相關(guān)理論和方法的理解。

DSP原理與應(yīng)用課程共48課時(shí)，以美國(guó)TI公司的16位定點(diǎn)處理器TMS320C54x系列DSP為對(duì)象，講授DSP的原理、結(jié)構(gòu)及開發(fā)應(yīng)用，掌握DSP開發(fā)工具的使用及DSP匯編語言及C語言編程方法，熟悉TMS320C54x的硬件設(shè)計(jì)等。

數(shù)字圖像處理課程共48課時(shí)，要求學(xué)生掌握數(shù)字圖像的概念、類型，掌握數(shù)字圖像處理的基本原理和基本方法：圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像編碼、圖像的復(fù)原和重建，并利用Matlab實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生加深理解數(shù)字圖像處理的基本原理。

（二）信號(hào)處理課程群的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)及虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

建設(shè)課程群網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)課程群資源共享，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供平臺(tái)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)中主要包含課程理論教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、電子課件、教學(xué)錄像、例題及習(xí)題解答等，同時(shí)設(shè)有自我檢測(cè)、自由討論等功能，幫助學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和自我評(píng)價(jià)，并通過這種互動(dòng)、探究的學(xué)習(xí)過程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)習(xí)效果。

同時(shí)針對(duì)信號(hào)處理課程群理論性較強(qiáng)，較抽象難懂的特點(diǎn)，利用Matlab和Labview等工具，構(gòu)建可視化GUI演示系統(tǒng)，通過交互式演示，幫助學(xué)生更好地理解信號(hào)處理課程群中抽象的概念、原理及分析方法。目前，我們已初步完成基于Matlab的信號(hào)處理課程群GUI演示系統(tǒng)[4]，包括信號(hào)的基本運(yùn)算、連續(xù)信號(hào)的卷積積分運(yùn)算、離散信號(hào)的卷積和運(yùn)算、連續(xù)時(shí)間及離散時(shí)間線性時(shí)不變系統(tǒng)分析、采樣定理、周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)展開、濾波器設(shè)計(jì)等內(nèi)容。同時(shí)我們利用Labview實(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括基本信號(hào)的產(chǎn)生、信號(hào)的運(yùn)算、采樣定理、圖像處理、聲音采集以及濾波器設(shè)計(jì)等信號(hào)處理課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。[5]

（三）基于“講、讀、議、練”對(duì)分課堂的教學(xué)模式建設(shè)

“講、讀、議、練”對(duì)分課堂教學(xué)模式，是在“讀、議、練”教學(xué)模式[6] [7]的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況進(jìn)行了改進(jìn)，將“讀、議、練”放在教師的“講”之后，采取對(duì)分課堂的形式[8]，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的內(nèi)化和吸收，將課堂的一部分時(shí)間分給學(xué)生進(jìn)行討論，構(gòu)建有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和師生互動(dòng)的教學(xué)模式，把教師課堂教學(xué)和學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)和增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和探究性，提高學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的投入時(shí)間。

在“講、讀、議、練”對(duì)分課堂教學(xué)模式中，首先教師按照課程大綱和課程進(jìn)度的安排，采取多媒體課件與板書相結(jié)合的方式，對(duì)課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容和重點(diǎn)進(jìn)行講解，以理清知識(shí)體系為主，側(cè)重對(duì)重點(diǎn)難點(diǎn)的講解。教師完成講授以后，將與所講授課程內(nèi)容相關(guān)的閱讀材料告知學(xué)生，并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有效閱讀?！白x”還包括借助現(xiàn)有的MOOC平臺(tái)，如Coursera、Udacity、EDX等平臺(tái)；以及5-10分鐘內(nèi)就一個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性講解的音頻或視頻，即微課；另外還有一些微視頻，如TED、Khan、MITX等網(wǎng)站提供的微視頻等。這些新的教學(xué)平臺(tái)和手段，都可以讓學(xué)生在“讀”的階段去進(jìn)一步接觸和消化教師所講的知識(shí)點(diǎn)。在學(xué)生“讀”的基礎(chǔ)上，將學(xué)生按一定的人數(shù)進(jìn)行分組，開展課堂討論，通過抽簽的方式確定一組學(xué)生進(jìn)行講解，其他各組學(xué)生進(jìn)行提問，由學(xué)生相互討論解答一些問題，其他共同的問題則由教師給出解答，進(jìn)行生生互動(dòng)、師生互動(dòng)。最后是“練”，包括課堂練習(xí)如口頭回答和書面練習(xí)，以及課后練習(xí)如實(shí)驗(yàn)操作和綜合性作業(yè)，撰寫讀書報(bào)告等。

（四）信號(hào)處理課程群的實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)

根據(jù)為學(xué)生規(guī)劃的工程項(xiàng)目以及具體的工程技術(shù)要求，根據(jù)課程群內(nèi)課程的特點(diǎn)，建立系統(tǒng)貫穿的多層次實(shí)踐教學(xué)體系，有目的的設(shè)計(jì)各層次的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生能力的培養(yǎng)有一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，逐步達(dá)到工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面的鍛煉目標(biāo)。

信號(hào)處理課程群包括信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、DSP原理及應(yīng)用、數(shù)字圖像處理課程，除此之外，實(shí)踐體系還把學(xué)科競(jìng)賽、學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、短學(xué)期的課程設(shè)計(jì)包括進(jìn)來，根據(jù)課程特點(diǎn)，將整個(gè)體系分成三個(gè)層次：第一層次為工程認(rèn)知訓(xùn)練層，第二層次為綜合技能訓(xùn)練層，第三個(gè)層次為創(chuàng)新訓(xùn)練層。對(duì)于工程認(rèn)知訓(xùn)練層，合理設(shè)計(jì)驗(yàn)證性試驗(yàn)項(xiàng)目，增大設(shè)計(jì)性試驗(yàn)項(xiàng)目比例，如信號(hào)的基本運(yùn)算、采樣定理等；綜合技能訓(xùn)練層的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容是整個(gè)工程項(xiàng)目的核心組成部分，在教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)上充分利用好兩周時(shí)間的短學(xué)期做好課程設(shè)計(jì)，進(jìn)行圖像處理、語音處理等綜合性的實(shí)驗(yàn)，積極組織學(xué)生申請(qǐng)學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，系統(tǒng)規(guī)劃信號(hào)處理類課程的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容；創(chuàng)新訓(xùn)練層是學(xué)生個(gè)人能力、工程意識(shí)、人際團(tuán)隊(duì)能力以及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的最終體現(xiàn)，因此其重點(diǎn)落在學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)上，使學(xué)生能利用所學(xué)過的信號(hào)處理課程群的知識(shí)，運(yùn)用創(chuàng)新性思維，解決實(shí)際生產(chǎn)生活應(yīng)用中所出現(xiàn)的問題。

三、信號(hào)處理課程群建設(shè)的特色之處

（一）課程體系優(yōu)化

在確保課程群體系完整性和系統(tǒng)性的同時(shí)，以培養(yǎng)學(xué)生的分析應(yīng)用能力為目標(biāo)，從信號(hào)處理基本內(nèi)容出發(fā)，協(xié)調(diào)各門課程的教學(xué)內(nèi)容與重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)課程體系的優(yōu)化，充分體現(xiàn)課程群的相關(guān)性和整合性。

（二）理論問題可視化

通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、GUI演示系統(tǒng)、虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，將信號(hào)處理類課程群學(xué)習(xí)中理論性較強(qiáng)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多的問題可視化、形象化，提高學(xué)生對(duì)這些問題的理解和掌握，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。

（三）教學(xué)模式多樣化

通過“講、讀、議、練”對(duì)分課堂的教學(xué)模式，借助MOOC、微課、微視頻平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、獨(dú)立思考，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的鉆研問題和探究創(chuàng)新的興趣和能力。

（四）實(shí)踐教學(xué)體系工程化

建立完善的、階梯式前進(jìn)的、符合工程素質(zhì)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)規(guī)律的實(shí)踐教學(xué)體系，形成完整的實(shí)踐技能培養(yǎng)鏈條，規(guī)劃實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，改變實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)建立良好的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

四、總結(jié)

本文通過信號(hào)處理課程群的建設(shè)與探索，完善了信號(hào)處理課程群的課程體系建設(shè)，解決了現(xiàn)有課程教學(xué)中各課程彼此割裂、部分內(nèi)容相互重疊的問題；通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，解決學(xué)生在信號(hào)處理類課程學(xué)習(xí)中因理論性較強(qiáng)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多而使學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性不夠的問題；通過“講、讀、議、練”的教學(xué)模式，利用MOOC、微課、微視頻等平臺(tái)，解決目前課程教學(xué)中以教師為主體、采用課堂講授這一單一教學(xué)組織方式的問題，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、獨(dú)立思考，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、鉆研問題、探究創(chuàng)新的興趣和能力；通過建立完善的、階梯式前進(jìn)的、符合工程素質(zhì)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)規(guī)律的實(shí)踐教學(xué)體系，解決課程之間實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)、沒有形成完整的實(shí)踐技能培養(yǎng)鏈條、不利于培養(yǎng)工程意識(shí)的問題。

[ 注 釋 ]

[1] 歐陽繕，歐陽寧，劉慶華.信號(hào)處理課程群的建設(shè)與改革實(shí)踐[J].大眾科技，2008（11）：185-186.

[2] 李素文，王鳳隨，邵芬，楊一軍.電氣信息類專業(yè)信號(hào)處理課程群的建設(shè)[J].淮北煤炭師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（4）：80-82.

[3] 周小微，金寧，胡建榮.信號(hào)處理課程群教學(xué)改革的實(shí)踐與探索[J].中國(guó)電力教育，2011（1）：86-87.

[4] 李秀梅，董文，賈中云.基于Matlab的信號(hào)與系統(tǒng)課程GUI演示系統(tǒng)[J].大學(xué)教育，2014（9）：78-79.

[5] 吳湖青，李秀梅，孫晨林.基于Labview的信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].杭州師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（13）：669-672.

[6] 何菊芳，季誠(chéng)鈞.“讀、議、練”教學(xué)模式：基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的財(cái)政學(xué)課程教學(xué)改革[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2011（9）：59-60.

[7] 李秀梅，賈中云，董文.“讀、議、練”教學(xué)模式在“數(shù)字信號(hào)處理”課程中的應(yīng)用[J].工業(yè)和信息化教育，2014（5）.

[8] 張學(xué)新.對(duì)分課堂：大學(xué)課堂教學(xué)改革的新探索[J].復(fù)旦教育論壇，2014（5）：5-10.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]