“信號與系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”教學(xué)改革與實踐

王 玲, 許 可, 萬建偉

(國防科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 長沙 410073)

0 引言

“信號與系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”是我院開設(shè)的與信號處理系列課程配套的、本科必修的一門實踐課程，在信號處理課程體系中占有重要地位。該課程依托我院信號處理實驗室提供的實驗環(huán)境開展實施，課程要達到的三個目標(biāo)分別是知識目標(biāo)、能力目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)。

知識目標(biāo)就是通過這門課程的學(xué)習(xí)、實踐，使學(xué)生更加深入地理解和掌握所學(xué)的理論知識，探究實驗中所用到的理論算法；

能力目標(biāo)是指通過該綜合實驗，使學(xué)生提高運用知識分析和解決問題的能力以及工程實踐能力，系統(tǒng)了解從理論分析到仿真計算，再到工程實現(xiàn)的過程；

素質(zhì)目標(biāo)是指通過該綜合實驗，使學(xué)生形成良好的團隊協(xié)作精神，鍛煉其自主學(xué)習(xí)、獲取知識的能力，培養(yǎng)其嚴謹求實的工作作風(fēng)、良好的環(huán)境保護意識和用電安全意識。

該課程是在大三信號處理系列課程學(xué)習(xí)結(jié)束后，集中兩周時間在夏季短學(xué)期開展的，共36學(xué)時。在這個時間節(jié)點，學(xué)生已完成了基礎(chǔ)理論課程的學(xué)習(xí)和基本的課程實驗，具有一定的理論知識和實驗技能，有能力完成該綜合實驗課程。同時，該課程實施又為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計、工程實踐和科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)，該課程承前啟后的地位，如圖1所示。

圖1 “信號與系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”課程承前啟后的關(guān)系

1 課程的設(shè)計理念及實施過程

我院的“信號與系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”課程采用基于學(xué)習(xí)和實踐的項目PBLP(Project Based Learning and Practice)教學(xué)法，這是一種以實踐為導(dǎo)向、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)理念，它從職業(yè)發(fā)展變化的實際需要出發(fā)，選擇典型的項目為教學(xué)內(nèi)容，通過師生共同實施項目內(nèi)容進行教學(xué)活動；這種理念在項目任務(wù)完成過程中，能使學(xué)生積極地通過持續(xù)探索、團隊協(xié)作參與學(xué)習(xí)、自覺地進行知識建構(gòu)?；陧椖康慕虒W(xué)強調(diào)活動的實踐性，活動過程中強調(diào)密切合作，學(xué)習(xí)小組為完成任務(wù)共同努力。這些特點非常適合信號與系統(tǒng)綜合實驗的開展[4]。

課程在這一理念貫徹下，具體實施過程是參照科研項目的研究流程來進行的，由四個環(huán)節(jié)構(gòu)成，分別是選題立項、方案論證、組織實施和測試驗收，如圖2所示。由學(xué)生作為項目負責(zé)人帶領(lǐng)團隊成員切身體驗一下科研項目的研究過程，這不但為學(xué)生以后參加科研工作奠定基礎(chǔ)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生團隊合作精神。

圖2 綜合實驗課程的四個環(huán)節(jié)

(1)選題立項：我們首先發(fā)布綜合實驗課題，學(xué)生圍繞發(fā)布的實驗課題，通過查閱相關(guān)文獻、資料，了解課題研究背景，選定要完成的實驗課題；學(xué)生也可以選擇自己感興趣的信號處理領(lǐng)域的相關(guān)課題，與指導(dǎo)教師溝通、審定后作為實驗課題。我們已進行了3年的教學(xué)實踐，開設(shè)的部分實驗課題有：基于FFT的頻譜分析與測量系統(tǒng)的設(shè)計；音頻信號干擾抑制系統(tǒng)的設(shè)計；基于IIR濾波器的數(shù)字音頻混響器設(shè)計；數(shù)字音樂均衡器的設(shè)計；數(shù)字混頻及IQ轉(zhuǎn)換器的設(shè)計；基于多相濾波器的采樣率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計；時域重疊信號的分離及重構(gòu)實驗等；涉及數(shù)字圖像處理的實驗課題有：數(shù)字圖像的去噪處理；數(shù)字圖像直方圖統(tǒng)計及均衡化增強；數(shù)字圖像邊緣檢測；數(shù)字圖像的銳化、取反；圖像融合算法研究等。一般在2周的課程實施中會發(fā)布3-4個實驗課題，加上學(xué)生自選課題，就可以滿足需要了。例如：列出三個典型的實驗課題介紹如表1所示。

表1 部分實驗課題簡介

(2)方案論證：選定課題之后，以小組為單位(每個小組一般為2個學(xué)生)，學(xué)生要針對具體實驗課題進一步深入地學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識，明確選題的要求和目標(biāo)、需要完成的任務(wù)，從而設(shè)計完成任務(wù)的步驟、最終實驗結(jié)果的展示等；在本階段，還要求每個小組在規(guī)定的時間點上進行實驗方案匯報，以報告(presentation)的形式進行陳述。指導(dǎo)教師給出建議、點評，其他學(xué)生也可以提出問題進行交流。通過實驗方案匯報交流，對方案的可行性、工作量、難易程度等都有了較好的把控，這有利于實驗的順利進行，保證學(xué)生在有限的兩周時間內(nèi)完成實驗任務(wù)。

(3)組織實施：在前期準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，這階段要在實驗平臺上開展實驗。我們采用的是瑞泰ICETEK-VC5509A、DM6437A集成實驗平臺，由于在前期的課程實驗中，通過相關(guān)的基礎(chǔ)實驗已使學(xué)生快速熟悉、掌握這一實驗環(huán)境，學(xué)生對在該實驗平臺上開展綜合實驗課題是有信心的。學(xué)生根據(jù)實驗方案設(shè)計的步驟、按計劃進行研究，首先進行仿真實驗，利用Matlab編程完成實驗算法的仿真、實驗參數(shù)的調(diào)試以及實驗結(jié)果的分析、統(tǒng)計等；參考、利用實驗平臺資源提供的例程程序，根據(jù)仿真實驗結(jié)果，完成在硬件平臺的程序修改和編寫，對系統(tǒng)進行性能分析；比較仿真實現(xiàn)與硬件實現(xiàn)效果上的差異，提出改進措施；總結(jié)設(shè)計、調(diào)試過程，寫出實驗報告。

(4)測試驗收：在測試驗收階段，每組學(xué)生要求以PPT形式報告實驗內(nèi)容，并現(xiàn)場運行實驗結(jié)果，回答指導(dǎo)教師和同學(xué)的提問，講述遇到的問題、解決方法以及自己的體會和收獲。指導(dǎo)教師根據(jù)每個小組的課題的難易程度、預(yù)期目標(biāo)的實現(xiàn)情況、答辯情況和最終結(jié)果以及提交的總結(jié)報告等，最終確定各小組的成績。

基于學(xué)習(xí)和實踐的項目教學(xué)法，“信號與系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”整個實驗過程都是以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，以小組為團隊，相互協(xié)作，完成任務(wù)。

2 實施效果

經(jīng)過3年的建設(shè)發(fā)展，“信號與系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”已成為學(xué)生喜歡、收獲較大的實踐課程?；趯W(xué)習(xí)與實踐的項目教學(xué)法激發(fā)了學(xué)生對實驗課題的興趣，提高了學(xué)生在實驗過程中主動發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的積極性。這方面，從學(xué)生對該課程的評價和實驗心得體會中可以看出。例如，有的學(xué)生在實驗心得中寫到：“通過該實驗過程，在幾個方面收獲很大：①將四年所學(xué)到的一些知識串聯(lián)起來，需要用到的很多理論知識在我們先修課程中都能找到影子，因此為了能夠更好地理解，就需要自己去聯(lián)想和回憶已經(jīng)學(xué)過的知識；②對圖像邊緣檢測的理論知識和基本方法有了一定的掌握，設(shè)計實驗最重要的就是能夠在短時間內(nèi)學(xué)習(xí)一個新的知識并能夠?qū)崿F(xiàn)，在本次設(shè)計實驗中自己查閱了很多書籍和資料才搞明白了這個問題，雖然整個過程并不很順利，但是真正弄明白之后還是覺得很有成就感；③對CCS平臺能熟練使用，在較短的時間里學(xué)會創(chuàng)建工程、調(diào)試程序，讀懂相關(guān)例程，完成程序的修改，得到所預(yù)期的結(jié)果，并對比分析仿真結(jié)果與實際平臺的處理結(jié)果，了解一些在實際實現(xiàn)中可能遇到的各種影響。”

在實驗過程中，我們鼓勵學(xué)生自主設(shè)計課題、或?qū)υn題進行修改，對有想法、又能付諸實施的學(xué)生予以鼓勵和支持?；趯W(xué)習(xí)和實踐的項目教學(xué)法提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和動手能力，培養(yǎng)了團隊合作精神，調(diào)動每個人的聰明才智，共同克服困難，完成任務(wù)。這種實踐過程對后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計以及大學(xué)生電子設(shè)計競賽都起到了良好的促進作用。

3 結(jié)語

基于學(xué)習(xí)和實踐的項目教學(xué)法，非常適合“信號與系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”這門與信號處理系列課程配套的重要實踐課程，通過3年的探索實踐，學(xué)生普遍認為該課程進一步鞏固、加深了其對相關(guān)理論知識的理解，使其掌握了常用的分析方法和實現(xiàn)方法，提高了其綜合運用信號處理技術(shù)的能力，如信號分析技術(shù)、數(shù)字濾波器設(shè)計技術(shù)和DSP實現(xiàn)技術(shù)等，同時也挖掘了他們自身的潛力，并調(diào)動了其主觀能動性。

[1] 劉景福， 鐘志賢．基于項目的學(xué)習(xí)(PBL)模式研究[J]．長春：外國教育研究，2002，29(11)：18-22．

[2] 章雪梅． 基于項目的學(xué)習(xí)及其教學(xué)設(shè)計． 教育信息技術(shù)[J]．廣東：，2009，( 2) : 24-26．

[3] 朱金秀，陳小剛，朱昌平．項目式實驗教學(xué)的探索與實踐[J]．上海：實驗室研究與探索，2008，27(11)：93-95．

[4] 王立強,王曉萍，杜立輝. 基于項目學(xué)習(xí)和實踐的課程改革創(chuàng)新探索[J]. 上海：實驗室研究與探索，2012，31(4)：114-116．

補遺

本刊第38卷第5期(2016年10月)刊登的論文“用于電類專業(yè)綜合創(chuàng)新的教學(xué)實驗平臺”(作者：東南大學(xué)吳樂南)，漏注：江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項目(項目編號：PPZY2015A035),特此補遺。

電氣電子教學(xué)學(xué)報編輯部