面向卓越計劃的信號處理課程群的教學研究與實踐

摘要：信號處理課程群是通信與信息處理類專業的基礎課程，目前主要以理論教學為主，實踐環節深度不夠。根據“卓越計劃”的要求，從實踐教學和工程應用培養方面進行改革，建設信號處理課程群，突出工程應用。實踐表明，該課程群能形成持續高效的培養體系，教學效果得到了學生的一致好評。

關鍵詞：工程應用；課程群；信號處理；教學研究

作者簡介：劉慶華（1974-），女，四川南江人，桂林電子科技大學信息與通信學院，副教授；歐陽寧（1972-），男，湖南寧遠人，桂林電子科技大學信息與通信學院，教授。（廣西 桂林 541004）

基金項目：本文系廣西高等教育教學改革工程項目（2012JGZ11）、中國電子教育學會“十二·五”高等教育科學研究項目（ZDJ11209）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）31-0048-02

卓越工程師教育培養計劃（簡稱為“卓越計劃”）是教育部基于國務院《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》內容在2010年6月啟動的，其目的是全面提高工程教育人才培養質量。[1-3]

信號與信息處理是信息與通信工程領域一個發展和更新最快的學科之一。特別伴隨著微電子技術的突飛猛進，數字信號處理器（DSP）的更新步伐也越來越快，使得信號與信息處理理論與技術為通信、計算機應用提供了基礎理論、基本方法、實用算法和實現方案，其應用擴展到軍事、工業、通信等諸多領域，成為現代化技術的重要組成部分。信號處理課程群是相關專業卓越工程師必須掌握的核心技術。

目前，在“卓越計劃”方面，各高校根據自己的條件和環境進行了一些試點，但處于探索和嘗試階段，還沒有成熟、通用的成功經驗能夠借鑒。桂林電子科技大學（以下簡稱“我?！保┬畔⑴c通信學院各專業的教學目標是培養通信與信息處理類高素質工程應用人才。通過承擔廣西區新世紀教學改革工程項目，已經基本建立了信號處理課程群的框架，初步理順了各課程之間的關系。但該群各方面大多還是以理論教學為主，實踐環節深度不夠，學生并未能真正接觸到信號處理的工程應用，對于信號處理與應用主要知識的切身體會還不夠直接和深入，培養的學生不能夠適應實際企業生產的需求，更不能體現“卓越計劃”的培養目標。因此需要對實踐教學和工程應用培養模式進行改革和建設，進行課程結構體系調整，突出工程應用。分別從課程群培養方案、理論教學和實踐教學方面進行探討和實踐，通過多方位、各個環節的努力，建立一個培養高素質的應用型人才的持續、可靠、高效的培養體系。

一、信號處理課程群體系結構

通過梳理課程在人才培養方案中的地位和作用，分析課程的性質、相互關系以及課程間內容的銜接，構建“2+2”信號處理課程群結構，見圖1。其中，第一個“2”是指專業基礎必修課“信號與系統”和“數字信號處理”；第二個“2”是指專業限選課“DSP原理及應用”和專業必修實驗課“信號分析處理實驗”。

信號與系統分析課程為56學時，主要內容為連續時間系統的時域分析、周期信號的傅里葉級數、連續時間信號的傅里葉變換、拉普拉斯變換、系統的頻域和復頻率分析、離散時間系統的時域分析、z域分析等。

數字信號處理課程為48學時，主要內容為離散時間信號的傅里葉變換、離散傅里葉變換、FIR和IIR濾波器的設計等，采用的是外文教材。[4]

信號分析處理實驗為24學時，主要以MATLAB仿真為主，內容涉及信號分析與處理、系統分析與設計、信號處理應用三部分，[5]包括的主要實驗項目為基本信號的產生、序列的基本運算、抽樣定理、連續系統分析、離散系統分析、利用DFT分析信號頻譜、IIR數字濾波器設計、FIR數字濾波器設計、噪聲消除等。

DSP原理及應用課程為32學時，主要內容涉及硬件系統的體系結構和指令系統、開發工具和環境CCS軟件的使用。實驗包括DSP系統定時器及其應用、信號的采樣與回放、實時濾波、頻譜動態分析、語音信號的增強、圖像信號和視頻的處理等。

該課程群結構中，通過前后銜接、左右結合，建立縱向傳承、橫向互補的課程體系；突出理論基礎、工程應用、系統綜合的課程主線。基礎課程側重于研究信號與信息的獲取、基本分析方法等，為應用課程打下基礎。應用課程側重于信號與信息的處理實現技術及其在圖像、聲音、視頻等方面的應用?；贛ATLAB的信號分析處理實驗則貫穿其他三門課程。

二、課程群培養方案的制訂

制訂培養方案，為學生提供信號處理應用的良好實踐環境，并拓展學生就業途徑。通過深入企業調研，了解市場需要：嵌入式軟硬件開發工程師、銷售工程師、技術支持和培訓師等，能基于DSP及相關平臺進行技術開發設計，實現圖像、語音及視頻信息處理、嵌入式軟硬件件維護、調試以及產品技術說明書的編寫；算法工程師、管理工程師等，能應用信號處理知識實現圖像、語音、視頻（機器視覺）信號與信息處理算法編寫等。

將企業需求反饋到課程群培養方案、教學大綱、教學計劃。該課程群精選了四門課程，構成了信號與信息處理技術的基石。在此基礎上，開設了圖像處理技術、數字視頻技術、GPS導航等課程。這些課程考察信號處理技術實際應用和相關產品的研發，是課程群的延伸。

三、課程與教學資源的建設

課程與教學資源的建設上要體現基本理論和實際物理意義相結合，融入與理論相關的實驗仿真和實際應用的例子。

1.課程內容的調整與重組

全面理順各課程的關系，將“信號與系統分析”、“數字信號處理”的課程內容進行調整，提供給學生一個清楚明了的知識結構。以傅里葉變換為主線，從連續信號的傅里葉變換開始到快速離散傅里葉變換，涉及四個變換。相應的硬件設備從模擬頻譜分析儀到計算機MATLAB仿真、DSP實時實現。

2.課程中心的建設

“課程中心”是成果展示、課程管理、課程建設和師生互動的中心，包括課程介紹、教學大綱、教學團隊介紹、教學安排、教學內容、多媒體配套課件、學習資源、外文教材教學、習題測試、實踐教學、軟硬件參考資源庫等、工程實踐素材庫等，并開展作業、討論等網絡互動教學。

3.課程工具軟件的應用

MATLAB是一個高性能的數值計算和可視化工程數學軟件，是被認作進行高效研究、開發的首選軟件工具。將MATLAB融入課堂講授、演示、習題解答、課程設計和仿真實驗等所有教學環節中，增強以MATLAB為主要手段的例題、習題和仿真能力的培養，提高課程的生動性、形象性和趣味性。學生掌握了系統仿真的方法以后，不但加強了對所學課程的理解，同時還便于鉆研一些感興趣的問題，有利于學生進一步自學的要求。

四、研究性教學方法

課程群教學，在講解理論的同時注重與理論相關的實際工程背景的講解。不僅對相關基本理論知識進行細致的講解，更要加強知識的物理含義和實際應用的講解，使理論教學和實踐教學有機結合。

采用研究性教學方法，以課程內容和知識積累為基礎，引導學生運用知識和能力，自發地提出問題、研究問題和解決問題，在研討中達到學習及培養能力為目的的教學形式。如“數字信號處理”課程中離散傅里葉變換（DFT）是一個要點，也是難點，其含義指周期為N的離散時間序列的頻譜是周期也為N的離散譜。根據這一定義引導學生思考提問：為什么強調信號的時域和頻域的幅度都是“離散化的”，離散化結果對于用數值計算方法分析信號有何幫助，如何用DFT分析實際信號的頻譜。讓學生帶著問題來聽講，在講解中并不直接將答案全盤給出，而是引導學生思考答案由來的原因、理解推導過程，這樣會調動學生的參與意識，并留下深刻的影響。

五、工程項目和多層次實驗課程體系

信號處理課程群的實踐性非常強，收集、整理和研發與課程學習密切相關，貫穿整個課程群的工程項目。如基于DSP模塊，設計一個系統模塊，實現音頻、圖像或視頻數據采集、編碼、壓縮，并通過有線或無線網絡進行傳輸。本項目將考察和鍛煉學生綜合應用信號處理的離散化、壓縮編碼、微處理器實現等知識。

在實驗教學體系上形成三級技能培訓體系，即以MATLAB軟件仿真為主線設計“信號分析處理實驗”，并貫穿其他三門課程；以“DSP原理及應用”課程實驗為代表的綜合性應用硬件平臺實驗；以課程設計、生產實習、畢業設計等實踐教學環節為代表的綜合技能訓練。對學生進行由低層次到高層次的循序漸進的實驗教學，實驗內容由易到難，包含從驗證性到綜合設計性多個實驗層次，讓學生循序漸進經歷認知、實踐、探索全過程。學生在完成基本實驗基礎上可選擇難易不同的實驗內容，還可自行設計方案，通過實驗探索更多問題。依托與TI共建DSP實驗室，建設集教學、培訓和技術服務為一體的多功能實踐中心——DSP應用實驗實踐中心。教學與培訓的內容包括：DSP軟件開發技術、硬件開發技術、應用系統設計等，并為DSP軟硬件開發、各種應用方案（如DSP+FPGA系統、多DSP系統等）提供技術咨詢和服務。同時組織、培訓學生參加各類DSP大賽。

六、結論

以數字信號處理課程為核心，緊緊圍繞“卓越計劃”理論結合實踐的特點，遵循工程集成與創新特征，以強化工程實踐能力、工程設計能力與工程創新能力為核心，構建信號處理類課程體系，為電子信息類卓越工程師培養方面進行有益的嘗試和研究工作。

參考文獻：

[1]李江昊，常丹華，等.“卓越工程師計劃”試點班課堂教學改革與實踐——以數字電子技術基礎為例[J].教學研究，2012，35（1）：46-49.

[2]張文生，宋克茹.“回歸工程”教育理念下實施“卓越工程師教育培養計劃”的思考[J].西北工業大學學報（社會科學版），2011，31（1）：77-79.

[3]張安富，劉興鳳.實施“卓越工程師教育培養計劃”的思考[J].高等工程教育研究，2010，29（4）：56-59.

[4]Sanjit K.Mitra.數字信號處理：基于計算機的方法[M].第四版.闊永紅，譯.北京：電子工業出版社，2011.

[5]陳后金，郝曉莉，等.信號分析與處理實驗[M].北京：高等教育出版社，2006.

（責任編輯：王祝萍）