信號處理課程群實驗教學體系的構建

王艷芬，張劍英，張曉光，蔡利梅

(中國礦業大學 信電學院，江蘇 徐州221116)

0 引 言

為了適應當今社會學科之間相互滲透和交叉的發展和變革，需要構建21 世紀人才培養所需的新的課程體系，充分發揮課程群結構整體功能效益［1-2］。因此，近年來不同專業都出現了課程群的建設項目和建設成果［2-5］。比如，東南大學信息學院在2002 年就獲得江蘇省信號與信息處理優秀課程群獎，其在信號處理領域的影響力一直在全省名列前茅。2007 年重慶大學承擔了重慶市高等教育關于信息類專業信號與信息處理課程群改造與建設的研究項目，重組、整合和優化課程教學內容，構建了新的課程體系，建立了電子信息類專業信號與信息處理課程群［2］。包括信號與系統、數字信號處理、隨機信號分析、計算機圖像處理、DSP 技術等課程。

基于電子信息類專業信號處理類課程內容的緊密關系，結合我校專業課程設置特點，提出將“信號與線性系統”、“數字信號處理”、“DSP 原理與應用”、“語音信號處理”和“圖像處理”5 門課構成信號處理課程群進行綜合優化建設。

信號處理課程群在教學時間安排上前后順接，且在內容方面承上啟下，相互關聯。其中“信號與線性系統”是信號分析基礎課程，主要學習連續和離散時間信號通過線性時不變系統的基本理論和基本分析方法，是“數字信號處理”重要的前修課程;“數字信號處理”課程是在前修課的基礎上重點學習離散傅里葉變換理論、FFT 頻譜分析、數字濾波器設計等數字信號處理技術;“DSP 原理與應用”是將“數字信號處理”的基本理論和算法付諸實現的途徑和方法，是一門實踐性很強的課程;“語音信號處理”主要學習語音信號處理的基礎知識、語音信號的各種分析和處理技術及其應用。“圖像處理”是將信號從一維分析上升到二維分析，是信息處理中十分活躍的一個分支，也是信息處理的重要應用。上述課程既相互交叉，互不相同，各自獨立設課，卻具有不可分的內在聯系，如果配合不好，就不能形成一個有機的整體。

1 融入CDIO 理念，建立樹狀交織模塊化課程

1.1 融入CDIO 理念，優化課程體系

CDIO 以產品研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間存在有機聯系的方式學習工程。CDIO 理念是:充分利用大學學科齊全、學習資源豐富的條件，以盡可能接近工程實際涉及技術、經濟、企業和社會的團隊綜合設計大項目為主要載體，結合專業核心課程的教學，使學生在CDIO 的全過程中不斷地在工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力4 個方面得到全面的訓練和提高［6］。

圍繞培養學生創新能力，融入CDIO 工程教育模式的理念，科學規劃、重組信號處理相關課程，構建信號處理課程群。協調各課程之間的內容，調整結構體系，注重課程邏輯順序與銜接，統一編寫各門課程教學大綱，使課程群中各門課程知識系統化。同時，按知識點的遞進，增強實驗體系建設，調整實踐課程比例，加強創新型綜合性實驗或課程設計。同時，將各課程中的重疊部分內容進行合理銜接、自然過渡［7］。結合新的培養計劃的制定，重新修訂課程教學大綱，使課程群教學內容具有良好的連續性、系統性，知識結構更加合理。做到前后課程銜接好，左右課程結合好，以重視基礎理論—強化軟硬結合—突出應用實踐為主線，建立縱向傳承、橫向互補的課程體系。

1.2 樹狀交織模塊化課程體系

信號處理課程群5 門課中，“信號與線性系統”、“數字信號處理”是2 門關聯性很強的專業基礎課，是信息類專業的骨干核心課程，屬于課程群中的基礎理論部分，組成基礎模塊，也是我們重點建設的課程;而“DSP 原理與應用”，又是“數字信號處理”課程理論的硬件實現，是理論聯系實際的硬件平臺，所以“數字信號處理”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，構成“樹狀交織模塊化”課程體系，如圖1 所示。其中“數字信號處理”在前兩個模塊中有交織，也體現了“數字信號處理”課程的重要地位。因為該課程具有理論性、實踐性、應用性強的特點，在高校電子信息類專業的課程體系中占有十分重要的地位，其教學教改模式對于其它類似的專業基礎課具有重要的參考借鑒價值。經過多年的改革實踐，我校的“數字信號處理”課程建設取得較好成績，2010 年被評為江蘇省精品課程。因此以精品課程建設為龍頭，必將會帶動課程群其他課程的改革與建設。

圖1 樹狀交織模塊化課程體系

2 構建三平臺、五層面階梯式實踐教學模式

2.1 實踐教學模式的構建

實驗教學改革與建設是課程群建設的重要組成部分。課程群的5 門課程均在我院的電工電子實驗教學中心和專業實驗中心來完成，該中心在2009 年被評為國家級實驗教學示范中心。此實驗室不僅面向學生的課程實驗進行開放，而且配有創新實驗室，面向課程設計、課外實踐活動、畢業設計等環節開放。另外，配合數字信號處理課程的實踐，還設置了數字信號處理(DSP)硬件實驗室，內含32 臺我們自己開發的TMS320C54 系列DSP 硬件實驗裝置，可以滿足同學們開展課外實踐動手活動，進行大學生科技訓練項目以及做DSP 相關的畢業設計課題等，該DSP 硬件實驗室與數字信號處理實驗室相互依存和補充。

借助國家級示范中心優良的實踐條件，以培養學生探究創新能力為目標，構建多層面階梯式實踐教學模式，并融入CDIO 工程教育模式的理念，以實驗教學體系、實驗室建設、實驗教學方法為改革主線，進行驗證性—設計性—綜合研究性實驗的多層面結合，實現單門課程實驗—課程群系統綜合設計—課外參與科研課題的階梯式推進，建立包括基礎平臺實驗、課程群系統綜合實驗和創新研究型實驗等方面的實踐教學體系，如圖2 所示。

圖2 三平臺、五層面階梯式實踐教學模式

2.2 實踐教學模式的涵義及實現

圖2 中，基于3 個平臺的實驗課程體系分為5 個層面:基礎驗證性實驗、設計性實驗、綜合性實驗和課程群系統綜合實驗以及課外創新實驗。這5 個層面依次遞增，構成階梯式實踐教學模式。所謂階梯式實驗模式是指把課程教學的能力培養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，以完成一個較大的目標。

(1) 基礎實驗室平臺。在基礎實驗室平臺完成單門課程基礎實驗，主要開展驗證性、設計性和綜合性3個層面的實驗內容。

基礎驗證性實驗，目的是加深學生對理論課程基本概念、基本原理等教學內容的理解，重點是對學生所學課程相關學科的基本實驗技能和動手能力的培養;

設計性實驗，是指給定實驗要求和條件，由學生自行設計實驗方案并加以實現的實驗，側重對學生專業技能掌握和分析問題、解決問題的能力的培養;

綜合性實驗是在學生具有一定基礎實驗知識和基本操作技能的基礎上，運用某一課程或多門課程的知識和實驗方法進行綜合訓練的一種實驗［8］。

在基礎實驗室平臺完成的一般是指一些傳統實驗，多數是驗證性實驗，設計和綜合實驗較少。

(2) 專業綜合實驗室平臺。利用專業綜合實驗室平臺將課程群多門課程的知識綜合在一起，實施一個較大型的綜合性設計實驗。即在該平臺實現第4 層面的課程群系統綜合設計實驗。根據信號處理課程群的特點，這5 門課程基本上都要用到信息處理仿真語言Matlab，因此首先設置基于軟件編程的綜合實驗，在此基礎上增加開拓學生創新能力的DSP 硬件與語音和圖像處理相結合的綜合設計性實驗。例如，基于DSP的語音信號頻譜分析和語音均衡器的設計等。即圍繞信號處理這個核心，突出Matlab 軟件仿真和DSP 系統硬件實現的兩條主線，并貫穿在整個實踐環節。

(3) 創新研究實驗室平臺。利用創新研究實驗室平臺完成課外創新實驗，這是一種更高層面(第5 層面)的實驗。通過課外指導學生參加大學生電子設計大賽、參加教師科研課題和參加國家、省、校科研訓練計劃等形式，將課程群的建設延伸到課外，加強學生對專業應用能力、工程推理和解決問題能力的培養以及團隊協作能力、創造性能力的培養。

構建的三平臺、五層面的階梯式實驗體系促進了知識向技能的轉化，單項技能向綜合素質的轉化，也體現了CDIO 大綱中對學生能力培養的要求［9-10］。

在“信號與線性系統”、“數字信號處理”課程中以Matlab 語言為工具課內完成多個基礎實驗，并在課后開展關于Matlab 軟件綜合研究課題的探究性學習［11-13］;在后續課“DSP 原理與應用”課程中，除了完成基于Matlab 語言和TMS320C54 系列DSP 匯編語言實現算法仿真的軟件實驗外，還開設了DSP 系統實驗等硬件實驗［14-15］;在“語音信號處理”和“圖像處理”課內是軟件實驗，在大四第一學期的“信號處理綜合實驗”中設置了開拓學生創新能力的DSP 與語音和圖像處理相結合的綜合性、設計性實驗等內容，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，加強了學生能力的培養。自2008 年以來，本課程群老師直接指導的學生獲得國家級科研訓練計劃3 項、省級2 項，獲得電子設計大賽全國一等獎2 項、二等獎3 項，江蘇省一等獎1 項、二等獎2 項，機器人大賽國家一等獎3 項。另外，指導的學生結合“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”獲江蘇省普通高等學校優秀畢業設計二等獎。

3 結 語

根據我校專業設置特點，提出將“信號與線性系統”、“數字信號處理”，“DSP 原理與應用”，“語音信號處理”和“圖像處理”5 門課構成信號處理課程群進行建設，圍繞學生創新能力培養，協調各課程之間的關系，打破課程與課程之間傳統的單維關系，互為補充、相互關聯，以“點”形成“面”，建立了逐層遞進、整體優化的樹狀交織模塊化課程體系，更加符合信息社會對學生知識結構和能力結構的需要;依托國家級教學實驗示范中心，構建了三平臺、五層面階梯式實踐教學模式。這對整個專業建設起到非常重要的作用，更加有利于培養創新型的高素質人才。

［1］ 郭必裕. 對高校課程群建設中課程內容融合與分解的探討［J］.現代教育科學，2005 (2):66-68.

［2］ 朱冰蓮，印 勇，方 敏，等.電子信息類專業信號與信息處理課程群建設［J］. 高等理科教育，2008(5):47-49.

［3］ 曾慶軍，徐紹芬，韋中利，等. 自動化專業控制類課程群實驗教學改革［J］. 實驗室研究與探索，2006，25(5):632-634.

［4］ 洪小娟，楊小進，黃衛東. 依托課程群構建信管專業模擬實驗平臺［J］. 實驗室研究與探索，2011，30(4):130-133.

［5］ 陳 怡，吳鎮揚. 加強課程整合 繼續深化改革——東南大學電子與電氣信息類人才培養改革項目的指導思想與進展情況［J］.電氣電子教學學報，2003，25(2):6-8.

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

［7］ 賀科學.基于CDIO 的信號處理課程群教學改革的探討［J］. 電氣電子教學學報，2010，32(增刊):98-100.

［8］ 王天仕，宋純鵬，尚富德，等. 構建能力培養型實驗教學新體系［J］. 實驗室研究與探索，2011，30(5):97-100.

［9］ 康全禮，陸小華，熊光晶.CDIO 大綱與工程創新型人才培養［J］.高等教育研究學報，2008，31(4):15-18.

［10］ 郭 皎，鄢 沛，應 宏，等.基于CDIO 的計算機專業實驗教學改革［J］. 實驗技術與管理，2011，28(2):155-157.

［11］ 王艷芬，張曉光，李 劍. 加強MATLAB 實踐環節，促進研究性課程教學改革［J］.實驗技術與管理，2010，27(11):111-123.

［12］ 王艷芬，王 剛，張曉光，等.“數字信號處理”精品課程建設探索［J］.電氣電子教學學報，2011，33(2):22-24.

［13］ 王艷芬，張曉光. Matlab 實踐在《數字信號處理》教學中的應用［J］.實驗科學與技術，2012，10(5):108-110.

［14］ 劉衛東，卜 麗. DSP 實驗課程教學研究與探索［J］. 實驗技術與管理，2012，29(3):170-172.

［15］ 劉衛東.《DSP 原理與應用》實驗教學改革研究［J］. 實驗科學與技術，2012，10(1):84-85.