信號處理方向?qū)嵺`教學(xué)體系的改革與實(shí)踐*

劉鵬程 李春雷 張愛華 張茜

中原工學(xué)院電子信息學(xué)院 鄭州 450007

1 引言

信號處理方向主要培養(yǎng)能夠從事信號與信息處理系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)、應(yīng)用工作的應(yīng)用性高級工程技術(shù)人才。因此，實(shí)踐教學(xué)體系在學(xué)生動手能力培養(yǎng)方面發(fā)揮著重要的作用，是理論教學(xué)的補(bǔ)充和擴(kuò)展，同時(shí)又為科學(xué)研究工作打下基礎(chǔ)[1-3]。然而，在當(dāng)前信息處理技術(shù)日新月異的背景下，傳統(tǒng)的信號處理實(shí)踐教學(xué)體系已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足信息技術(shù)發(fā)展和高等教育對人才培養(yǎng)的要求。在這樣的前提下，研究國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域高等教育實(shí)踐教學(xué)特點(diǎn)，在中原工學(xué)院電子信息學(xué)院課題組多年信號處理系列課程實(shí)踐教學(xué)的基礎(chǔ)上，開展多樣化、綜合化、分層次、重創(chuàng)新的實(shí)踐教學(xué)[4-5]。

2 信號處理系列課程體系

信號處理課程組成員在調(diào)查和分析社會的需求以及國內(nèi)外知名院校教學(xué)改革方式的基礎(chǔ)上，對信號處理系列課程進(jìn)行了重大的改革，對信號處理方向系列課程的設(shè)置、銜接及教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行宏觀規(guī)劃，構(gòu)建了信號處理系列課程實(shí)踐教學(xué)體系，并將“信號與系統(tǒng)”“語音信號處理”和“數(shù)字信號處理”確定為本學(xué)科方向的核心課程，將“DSP技術(shù)與應(yīng)用”“隨機(jī)信號分析”“數(shù)字圖像處理”確定為實(shí)踐應(yīng)用體系課程，連同核心課程一起，制訂出方向理論課和方向?qū)嵺`環(huán)節(jié)。為培養(yǎng)具有信號處理綜合應(yīng)用能力的學(xué)生，進(jìn)行改革和實(shí)踐探索。信號處理系列課程體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，展示了該實(shí)踐教學(xué)體系中原理、方法和應(yīng)用有機(jī)結(jié)合的特點(diǎn)。該系列課程體系具有以下優(yōu)勢。

1）構(gòu)建了以“信號與系統(tǒng)”“語音信號處理”和“數(shù)字信號處理”為核心的實(shí)踐教學(xué)體系。在原理性課程中，重點(diǎn)講授概念、理論和方法；在應(yīng)用性課程中，重點(diǎn)講授軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用。

2）結(jié)合本學(xué)科方向新的教學(xué)和科研成果，使實(shí)踐教學(xué)體系更加優(yōu)化，更具學(xué)科前瞻性。在課程中積極引入設(shè)計(jì)實(shí)例，并注重體系課程之間的聯(lián)系與溝通，提升學(xué)生對“大信號”的理解能力。

圖1 信號處理系列課程體系結(jié)構(gòu)

圖2 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

基于信號處理方向課程體系的特點(diǎn)，課程組按層次遞進(jìn)地設(shè)計(jì)了一系列的實(shí)驗(yàn)課程，主要包括基礎(chǔ)理論實(shí)驗(yàn)與綜合實(shí)驗(yàn)。在設(shè)計(jì)過程中遵循如下原則[1]：加強(qiáng)理論基礎(chǔ)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，逐層深化，促進(jìn)理論與實(shí)踐一體化進(jìn)程。

按照上述設(shè)計(jì)原則，課程組共設(shè)計(jì)了4部分實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。前三部分為基于MATLAB的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，第四部分為基于DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

1）信號分析與處理。該部分的6個(gè)實(shí)驗(yàn)均為基本理論實(shí)踐，通過這部分實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以很好地將理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來。在信號與系統(tǒng)課程中，基本信號的產(chǎn)生、時(shí)域與頻域抽樣、窗函數(shù)的特性分析是最基本最重要的基本理論內(nèi)容。然后利用DFT分析連續(xù)及離散信號的功率譜，及隨機(jī)信號的功率譜分析。通過這部分基礎(chǔ)理論實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅掌握了重點(diǎn)基礎(chǔ)理論內(nèi)容，還對學(xué)習(xí)產(chǎn)生了興趣，增強(qiáng)了對知識點(diǎn)的理解。

2）系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)。該部分在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ)上，掌握對連續(xù)系統(tǒng)及離散系統(tǒng)的分析，并掌握各種濾波器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用以及優(yōu)化。

3）信號處理綜合應(yīng)用。該部分的6個(gè)實(shí)驗(yàn)是對基礎(chǔ)知識的應(yīng)用，主要有信號多速率變換及其應(yīng)用、希爾伯特變換與單邊帶幅度調(diào)制、語音信號的壓縮與回放、電話撥號音合成與識別、信號幅度調(diào)制與解調(diào)等。

4）信號處理軟硬件實(shí)現(xiàn)。這一部分主要培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，開發(fā)學(xué)生的潛力和工程創(chuàng)新意識，以DSP為硬件平臺，實(shí)現(xiàn)軟硬件設(shè)計(jì)。為學(xué)生參加全國電子設(shè)計(jì)大賽、“飛思卡爾”智能汽車比賽、全國“挑戰(zhàn)杯”等活動奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)體系中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)編寫出較為系統(tǒng)的信號處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。在編寫過程中轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路，注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)計(jì)，搭建功能強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)開發(fā)設(shè)計(jì)平臺，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。對本體系實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到很好的指導(dǎo)作用。

4 課程設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，較為系統(tǒng)地考查學(xué)生的理論知識和實(shí)踐水平，加強(qiáng)學(xué)生對信號處理基本原理、基本方法的掌握，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決問題的能力。課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容側(cè)重于信號處理的理論與技術(shù)的綜合應(yīng)用。

另外將DSP原理與應(yīng)用、語音信號處理和數(shù)字圖像處理等3門課程有機(jī)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)實(shí)際的系統(tǒng)。如要求學(xué)生在DSP硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)圖像處理的基礎(chǔ)算法，目的是讓學(xué)生掌握最基本的圖像處理技術(shù)，包括圖像的讀寫、直方圖處理（簡單變換和直方圖均衡化）、圖像平滑與增強(qiáng)、邊緣抽取、閾值化、基本二值形態(tài)學(xué)處理（腐蝕、膨脹、開、閉等）、離散傅里葉變換等重要的基礎(chǔ)知識點(diǎn)。并且要求在DSP實(shí)驗(yàn)平臺上，利用CCS圖像處理編程方法對圖像處理技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)題目里，能夠讓學(xué)生學(xué)會如何在CCS軟件上完成圖像處理的功能，即如何使用DSP芯片完成圖像處理的算法。

5 結(jié)論

根據(jù)信號處理課程體系的特點(diǎn)，將信號處理實(shí)踐教學(xué)體系設(shè)計(jì)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課程設(shè)計(jì)教學(xué)兩大部分，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)又分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及綜合實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了循序漸進(jìn)、由易到難、逐層深入提高的特點(diǎn)。通過該實(shí)踐教學(xué)體系的訓(xùn)練，學(xué)生不僅能掌握信號處理方向的基本原理、基本方法和基本技術(shù)，還能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到工程實(shí)際之中，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立分析、解決問題的能力和工程實(shí)踐創(chuàng)新能力。

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[3]李永全.數(shù)字信號處理課程設(shè)計(jì)的改革與探索[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2007,6(3)：101-103.

[4]張冬玲,于丹.數(shù)字信號處理課程設(shè)計(jì)改革[M]//中國電子教育學(xué)會高教分會2010年論文集，2010：57-59.

[5]李祖明,胡仁杰.綜合設(shè)計(jì)類課程建設(shè)的思考與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2008(12)：109-117.