“信號與信息處理”課程群教學改革研究

摘要：課程群建設是當前課程改革和建設的熱點。基于課程群內涵界定原則探討了“信號與信息處理”課程群教學改革研究。以“數字信號處理”課程為核心，在橫向上將“信號與系統”、“數字信號處理”和“DSP技術與應用”三門本科學歷教育課程有機整合，建立新的教學體系，并形成與之配套的教學模式及方法，使學生打牢寬廣扎實的信號處理基礎知識。在縱向上，改革建設“數字信號處理（本科）”、“數字信號處理（碩士）”和“現代數字信號處理”課程，使學生知識體系向縱深拓展，培養高端研究型人才。

關鍵詞：信號與信息處理；課程群；課程改革

作者簡介：歐陽華（1978-），女，湖北仙桃人，海軍工程大學電氣工程學院，副教授；楊忠林（1978-），男，江西九江人，海軍工程大學電氣工程學院，講師。（湖北 武漢 430033）

基金項目：本文系海軍工程大學2013年教育科研課題的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）19-0070-02

按照高等院校教育模式轉型的要求，人才培養模式正在由單專業崗位型向厚基礎寬口徑型轉變。為了適應這種轉變，高等院校的課程設置也應該進行相應的調整與改革。課程群教學方法正是對教學過程中的教育思想、課程體系、教學內容、教學方法等進行全面改革，對于培養21世紀高素質的新型人才具有重要而深遠的影響。

在海軍工程大學電氣電子類專業信號與信息處理類課程的本科、碩士、博士系列教學實踐中存在如下問題：部分課程內容有重疊，銜接不流暢，如“信號與系統”、“數字信號處理”課程均用較多的篇幅討論了z變換和抽樣定理；課程理論推導多，應用實例少，學生對課程的實用性產生疑惑；部分電氣類研究生在信號處理基礎知識的掌握上有欠缺，影響了后續學術研究的深度。基于以上教學過程中的實際問題，以學科專業的優化、課程體系的構建和學生知識結構的形成為目標，課題組進行了“信號與信息處理”課程群教學改革研究，在教育思想、課程體系、教學內容等方面取得了初步成效。

一、課程群內涵研究

課程群是與單門課程相對應的一種課程建設模式，國內高校進行課程群建設至今已有十多年的歷史。1990年，北京理工大學基于“在課程建設中應當以教學計劃的整體優化為目標”，提出要注重“課群”（課程群的早期稱謂）的研究與建設之后，一些高校陸續開展了雖名稱相同或相似但差異較大的課程群建設的實踐。為達成共識，提高課程群建設的質量，國內各高校教學管理人員及教師對課程群的內涵進行了理論探討。[1]一般認為，課程群是以單門課程為基礎，整合兩門或以上內容相關聯或程度逐步加深的課程組成一個結構合理、層次清晰、課程間相互連接、相互配合、相互照應的連環式課程群體。課程群具有兩大屬性：一是關聯性。課程群雖以課程間的知識、方法、問題等邏輯聯系為結合點，但在課程群建設未實施前，這一關聯尚屬內隱。伴隨課程群建設，這一關聯不斷外化，并在實際教學中促使學生的認知遷移達到貫通。二是整合性。課程群通過對課程的重新規劃、設計填補原先課程間的空白，刪除原先課程間的重復內容，體現群內一門課程對另一門課程的意義，并使學生更好地把握一門課程與其他課程以及整個課程群的關系，從而達到整體大于部分之和的效益。

基于課程群內涵界定原則，需要建設“信號與信息處理”課程群。通過對課程的重新規劃、設計填補原先課程間的空白，刪除原先課程間的重復，體現群內一門課程對另一門課程的意義，并使學生更好地把握一門課程與其他課程以及整個課程群的關系，從而達到少學時的整體教學效果大于多學時分散式多課程的教學效果。具體而言，課程群以“數字信號處理”課程的基本理論為核心，在橫向上將“信號與系統”、“數字信號處理”和“DSP技術與應用”三門本科學歷教育課程進行有機整合，優化實驗課程內容，建立新的教學體系，并形成與之配套的教學模式及方法，使學生打牢寬廣扎實的信號處理基礎知識，并從理論學習上升到實際應用，形成完整的系統概念，掌握便捷的分析與設計方法，有效培養學生獲取新知識、應用新知識的能力，從而全面提高學生的素質。縱向上，改革建設“數字信號處理（本科）”、“數字信號處理（碩士）”、“現代數字信號處理（博士）”和“DSP技術與應用”課程，使學生知識體系向縱深拓展，培養高端研究型人才。課程群結構框圖如圖1所示。

圖1“信號與信息處理”課程群結構框圖

二、課程體系的改革

1.本科學歷教育的橫向課程建設

設計的課程群的本科階段包含“信號與系統”、“數字信號處理”和“DSP技術及應用”三門課程。“數字信號處理”是信息科學的重要組成部分，是工科專業的共同基礎。“信號與系統”是“數字信號處理”課程的前導課，也是連接信息處理領域理論與應用的重要基礎課程。“DSP技術與應用”講授數字信號處理器的軟硬件開發，屬于實踐與應用課程。三門從理論學習上升到實際應用，形成相互連接與照應的整體。

根據授課對象的不同進行有針對性的體系建設。海軍工程大學“信號與信息處理”課程群的本科授課對象有兩類：一類是電子、通信類專業；一類是電氣、控制類專業。電子、通信類專業信號處理的對象主要是弱電信號，對理論深度的要求比較高，因此分別開設了70學時的“信號與系統”課程和50學時的“數字信號處理”課程，課程設計時注重理論計算法的深入探討，更新、增加應用實例（例如調制解調），加強在通信、雷達、聲納等傳統信號處理領域中的應用分析，拓寬學生視野。“DSP技術與應用”課程以TI公司的C5000系列芯片為對象，以語音處理的實現為實踐內容，講授DSP的應用。

電氣、控制類專業屬于強電領域，信號處理在該領域的應用屬于交叉學科，對信號處理的理論深度要求稍低，在課程設置時沒有將“信號與系統”作為先導，同時將“數字信號處理”擴充為60學時。首先用16個學時給學生補充信號分析與系統分析的相關基礎知識，并適當降低知識點的理論深度，注重實際應用（如濾波器設計中直接講授濾波器設計指標和MATLAB設計方法，略去理論分析）。另外，電氣控制類專業涉及的強電信號頻率相對較低，信號幅值較高，而且多為緩變信號，對信號的采用頻率、算法的精度、實時性要求不高。在實際講授中，著重強調傅氏變換在頻率測量方面的應用，略去拉氏變換在電路求解方面的應用，加強數字部分，將狀態空間移至”自動控制原理”課程講授。為改革課程使之更切合電氣控制類專業，編寫了適合該類專業的信號處理入門基礎課程教材《數字信號處理》，[2]并于2011年5月由機械工業出版社正式出版，目前已經在兩屆學生中使用，學生反映教材深入淺出，理論聯系實際效果好。相應的“DSP技術與應用”課程以TI公司的C2000系列芯片為對象，以馬達控制的實現為實踐內容，講授DSP的應用。

2.本科及研究生教學的縱向課程建設

現代數字信號處理是一門發展迅速的前沿交叉性學科，它在經典的數字信號處理的理論和算法方面進一步擴展，其基本內容一般分為碩士和博士兩個階段講授。碩士講授內容一般為最小二乘濾波器、自適應濾波器、功率譜估計和同態信號處理，博士講授內容一般為高階譜估計、短時傅里葉變換、小波變換、維格納分布和多速率信號處理。

同樣地，由于學科發展的歷史原因，現代數字信號處理大部分教材在內容、深度以及聯系實際應用等方面基本上以通信、電子類專業研究生為研究對象，而極少以電氣自動化和機械工程專業研究生為對象。為滿足電氣自動化和機械工程類專業研究生（碩士、博士）對現代信號處理技術的需求，編寫了《高等數字信號處理》教材，[3]作為碩士研究生“數字信號處理”和博士研究生“現代信號處理”的教材。該教材為普通高等教育電氣工程與自動化類“十一五”規劃教材，以研究生水平的數字信號處理內容為主，適當兼顧與本科數字信號處理內容的銜接，并導論性地介紹信號處理技術的最新發展成果，使學生既打牢基礎又有發展空間。

三、實驗體系建設

基于“信號與信息處理”課程群建設的總體計劃和建設目標考慮，學校在2007年建設了“信息處理基礎實驗室”，以該實驗室為實驗平臺，將“信號與系統”、“數字信號處理”和“DSP技術及應用”三門課程的實驗內容整合，并編寫了《信號分析與處理實驗》講義。實驗體系的建設實現了基本原理與工程應用的有機結合，軟件仿真與硬件實現的有機結合。實驗內容的設置圍繞信號分析與處理、系統分析與設計、信號處理綜合應用和信號處理軟硬件實現四個層面展開。軟件實驗基于MATLAB仿真環境，作為“信號處系統”和“數字信號處理”課程實驗內容，側重于信號處理算法的仿真和系統的模擬，以加強學生對基本概念的理解，初步培養學生利用信號處理理論分析和解決實際問題的能力。硬件實驗基于TI公司的TMS320C5x和TMS320C2x開發環境，作為“DSP技術及應用”課程實驗內容，側重利用DSP系統資源實現信號實時分析和處理，培養學生數字信號處理系統的開發應用能力。

四、與時俱進，改革教學內容

在教學內容改革上，理論上以當代信息科學的觀點講授經典理論；實踐上突出工程應用軟件的應用，突出信號處理技術在電氣電子工程中的應用。課程教學內容的改革經驗主要表現在如下方面：

1.考慮專業的特點，既精選內容避免重復又注意內容的銜接

離散信號的z變換、抽樣定理在兩門理論課程均有體現，內容重疊且深淺不一致。根據電氣、電子專業對理論深度要求的差異，在教學中合理安排該內容在相關課程出現的位置和學時，并注意和前后內容的連貫。

2.拓寬知識面，增加授課信息量，注重經典理論與現代技術的結合

課程教學效果成敗的關鍵不在于學生認識和記憶了多少定義、定理的條文，而應注重正確引導學生運用數學工具分析典型的物理問題。[4]隨著信息科學理論與實踐研究的迅速發展，對于許多經典理論的認識需要補充、修正或以新的觀點來審視。在剛開始建立信號傳輸概念時，從全球定位系統、個人通信技術和國際互聯網等實例引入，營造了當代信息科學飛速發展的濃厚氣氛。又如，按照傳統的觀念，帶通濾波器的作用主要是針對頻移信號的檢測。這種系統按需要設計之后無需改動頻率參數。而從當代信息科學的觀念來看，必須以窗函數理解各種帶通的作用，而且許多帶通問題要求頻率參數隨時可以靈活調節，小波變換即是這種應用實例。對于電氣專業，增加介紹信息流、能量流、管理流互動的智能電網的概念，實現電氣電子的交叉融合。

3.理論聯系實際，注重培養學生解決問題的能力

注重講清基本概念和方法，介紹信號處理技術的應用，而不是過分強調數學公式的推導和證明。例如，在講解相關分析部分時介紹其在噪聲消除中的應用；介紹頻譜分析時，注重其在頻率測量、諧波檢測、故障診斷中的應用。教學內容中介紹了用MATLAB語言實現信號處理算法，培養學生解決實際問題的能力。

五、結束語

結合學校課程設置實際和多年的教學經驗提出了“信號與信息處理”課程群的研究內涵，突破了以往課程建設多以本科同層次課程組合的模式，建立了本科-碩士-博士不同層次課程的綜合優化銜接的縱向模式。課程群既包含密切相關、相承、滲

透、互補性的三門本科課程組合而成的有機整體的橫向課程，又包含層次清晰，課程間相互銜接的深入拓展的三門縱向課程。

課程改革與建設是一個需要持之以恒而又與時俱進的工作，其間總會產生新的問題，形成新的看法，以后將進行進一步研究討論，做好教書育人工作。

參考文獻：

[1]馬賽，李方能，吳正國，等.《信號與系統》課程群的建設與教學改革探索[J].高等教育研究，2010，33（1）：102-103.

[2]尹為民，歐陽華，錢美.數字信號處理[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3]吳正國，尹為民，侯新國，等.高等數字信號處理[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]鄭君里.教與寫的記憶——信號與系統評注[M].北京：高等教育出版社，2005.

（責任編輯：劉輝）