通信工程專業(yè)信號處理課程群教學(xué)改革研究＊

鄧 莉 孫山林 李歐迅

(桂林航天工業(yè)學(xué)院 廣西桂林 541004)

一、通信工程專業(yè)進(jìn)行信號處理課程群建設(shè)的必要性

為適應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，教育部在2007年下發(fā)的《關(guān)于進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》(教高〔2007〕2號)中提到，必須從綜合優(yōu)化的角度開展課程體系及教學(xué)內(nèi)容的改革，建立與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展相適應(yīng)的課程體系，課程群建設(shè)即是上述綜合優(yōu)化式的教學(xué)改革方式之一。所謂“課程群”，即是指將若干具有關(guān)聯(lián)性與銜接關(guān)系，能夠相互支撐、補(bǔ)充或強(qiáng)化的單門課程通過優(yōu)化整合后形成的課程群體［1］。

自1990年北京理工大學(xué)首次提出“課群”(課程群的前期稱謂)的概念開始［2］，國內(nèi)高校相繼開展了各類課程群的教學(xué)改革與建設(shè)，最近幾年呈現(xiàn)迅速發(fā)展的態(tài)勢，涌現(xiàn)出許多優(yōu)秀的課程群建設(shè)案例。以信號處理課程群為例，如2008年重慶大學(xué)信號與信息處理課程群建設(shè)［3］，2010年長沙理工大學(xué)基于CDIO的信號處理課程群教學(xué)改革［4］，2012年安徽建筑工業(yè)學(xué)院基于創(chuàng)新實踐體系的信號處理課程群建設(shè)［5］，以及2013年中國礦業(yè)大學(xué)樹狀交織模塊化信號處理課程群體系［6］等。這些案例大部分是針對電子信息專業(yè)或電氣信息大類專業(yè)進(jìn)行建設(shè)，具有一定的普適性;由于各專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)略有不同，在課程設(shè)計及教學(xué)重點(diǎn)上也存在一定差異。

以電子信息工程專業(yè)與通信工程專業(yè)在信號處理類課程設(shè)置上的區(qū)別為例，電子信息工程專業(yè)的信號處理課程群一般設(shè)置有信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、語音信號處理、數(shù)字圖像處理、DSP技術(shù)和嵌入式技術(shù)等，這些課程大多都屬于電子信息工程專業(yè)的核心主干課程，課時量大，邏輯銜接非常緊密，其中信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理屬于基礎(chǔ)類課程，語音信號處理和數(shù)字圖像處理屬于應(yīng)用類課程，而DSP技術(shù)和嵌入式技術(shù)屬于實現(xiàn)類課程。上述課程設(shè)置方式與文獻(xiàn)［3］－［6］的課程群建設(shè)方案基本一致，可以將其作為電子信息工程專業(yè)信號處理課程群設(shè)置的參考范例。而通信工程專業(yè)的信號處理類課程中通常僅有信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理屬于核心主干課程，由于信號處理技術(shù)的應(yīng)用與實現(xiàn)并不屬于通信工程專業(yè)的重點(diǎn)培養(yǎng)目標(biāo)，因而應(yīng)用及實現(xiàn)類課程多為選修課程，課時量安排較少，對學(xué)生掌握程度的要求相對較低;在信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容選取方面，則必須要考慮與通信工程專業(yè)其他主干課程的銜接關(guān)系，如通信原理、通信電子線路以及移動通信等。因此，照搬現(xiàn)有的案例并不可行，需要結(jié)合學(xué)校實際及通信工程專業(yè)的具體情況構(gòu)建適合的信號處理課程群，才能使其與通信工程專業(yè)的整體課程架構(gòu)緊密契合。

二、本校通信工程專業(yè)信號處理類課程設(shè)置及存在的問題

通信工程專業(yè)的信號處理類課程設(shè)置如表1所示，其中信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和MATLAB仿真及系統(tǒng)實現(xiàn)屬于專業(yè)必修課程，數(shù)字圖像處理、DSP技術(shù)及應(yīng)用和綜合技能實踐屬于選修課程，目前這些課程在實際教學(xué)中主要存在以下幾方面問題:

(一)關(guān)聯(lián)課程在部分教學(xué)內(nèi)容上重疊或邏輯銜接不夠緊密

例如，信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理在教學(xué)內(nèi)容上的交叉部分為離散時間系統(tǒng)的時頻域分析，利用差分方程和Z變換求解離散時間系統(tǒng)的響應(yīng)或系統(tǒng)函數(shù)是信號與系統(tǒng)的重要知識點(diǎn)，也是數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)知識，在課程群規(guī)劃之前各門課程單獨(dú)設(shè)置授課學(xué)時，因此都花費(fèi)相當(dāng)?shù)恼n時數(shù)重復(fù)講授該部分內(nèi)容。又如，信號與系統(tǒng)中的傅里葉變換是時域和頻域轉(zhuǎn)換的橋梁，在常用信號的傅里葉變換一節(jié)中僅用一個公式簡單描述正余弦信號的頻譜表達(dá)式，因此在教學(xué)中通常被一筆帶過，很少詳細(xì)講述該表達(dá)式的物理意義，而這正是調(diào)制與解調(diào)的理論基礎(chǔ)，在后續(xù)的通信電子線路、通信原理以及移動通信等課程中將被反復(fù)提及和運(yùn)用，學(xué)生卻因為印象不深刻而對此概念不甚理解，從而影響了對后續(xù)專業(yè)課程的掌握。這些都是沒有充分利用課程內(nèi)容間的邏輯關(guān)聯(lián)進(jìn)行相互支撐和強(qiáng)化的典型案例。

表1 通信工程專業(yè)信號處理課程設(shè)置一覽表

(二)應(yīng)用類課程偏重理論體系的完整性而忽略其實踐價值

DSP技術(shù)及應(yīng)用課程討論數(shù)字信號處理的硬件實現(xiàn)，是將理論聯(lián)系實際的平臺，而以往的教學(xué)通常利用大量的課時講授DSP器件的結(jié)構(gòu)特征、軟件體系和編程方法等，具體應(yīng)用也只局限于IIR和FIR數(shù)字濾波器的硬件設(shè)計，學(xué)生沒有機(jī)會體驗和實踐DSP技術(shù)在實際應(yīng)用中的強(qiáng)大功能。而數(shù)字圖像處理課程被設(shè)置為純理論課程，主要講述數(shù)字圖像的基本概念、數(shù)字圖像形成的原理，要求學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理的理論基礎(chǔ)和技術(shù)方法，由于缺乏軟件或硬件實踐課程的支撐，學(xué)生很難將所學(xué)知識應(yīng)用到未來相關(guān)領(lǐng)域的工作和科學(xué)研究中。

(三)實驗教學(xué)從屬于理論教學(xué)，按單門課程獨(dú)立設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，偏重知識的橫向聯(lián)系，體現(xiàn)不出實踐教學(xué)本身的連貫和系統(tǒng)性

例如信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和MATLAB仿真及系統(tǒng)實現(xiàn)三門課程的實踐教學(xué)均采用MATLAB仿真軟件，卻都要花兩至三個課時學(xué)習(xí)MATLAB基礎(chǔ)知識。另外，現(xiàn)在的實驗教學(xué)還存在其他諸多方面的問題，如實驗教學(xué)內(nèi)容簡單、陳舊，多為驗證性實驗，開放型和研究型的綜合設(shè)計實驗太少，達(dá)不到鍛煉學(xué)生創(chuàng)新能力的效果;實驗設(shè)備的利用率不高，買回來的新設(shè)備兩三年都沒有在教學(xué)中得以應(yīng)用;綜合技能實訓(xùn)名不副實，一周或兩周的實訓(xùn)課程只需在網(wǎng)上搜索一份類似的課程設(shè)計報告就可以拿到學(xué)分，學(xué)生得不到真正的鍛煉。

(四)在理論和實踐教學(xué)中仍采用傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式，教學(xué)效果不佳

例如信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等基礎(chǔ)課程的理論教學(xué)一直沿用黑板授課方式，大量圖片和演算都依靠板書展示，使得課堂效率不高。因此，將經(jīng)典教學(xué)法與多媒體以及仿真教學(xué)相結(jié)合是信號處理類課程教學(xué)改革的必然趨勢，也是課程群建設(shè)的首要任務(wù)。在實踐教學(xué)方面，單一的演示和驗證方式已經(jīng)無法滿足實踐創(chuàng)新的要求，在很大程度上限制了學(xué)生主觀能動性的發(fā)揮，不能真正完成“實踐能力”的培養(yǎng)任務(wù);實踐內(nèi)容與“實際”聯(lián)系不緊密，學(xué)生的感性認(rèn)識得不到加強(qiáng)，不利于將學(xué)到的知識應(yīng)用到實際領(lǐng)域，更不利于他們直接獲得與現(xiàn)實要求相應(yīng)的職業(yè)能力。

(五)教學(xué)評價機(jī)制缺位

對于理論教學(xué)質(zhì)量的評價方式僅以考試和考查區(qū)分，學(xué)生為獲得學(xué)分死記硬背、臨場發(fā)揮的學(xué)習(xí)方式無法將知識內(nèi)化，使個人能力沒有得到真正提升。對于實踐能力的考查，更沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)和考核指標(biāo)，學(xué)生不重視實踐課程的學(xué)習(xí)，更談不上激發(fā)他們在實踐中改革創(chuàng)新的積極性，相反存在著一定的制約傾向。

三、課程群體系重構(gòu)及教學(xué)改革

基于上述問題，面向通信工程專業(yè)的信號處理課程群教學(xué)改革不僅需對現(xiàn)有理論教學(xué)和實驗教學(xué)中存在的弊端進(jìn)行針對性改革，還應(yīng)對教學(xué)模式和教學(xué)評價機(jī)制等進(jìn)行全方位建設(shè)，下面就上述幾點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

(一)理論教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與整合

對于理論教學(xué)內(nèi)容改革的關(guān)鍵是利用課程群知識結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)和承接性對相關(guān)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化與整合。例如，上文中提到信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理兩門課程在Z變換相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)問題，可以考慮將離散系統(tǒng)的時頻域分析放在信號與系統(tǒng)課程中，以三大變換(傅里葉變換、拉普拉斯變換和Z變換)為線索，研究信號通過系統(tǒng)進(jìn)行傳輸、處理的基本理論和分析方法;而數(shù)字信號處理的重點(diǎn)則放在兩個傅里葉變換(離散傅里葉變換DFT和快速傅里葉變換FFT)和兩種數(shù)字濾波器(無限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器IIR和有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器FIR)設(shè)計上。在課程群間的邏輯銜接問題上，在信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理這類基礎(chǔ)課程的講授中，如果涉及到與通信系統(tǒng)相關(guān)的基本理論時，應(yīng)多花時間進(jìn)行講授和引導(dǎo)，為日后其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。鑒于通信工程專業(yè)的DSP技術(shù)及應(yīng)用課程為選修課程課時量不多，可將該課程定位為應(yīng)用實踐課程，在理論部分主要結(jié)合現(xiàn)有的DSP實驗設(shè)備資源，以TMS320DM642芯片為基礎(chǔ)，講授它的片上資源及相關(guān)設(shè)計即可，無需花太多時間系統(tǒng)介紹DSP的結(jié)構(gòu)特征和編程技巧等。

(二)實踐教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與整合

對于課程群實踐教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與整合，按照各門課程實踐教學(xué)內(nèi)容的性質(zhì)和關(guān)聯(lián)性，提出了如圖1所示的綜合實踐教學(xué)方案，分為軟件實驗、硬件實驗和綜合設(shè)計實驗三個模塊。

圖1 基于課程群的綜合實踐教學(xué)設(shè)計

在軟件實驗部分，考慮到信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和MATLAB仿真及系統(tǒng)實現(xiàn)這三門課程的實驗平臺都是MATLAB軟件，并為確保信號與系統(tǒng)及數(shù)字信號處理這兩門基礎(chǔ)課程充足的理論課時，將它們的實驗部分去掉，統(tǒng)一整合到MATLAB仿真及系統(tǒng)實現(xiàn)課程中，整門課程分為MATLAB應(yīng)用基礎(chǔ)、信號與系統(tǒng)的時頻域分析、數(shù)字濾波器設(shè)計以及基于SIMULINK的通信系統(tǒng)仿真四部分，通信系統(tǒng)仿真部分要求學(xué)生能夠掌握MATLAB軟件在通信系統(tǒng)中的運(yùn)用，學(xué)習(xí)各種基本的通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模與計算機(jī)仿真方法。

在硬件實驗部分，將數(shù)字圖像處理和DSP技術(shù)及應(yīng)用兩門課程做有機(jī)結(jié)合。現(xiàn)有的DSP教學(xué)實驗設(shè)備是聞亭公司的TS－DM64X實驗箱，該實驗箱集成的DSP芯片為TMS320DM642，這是一款高性能的數(shù)字信號處理器，片上帶有豐富的音視頻硬件資源，具有多種接口，可應(yīng)用于音視頻、網(wǎng)絡(luò)和信號處理等方面。因此，可加大DSP技術(shù)及應(yīng)用課程的實踐教學(xué)比例，在實踐教學(xué)中融入圖像處理基礎(chǔ)實驗和音視頻通信系統(tǒng)實驗等。

而在綜合設(shè)計部分及綜合技能實訓(xùn)課程中，則側(cè)重引導(dǎo)學(xué)生將信號處理類課程的理論知識應(yīng)用到通信系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計中，希望學(xué)生以小組形式完成一些綜合性的系統(tǒng)設(shè)計，如網(wǎng)絡(luò)視頻安防系統(tǒng)、IP可視電話系統(tǒng)等。

(三)在理論教學(xué)和實踐教學(xué)中采用多元化教學(xué)模式

將多元立體化的教學(xué)模式應(yīng)用到課程群教學(xué)中是改革的必然趨勢。在理論教學(xué)方面，將傳統(tǒng)教學(xué)、多媒體教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)以及科學(xué)軟件仿真相結(jié)合，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容需要以及學(xué)生對知識的接收度實施靈活多樣的教學(xué)模式。在實驗教學(xué)方面，通過有效利用現(xiàn)有的實驗設(shè)備資源，采用硬件實驗和計算機(jī)仿真實驗相結(jié)合的方式，構(gòu)造多樣化實踐平臺。在實驗教學(xué)實施的過程中，對不同的項目任務(wù)、不同的完成階段，采取不同的教學(xué)模式，如基于工作過程的教學(xué)模式、自主式實驗教學(xué)模式、參與研究式實驗教學(xué)模式以及校企聯(lián)合培養(yǎng)教學(xué)模式等。

1．基于工作過程的教學(xué)模式:是以工作過程為導(dǎo)向，構(gòu)建與工作過程相適應(yīng)的專業(yè)課程體系，分析工作過程中涉及的知識與技能，設(shè)置或模擬工作過程情景組織教學(xué)，使學(xué)生獲得職業(yè)崗位或崗位群職業(yè)能力的新興教學(xué)模式。

2．自主式實踐教學(xué)模式:在實踐過程中由幾名學(xué)生組成研究小組，在教師的指導(dǎo)和引導(dǎo)下“自行”選擇的研究項目，要求學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)，驗證項目的可行性和先進(jìn)性，自己撰寫論文和報告，通過這樣的模式突出學(xué)生在教學(xué)中的主體地位，從而培養(yǎng)學(xué)生自主分析問題、解決問題的能力，并以此提升他們的創(chuàng)新意識和團(tuán)隊精神。在自主實踐環(huán)節(jié)，教師應(yīng)從知識的提供者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的引導(dǎo)和啟發(fā)者。加大實驗室開放力度，加強(qiáng)各類競賽、學(xué)生社團(tuán)、興趣小組、科技創(chuàng)新、自由創(chuàng)作等課外實踐活動，并將學(xué)生的自主實踐成果納入實踐能力的考核范圍。

3．參與式實踐教學(xué)模式:教師可將與課程相關(guān)的科研課題引入到教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生的能力節(jié)選部分科研內(nèi)容作為課程實踐內(nèi)容的拓展。該模式主要提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，促使學(xué)生了解學(xué)科的先進(jìn)知識，在真正的科研課題中將課本中學(xué)到的知識學(xué)以致用，并在實踐中提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和科研能力，為實現(xiàn)自主創(chuàng)業(yè)打下良好基礎(chǔ)。

4．校企聯(lián)合培養(yǎng)教學(xué)模式:加強(qiáng)與企業(yè)的合作，開辦教學(xué)改革實驗班，為企業(yè)培養(yǎng)各種定向的高級應(yīng)用型人才;加強(qiáng)與相關(guān)職業(yè)資格認(rèn)證部門的合作，在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)增加各種職業(yè)資格課程，要求學(xué)生在校期間選修一到兩門，并取得相關(guān)的職業(yè)資格認(rèn)證;加強(qiáng)實習(xí)基地建設(shè)，要求學(xué)生在實習(xí)期間到企業(yè)頂崗實習(xí)，參與企業(yè)相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)，畢業(yè)論文選題應(yīng)與企業(yè)中的真實案例相關(guān)，實習(xí)期間的考核評價由企業(yè)相關(guān)指導(dǎo)人員負(fù)責(zé)等。

總之，信號處理課程群是一個理論和實踐教學(xué)的綜合體，在教學(xué)過程中切勿將兩者分離。

(四)構(gòu)建多元化教學(xué)評價體系

建立和實施以綜合能力與創(chuàng)新能力為主的全程考核多元化教學(xué)考核體系，建立可持續(xù)評價機(jī)制，重點(diǎn)考核學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識和技能，創(chuàng)造性發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，保證課程目標(biāo)的實現(xiàn)，使學(xué)生專業(yè)技能和創(chuàng)新技能以及創(chuàng)業(yè)能力得到提高。在考核機(jī)制中，要避免只注重結(jié)果、不注重過程的考核辦法，教師要跟蹤學(xué)生的整個學(xué)習(xí)過程，每個階段都要和學(xué)生交流，及時反饋，并對該階段學(xué)生的成果進(jìn)行考核，最后給出綜合成績，以促使學(xué)生在教學(xué)的各環(huán)節(jié)都能得到鍛煉。

四、課程群教學(xué)改革對教師的挑戰(zhàn)

面向課程群的教學(xué)改革對教師提出了更高的要求。首先，教師不能只關(guān)注自己教授的某一兩門課程，而必須對整個課程群的知識體系有宏觀性的把握，并具備很好的學(xué)習(xí)遷移能力［7］，從而在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生完成整個知識鏈的邏輯銜接。其次，教師需要具備較強(qiáng)的科研能力，并將自己的科研課題引入到教學(xué)中，促進(jìn)開放型和研究型的學(xué)習(xí)氛圍。因此，課程群建設(shè)需要一支素質(zhì)精良、技術(shù)過硬的教師團(tuán)隊，任課教師應(yīng)努力提高自身的專業(yè)素質(zhì)、教學(xué)改革意識和應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)的能力，針對個人專業(yè)及特長制訂中長期的學(xué)習(xí)計劃，通過教學(xué)與科研相結(jié)合的方式，以科研帶進(jìn)新理論、新思路、新動向，在實踐中積累教學(xué)與研究經(jīng)驗，整體提高教學(xué)隊伍的教學(xué)質(zhì)量，活躍教學(xué)思想，使教學(xué)隊伍中各教師的教學(xué)各具風(fēng)格。第三，應(yīng)積極鼓勵和支持教師以多種渠道、多種方式到企業(yè)進(jìn)修，通過產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的方式提高實踐能力，打造一批具有較高技能的“雙師型”教師隊伍。

［1］王麗萍．高等教育大眾化現(xiàn)狀、問題及對策［J］．產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2011，10(12)．

［2］歐陽華，楊忠林，李 輝．“信號與信息處理”課程群教學(xué)改革研究［J］．中國電力教育，2013，(19)．

［3］朱冰蓮，印 勇，等．電子信息類專業(yè)信號與信息處理課程群建設(shè)［J］．高等理科教育，2008，81(5)．

［4］賀科學(xué)．電氣信息類專業(yè)信號處理課程群的建設(shè)［J］．電子電氣教學(xué)學(xué)報，2010，10(32)．

［5］宋 揚(yáng)．基于創(chuàng)新實踐體系的電氣信息大類專業(yè)信號處理課程群的優(yōu)化整合研究［J］．福建電腦，2012，(8)．

［6］王艷芬，張劍英，張曉光，等．信號處理課程群實驗教學(xué)體系的構(gòu)建［J］．實驗室研究與探索，2013，32(4)．

［7］張曉青，馬牧燕．信號處理課程群的學(xué)習(xí)遷移教學(xué)應(yīng)用［J］．科技信息，2011，(31)．