面向“卓越工程師”的課程教學研究與探索

董慶賀,殷賢華,李 偉,許川佩

(桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004)

為貫徹落實《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)》的重大改革項目，教育部于2010年6月正式提出了“卓越工程師教育培養計劃”(簡稱“卓越計劃”)，旨在培養一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才。卓越計劃遵循“行業指導、校企合作、分類實施、形式多樣”的原則，重點是培養學生的工程實踐能力、分析能力、創新能力和溝通能力[1-2]。作為處于教學一線的教師，唯有從自己講授的課程著手，改變教學觀念，更新教學手段，完善知識體系，使學生從被動式學習轉為主動式探索，全面提高學生自身素質。

信號處理是電子信息類專業的一門重要的基礎必修課，傳統教學主要以理論為主，強調公式和性質的推導及其熟練應用，以做習題的形式來強化學生的運算能力，忽略了自我學習能力的培養，學生普遍感到枯燥無味，不知所學何用，嚴重制約了教學效果[3-4]。為改善這種教學狀況，分別從課堂教學形式、實驗教學、知識拓展和課程體系的合理構建等方面進行研究，以達到對學生分析問題、解決問題和自主學習能力的培養。

1 課堂教學改革

課堂教學是學生獲取理論知識的主要渠道，教師的工作就是點燃學生學習的熱情。因此，要擯棄教學形式單一和滿堂灌的現象，教師應根據所教授的知識點采取靈活多變的教學形式，將灌輸式教育向啟發式教育進行轉換，讓學生主動地參與進教學之中，調動學生學習的積極性。結合多年的教學經驗，嘗試采取以下方法，并取得了良好的教學效果。

(1) 淡化數學運算，強調數學概念和工程概念。比如“信號處理”中講解離散傅里葉變換DFT時，不能簡單地僅介紹其公式和性質的表達式，而是要讓學生理解為何用DFT，而不是用其他傅里葉變換CTFT、CTFS、DTFT、DFS對模擬信號進行頻譜分析。由于模擬信號在時域和頻域上均是連續信號，而計算機僅能處理數字信號，因此必須要對連續信號進行離散化處理。通過圖形對比的形式(如圖1所示)，利用“一個域的離散化必然造成另一個域的周期延拓”的結論，介紹所學過的幾種傅里葉變換對之間的聯系和區別[5]，從而能從本質上理解利用DFT對模擬信號進行頻譜分析時所造成的混疊誤差、柵欄誤差和頻譜泄露的原因，以及數字角頻率、離散頻率、模擬頻率(Hz)、模擬角頻率(rad/s)間的轉換關系[6]。

圖1 幾種傅里葉變換之間的關系對照圖

(2) 以提出問題或案例分析的形式啟發學生進行思考和討論。學習的目的在于運用，教學中要注重對學生分析問題和解決問題能力的培養。比如講授頻譜分析時，要求學生對頻率為6 500 Hz、7 000 Hz和9 000 Hz的正弦疊加信號進行頻譜分析[7]。首先，指導學生如何將一個應用問題轉換為數學問題，xa(t)=cos(2π×6 500t)+cos(2π×7 000t)+cos(2π×9 000t)；然后，利用Matlab自帶函數DFT時，DFT的輸入參數為：離散信號x(n)和抽樣點數N。那么，如何將連續信號轉換為離散信號？采樣頻率fs和抽樣點數N又如何確定？分析問題之后，留一定的時間給學生進行思考，然后當場利用Matlab編程畫出頻譜圖，根據圖形結果再次提出問題：改變fs和N后頻譜圖會發生何種變化？修改參數給出具體圖形，并思考：為什么會有這樣的變化，原因是什么？通過這樣層層發問、學生回答的形式，誘使學生不斷地思考，不僅可以有效地將學生融入課堂之中，扭轉了被動接受知識的現象，并在潛移默化中提高了學生綜合運用知識分析、解決問題的能力。

(3) 有效地使用教學仿真軟件。課堂教學時間有限，合理使用教學仿真軟化對改善教學效果具有很好的輔助作用。除教學生使用Matlab信號處理箱的仿真工具FDATool、SPTool和Wvtool[8]之外，根據授課需要自行開發了基于Matlab GUI的信號處理課程仿真軟件，在講解DFT的應用時，除對正弦疊加進行進行頻譜分析外，還可對音頻信號進行頻譜分析(如圖2所示)。實時調入音頻文件，可以對其添加不同類型的噪聲[9]，直接觀察前后時域波形和頻譜圖，并播放音頻文件，聆聽前后聲音的變換。實踐表明，在教學中采用現代化教學手段，借助圖形、聲音等形式，可大大觸動學生的視覺和聽覺系統，活躍課堂氣氛，很好地調動學生學習的興趣，并進一步加深學生對理論知識的理解和應用。

圖2 教學仿真軟件之音頻信號的頻譜分析界面

2 實驗教學與理論教學的融合

目前實驗教學和理論教學大部分都處于孤立狀態，各有不同的教師負責[10]，實驗也大多是驗證性實驗，學生根據要求得出結果即可，對于為什么結果是這樣鮮有考慮。因此雖然開設了許多實驗環節，但基本上都流于形式，學生也是應付了事，抄襲現象嚴重。要解決這些存在的問題，首先就要打破理論教學與實驗教學的界限，理論教師走進實驗室。根據調查，發現理論課教師親自帶實驗時：

(1) 學生更重視實驗，更活躍，遇到問題更愿意主動向教師尋求幫助，實驗過程中也更加積極認真，抄襲現象大幅減少；

(2) 驗收時不光看結果，更關注學生通過實驗對于理論知識的理解和掌握，能有效地指導學生將實驗與相關理論進行結合；

(3) 對實驗過程中出現的問題能及時有效地進行總結和講解，從中發現學生的知識薄弱點，促使教師在理論教學中進行相應的改進和加強，實驗和理論教學相互促進，形成良性循環；

(4) 實驗是小班制教學，一次30人以下，有助于教師根據學生知識掌握的情況進行因材施教，設置難度不同的實驗項目。

實踐表明，理論教師親自帶實驗的做法，受到了學生的普遍歡迎，學生學習的興趣高漲，對知識的掌握也更好、更牢固，在考試中取得的成績，相比之下也要更好。

3 自我學習能力的培養

在當今信息爆炸的年代，學習能力的培養至關重要，古語說“授人以魚，不如授之以漁。”一名優秀的教師，不能僅限于傳授課本知識，還要教會學生自學的方法，那么首要問題就是掌握如何在知識的海洋中獲取自己所需的有用的知識。

知識的搜索目前學生只會使用Baidu、Google搜索引擎，這是遠遠不夠的。我校具有非常豐富的電子資源，如超星、方正、書生電子圖書，以及中國知網、維普科技、萬方、IEEE Electronic Library等期刊論文數據庫，但本科生鮮有使用。在教學中要注意引導和培養學生使用電子資源庫。比如關于濾波器的優化設計方法有很多，如模擬退火算法、蟻群優化算法、粒子群算法、遺傳算法等，但教科書上甚少涉及。為拓展學生視野，可以此為作業內容促使學生去查閱資料。首先，教學生使用電子資源庫的方法，包括查詢、下載、閱讀、追蹤，然后讓學生自己查詢閱讀，并寫一篇綜述，在課堂上介紹自己查閱的內容，教師進行點評和總結。這樣不僅大大拓寬了學生的知識面，為學生提供了利用計算機學習的另外一種用途，而且培養了學生的自我學習能力和溝通能力。

4 課程交互，構建持續式學習

信號處理算法需要借助于硬件平臺來實現工程應用。硬件實現即利用通用或專用的DSP芯片(或FPGA芯片)來完成信號處理的方法，利用其進行開發和設計對培養學生的工程實踐能力非常重要[11]。我校開設了“DSP原理及應用”和“EDA技術及應用”這2門課程，但在講授時只是介紹硬件系統的體系結構、指令系統及芯片開發工具和軟件編程，缺乏實際應用開發，與專業基礎課基本處于孤立的狀態，內容缺乏交互融合，使得學生仍不知道如何將理論知識從工程實踐角度具體去實現。

工具只是是一種手段，關鍵在于如何利用工具去解決工程實際問題。大學課程的設置大都遵循由基礎課到專業課、由理論到軟硬件實現，再到具體應用，課程之間更應注重先后銜接、前后呼應及知識的交互融合，從而構建循序漸進的、持續式學習[12-13]。為此，這2門課程應添加相應的工程設計題目，或者在課程設計中增加采用DSP(或FPGA)進行信號處理和分析方面的訓練，從而培養學生的綜合應用能力和動手能力。

5 結束語

理論教學是基礎，實踐教學是理論教學的延伸，通過課程之間的交互融合，可促進對理論知識的深入研究，反過來又能更好地解決工程實踐中的問題。學生永遠是學習的主體，不管采取何種教學形式，目的都是要調動學生學習的積極性，引導學生不斷思考，指導學生逐步學會獨立獲取知識、綜合利用知識分析解決問題的能力。

[1] 張安富，劉興風.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，2012,29(4):56-59.

[2] 劉慶華，歐陽寧.面向卓越計劃的信號處理課程群的教學研究與實踐[J].中國電力教育，2012(31)：48-49.

[3] 朱幼蓮，倪福銀.數字信號處理課程教學改革與實踐[J].江蘇技術師范學院學報，2012(4)：104-107.

[4] 胡學友，王穎，胡云龍.數字信號處理教學改革與實踐[J].高教論壇，2007,6(3)：67-69.

[5] 張冬玲，李天昀.一種“數字信號處理”新的教學方案[G]//中國電子教育學會高教分會2012年論文集.2012：82-85.

[6] 劉大年，史旺旺，孫貴根,等.“數字信號處理”課程的形象化教學方法探索[J].電氣電子教學學報，2008,8(4)：104-107.

[7] Vinay K Ingle,John Gproakis.Digital Signal Processing Using Matlab[M].北京：科學出版社，2003.

[8] 涂玲英，張小華，鄒玲.基于MATLAB下的數字信號處理與仿真[J].自動化與儀器儀表，2005(6)：82-83.

[9] 申艷，陳后金，薛健,等.基于Matlab加噪語音的FIR濾波器設計[J].電氣電子教學學報，2011,4(2)：41-44.

[10] 程敏熙，趙芝孟，顏巧瑩.簡論高等學校理論教學與實驗教學的關系[J].實驗技術與管理，2011,18(2):186-189.

[11] 錢滿義，高海林，陳后金.從DSP技術實驗看實驗教學與理論教學的關系[J].教育理論與實踐，2007(27)：210-211.

[12] 李磊，楊潔,鄭國恒，等.“數字信號處理”課程的分層教學模式改革與實踐[J].中國電力教育,2013(23)：56-57.

[13] 王艷芬，張劍英，張曉光,等.信號處理課程群實驗教學體系的創建[J].實驗室研究與探索，2013,32(4)：132-134.