電子信息專業信號處理系列課程實踐教學研究

摘要：結合河北工業大學信息工程學院電子信息專業信號處理系列課程教學的實際情況，基于日常的教學實踐與探索，對信號處理系列課程體系的構建及實踐教學平臺的建設進行了分析和總結。在加強實踐教學的過程中，改進設計了新的實驗裝置，優化了實踐教學的內容，提高了實驗教學的效果，滿足了對不同層次學生實踐教學的需求。

關鍵詞：信號系列課程；實踐教學；課程設計；實驗裝置

作者簡介：劉翠響（1973-），女，河北辛集人，河北工業大學信息工程學院，副教授；王寶珠（1962-），女，河北三河人，河北工業大學信息工程學院，教授。（天津 300401）

基金項目：本文系河北工業大學2012年教學改革重點項目“探索課程設計新型模式加強創新能力培養”、河北工業大學城市學院教學改革項目“電子信息類專業信號處理系列課程體系與實踐教學模式研究”的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）05-0170-02

高等教育大眾化意味著學術標準、人才培養規格的多樣化，隨著我國經濟發展的不斷完善，科技文化的快速發展，社會各行業需要不同層次的人才。在探索城市學院教學中，教師應該不斷更新教育觀念，逐步確立本科應用型人才的教育觀、質量觀，逐步確立起一套富有城市學院特色的本科應用型人才培養新模式。城市學院教學模式、教學要求一直沿用本科的教學模式，為探索更加適合城市學院長足發展的特色教育之路，在應用型人才培養上有所創新，[1]加強學生實踐能力的培養，實現高素質應用型人才培養的目標，激勵學生的學習熱情和蓬勃向上的進取心，開展信號處理系列課程實踐教學改革勢在必行。

一、構建電子信息類專業的本科應用型人才培養模式和信號處理系列課程體系

信號的獲取與處理是電子信息類學生主要的學習內容，涉及的課程包括：“信號與線性系統”、“數字信號處理”、“DSP技術”、“數字圖象處理”等。信號處理系列課程在電子信息類專業教學中具有重要的作用，[2]是“通信原理”等課程的重要理論基礎，其教學水平的整體提高對專業建設、應用型人才培養具有重要意義。

“信號與線性系統”課程是電子信息類專業重要的專業基礎課，也是本系列課程的主要理論基礎。但是“信號與線性系統”課程的內容較為抽象，學生能獲取的直觀感性認識很少，理解和掌握課程內容往往面臨一些困難?！皵底中盘柼幚怼迸c“信號與線性系統”在課程內容上聯系非常緊密，前者是后者的進一步深化與拓展，但仍然是以抽象的理論分析為主?！皵底謭D像處理”課程是“信號與線性系統”、“數字信號處理”等理論基礎的典型應用和進一步發展?！癉SP技術”課程則主要學習信號分析與處理的相關理論、方法在數字信號處理等應用領域的具體實現技術。然而，這些后續課程的學習對于增強感性認識、加深對“信號與線性系統”、“數字信號處理”等先修課程理論基礎的理解與掌握，也具有重要的促進作用。因此，有效整合本系列課程的教學內容和教學手段，[3]加強理論與實踐之間的聯系，既能提高學生運用相關理論知識分析解決實際問題的能力，也能促進對課程內容的理解與掌握，對于提高教學水平、培養應用型人才具有重要的理論和現實意義。

根據信號處理系列課程涉及知識面廣、理論性和應用性都很強且學時少的特點，并且各門課程從內容上具有一定的重疊性，對其進行規劃綜合并形成有機的整體，使其形成教學內容相互貫通、相互融合的課程群；結合專業的特點與共性，尋找共同的知識平臺，建立層次化、模塊化的理論教學和實驗教學體系。在該體系下，理論教學注重基礎理論和方法的學習，實驗教學注重基本技能和方法的培養，創新應用教育注重創新意識和應用能力的培養。總之，通過不斷的探索與實踐，構建了信號處理系列課程“理論內容融合互補，實踐手段軟硬結合，技能訓練循序漸進，創新應用思維不斷深化”的系列課程教學體系。

二、改革實踐教學手段，搭建實踐教學平臺

根據信號處理系列課程體系結構以及課程具有很強的實踐性的特點，為培養和提高學生的工程應用能力和實踐操作技能，[4]課題組從改革實驗的方式和內容入手，在實驗形式上采用軟硬件相結合的方法，注重基礎性實驗，擴充綜合性、設計性實驗，增設集中課程設計環節。實踐教學各層次之間具有內在的邏輯關系，既相對獨立，又相互聯系，并具有連續性、遞進性、交叉性等特點。每個層次具有不同的教學目的，包含不同的實踐內容。在實踐教學中形成了合理的實踐教學體系，建立了實踐教學和理論課程緊密銜接，理論教學、工程應用和研究能力相互補充，綜合素質與創新能力逐步提高的信號處理實踐教學平臺。

具體內容包括以下四個方面：一是基本實驗。用于教學中基本理論的驗證，基本實驗能力的訓練。二是綜合實驗與設計性試驗。用于對教學中幾部分內容銜接緊密且形成一定的知識鏈路的知識點進行綜合訓練，提高綜合運用所學知識進行系統分析與設計的能力。三是軟件、硬件相互結合的實驗。課程總體內容偏理論、多數學，為了通過實驗教學加強對其理論的理解與掌握，并能有效應用到工程實際，設置了軟硬件結合的實驗。四是集中課程設計。其目的是強化知識的綜合運用、加強對系統設計工具軟件的實訓、促進團隊協作能力及創新能力的培養，并且從單一課程內容設計轉變為多課程重要知識點的鏈接和融合。

三、加強實踐教學，優化實踐教學內容，加強對學生應用能力的培養

優化實踐教學內容，采用軟硬件相結合的實驗教學方法，加強學生工程訓練和設計能力培養。將先進的硬件開發平臺和系統仿真工具融入實踐教學中，如信號與系統開發平臺、DSP開發平臺、MATLAB、LabVIEW等各種仿真軟件，提高學生在實際工作中的適應能力。

在實踐教學中增加信號處理綜合設計實驗，提升加強應用能力培養的實驗內容的比重，引入融合系列課程內容的課程設計。課程設計由最初針對單一課程，逐漸轉變為融合多門課程內容的設計，課程設計的選題軟硬結合，內容知識覆蓋面廣，組織形式打破班級界限，以選題為單位重新編組，有利于合作能力、協調能力的培養，有效提高了學生綜合理解、運用知識的能力。

課程設計內容分為自擬課題和參考課題兩種。學生自擬課題需要在課程設計開始前兩周提交設計說明書，經由指導教師批準，方可進行。參考課題根據具體的教學條件，由課程組討論制定。以下課題可作為設計參考題目：模擬濾波器的設計與應用；數字濾波器的設計與應用；基于MATLAB軟件的調幅接收機原理設計與功能仿真實現；基于MATLAB軟件的調頻接收機原理設計與功能仿真實現；無失真傳輸系統的設計與實現；基于LABVIEW的語音信號分析系統的設計；基于LABVIEW的心電信號分析系統的設計；基于Multisim軟件的信號取樣與重構系統的設計仿真；基于Multisim軟件的掃頻信號源設計；基于EWB的高階模擬系統的設計；回波的產生與消除系統設計；基于單片機的數字電壓表設計與Protues軟件仿真；基于單片機的電子鐘設計與Protues軟件仿真；基于單片機的信號發生器設計與Protues軟件仿真；城市噪聲信號頻譜分析儀設計；基于虛擬儀器技術的信號發生器的設計與實現；利用MATLAB實現信號的取樣與重構仿真；基于MATLAB的語音信號采集與處理系統的設計。

四、改進信號與系統實驗裝置，完善實驗內容

根據往屆學生做實驗的情況，結合教學需求，課題組成員設計了信號系統試驗箱。信號與系統硬件實驗裝置的基本結構如圖1所示。

該裝置采用硬件實驗箱和計算機虛擬儀器/仿真平臺相結合的結構，兩者之間通過信號采集和信號輸出模塊連接。硬件實驗箱為可擴展的拔插式結構，便于系統維護和后續的功能擴充與更新。根據應用方向，實驗箱主要包括三大模塊：課程實驗模塊、課程設計模塊和創新訓練模塊。同時，實驗箱設置了音頻輸入輸出接口，可以對音頻信號進行采集、分析和處理，并通過外接揚聲器獲取直觀的聽覺感受，這是對信號波形觀察視覺信息的一個有益補充。實驗所需的信號源和測試儀器儀表均由基于PC機的虛擬儀器平臺提供。在PC平臺上，借助相關仿真平臺和軟件，還可對采集到的信號進行各種變換域的分析與處理，并將結果通過信號輸出模塊實時提供給硬件實驗模塊，從而解決硬件實驗系統本身難以實現變換域分析的問題。

實驗裝置實現的教學實驗功能比較多。例如采用頻譜搬移模塊，基于上述實驗環境，可以完成調制與解調的實驗仿真，實驗現象明顯、效果好，改善了以往單純借助軟件進行虛擬仿真的實驗狀況。同時，同學們可以深入分析硬件電路的設計，采用軟件、硬件結合的實驗方式，教學效果良好。

五、教學反饋總結

在教學中，依托實踐教學平臺，加強了學生的工程意識，拓展了學生的視野，提升了學生的理論水平。同時鼓勵優秀學生參加學術討論和研究，在提高應用能力的基礎上，進一步提升理論知識水平。實踐教學證明，開展實踐教學改革和嘗試可以充分調動學生學習的主動性，對應用型人才的培養大有益處。

參考文獻：

[1]王冬霞，李波，孫福明，等.應用型本科院校數字信號處理的教學改革與探索[J].遼寧工業大學學報（社會科學版），2010，（6）.

[2]陳愛萍，張可為，龍泳濤，等.信號處理課程群教學改革和優化的研究與實踐[J].湖南工學院學報（社會科學版），2012，（4）.

[3]韓萍，倪育德，蘇志剛，等.信號類課群建設與實踐[J].電氣電子教學學報，2009，（1）.

[4]趙淑清，鄭薇.信號系列課程實驗設置的探討[J].浙江理工大學學報，2009，（5）.

（責任編輯：孫晴）