卓越工程師“數(shù)字信號(hào)處理”課程群主題式教學(xué)探索

摘要：針對(duì)電子、通信專業(yè)卓越工程師的培養(yǎng)要求，研究了卓越工程師培養(yǎng)體系下“數(shù)字信號(hào)處理”課程主題式教學(xué)模式。在課程內(nèi)容安排上以“數(shù)字信號(hào)處理”課程為主線，以“信號(hào)與系統(tǒng)”、“MATLAB應(yīng)用”和“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程為基礎(chǔ)，以課程設(shè)計(jì)為綜合，實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：卓越工程師；數(shù)字信號(hào)處理；主體式教學(xué)

作者簡(jiǎn)介：吳杰（1977-），女，安徽臨泉人，金陵科技學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，講師。（江蘇 南京 211169）

基金項(xiàng)目：本文系金陵科技學(xué)院博士啟動(dòng)基金（項(xiàng)目編號(hào)：jit-b-201231）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）08-0078-02

為促進(jìn)我國(guó)由工程教育大國(guó)邁向工程教育強(qiáng)國(guó)，著眼于未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)工程技術(shù)人才的需求，近年來，教育部在全國(guó)逐步實(shí)施了卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃，旨在培養(yǎng)綜合素質(zhì)優(yōu)秀、有較強(qiáng)適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的工程技術(shù)人才。創(chuàng)新意識(shí)、工程意識(shí)、工程素質(zhì)和工程實(shí)踐能力是對(duì)卓越工程師的核心要求。培養(yǎng)優(yōu)秀的卓越工程師必須改變傳統(tǒng)的以基礎(chǔ)理論知識(shí)為主的教學(xué)模式，以全方位培養(yǎng)能力素質(zhì)為目標(biāo)，探索全新的教學(xué)方法。

“數(shù)字信號(hào)處理”作為通信、電子專業(yè)的必修課，是信息工程類卓越工程師的教學(xué)核心之一。但是其涉及的知識(shí)面寬、理論性強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)過程參與性不高，主動(dòng)性和積極性不強(qiáng)，傳統(tǒng)教學(xué)很難達(dá)到預(yù)期效果。同時(shí)，實(shí)踐性課程如MATLAB、DSP技術(shù)等由于在單獨(dú)教學(xué)中常因應(yīng)用目標(biāo)缺乏等原因難以落實(shí)教學(xué)效果。因此，整合教學(xué)資源，建立課程群，以主題牽引課程群教學(xué)，將理論、實(shí)踐、技能和素質(zhì)貫穿于工程環(huán)節(jié)，探索以主題引導(dǎo)錘煉提升理論和技能的卓越工程師培養(yǎng)路子，具有重要意義。

一、傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

“數(shù)字信號(hào)處理”是一門理論性很強(qiáng)的課程，涉及的知識(shí)面很寬，主要包括離散信號(hào)的Z變換、傅立葉變換、離散傅立葉變換、快速傅立葉變換以及濾波器設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面的內(nèi)容。[1]這些知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握需要微積分、復(fù)變函數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等眾多學(xué)科作為基礎(chǔ)理論支撐。同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理又是一門有著廣泛應(yīng)用背景的學(xué)科，其核心部分的內(nèi)容如頻譜分析和濾波器設(shè)計(jì)部分與通信理論、工業(yè)控制、模式識(shí)別、語音處理、圖像處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用學(xué)科關(guān)系密切，在現(xiàn)代生活的各個(gè)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。因此，在教學(xué)過程中要加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程應(yīng)用背景的了解，將實(shí)踐教學(xué)貫穿到理論學(xué)習(xí)中，突出實(shí)踐教學(xué)在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中的重要地位。

MATLAB語言將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，將其應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理的教學(xué)中，可以很方便地把抽象的概念用圖形直觀地展示出來，[2]便于學(xué)生對(duì)概念的理解。DSP芯片是為了快速實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理算法而專門設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐平臺(tái)，可以很好地架起理論教學(xué)與工程應(yīng)用的橋梁。但在實(shí)際教學(xué)中，由于應(yīng)用目標(biāo)不明確，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

針對(duì)卓越工程師的培養(yǎng)要求和上述課程的教學(xué)特點(diǎn)，組建了以“數(shù)字信號(hào)處理”課程為中心，以“信號(hào)與系統(tǒng)”、“MATLAB應(yīng)用”和“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程為基礎(chǔ)，以課程設(shè)計(jì)為綜合，以專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)為實(shí)踐，以畢業(yè)設(shè)計(jì)為拓展的“數(shù)字信號(hào)處理”課程群，以深入開展主題式教學(xué)。

二、主題式教學(xué)設(shè)計(jì)

課程群主題式教學(xué)以“興趣驅(qū)動(dòng)、主題牽引、技能主導(dǎo)、理論優(yōu)先”為指導(dǎo)，采用“單主題、雙杠桿、多環(huán)節(jié)、寬拓展”的教學(xué)路線，主要抓好教學(xué)、考核、實(shí)踐和引導(dǎo)四個(gè)環(huán)節(jié)。

1.有機(jī)融合要求和興趣，精選課程主題

以全面培養(yǎng)優(yōu)秀的通信工程卓越工程師為牽引，充分考慮學(xué)校的教師資源、實(shí)驗(yàn)室資源和實(shí)踐安排，根據(jù)學(xué)生的知識(shí)背景、學(xué)時(shí)分配和掌握能力，在深入調(diào)研社會(huì)需求、培養(yǎng)要求和新時(shí)期學(xué)生學(xué)習(xí)生活的特點(diǎn)和規(guī)律的基礎(chǔ)上，確立了主題式教學(xué)的思路。讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中圍繞一個(gè)核心問題進(jìn)行深入思考，積極產(chǎn)生問題需求，主動(dòng)解決問題、克服困難，從而全面培養(yǎng)體系化、工程化的思維模式。在課程主題的選擇上，教研組在綜合考慮課程教學(xué)特點(diǎn)、當(dāng)前研究前沿和學(xué)生興趣領(lǐng)域等因素的基礎(chǔ)上，明確了10個(gè)課程主題，對(duì)于不同的生源背景、不同的專業(yè)方向等進(jìn)行量身定做。其中，為信息工程卓越工程師選擇了“數(shù)字式調(diào)音臺(tái)”這個(gè)主題，每個(gè)學(xué)生都應(yīng)當(dāng)通過設(shè)計(jì)計(jì)算、原型驗(yàn)證（MATLAB平臺(tái)實(shí)現(xiàn)）和工程實(shí)現(xiàn)（DSP平臺(tái)、C#平臺(tái)）來創(chuàng)新性的打造個(gè)性化的音控系統(tǒng)。

2.合理評(píng)價(jià)理論和技能，突出教學(xué)目標(biāo)

考核決定了學(xué)習(xí)的價(jià)值導(dǎo)向。在考核杠桿方面，采取理論和技能一體化考核。每門課程的考核都分為作業(yè)、卷考、機(jī)考和設(shè)計(jì)四個(gè)部分。作業(yè)和卷考以書面形式強(qiáng)化學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)與基本概念的理解和掌握，側(cè)重點(diǎn)放在對(duì)課程本身的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)上；機(jī)考，通過在計(jì)算機(jī)上的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)際工程應(yīng)用能力；設(shè)計(jì)，即隨堂課程設(shè)計(jì)，在課程一開始即布置，在課程結(jié)束時(shí)上交設(shè)計(jì)報(bào)告，闡述利用課程知識(shí)進(jìn)行工程實(shí)踐的心得和體會(huì)。

在考核比例的分配上，要求四項(xiàng)全部合格方可通過該門課程，按照1∶4∶3∶2的比例計(jì)算該門課程的最后得分，突出了工程和實(shí)踐在該課程中的重要性。

3.全面整合設(shè)計(jì)和實(shí)踐，樹立工程思想

在教學(xué)過程中，始終以工程應(yīng)用背景為主線，以課程設(shè)計(jì)為牽引，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)緊緊圍繞解決工程實(shí)際問題從課堂上、從教材上、從參考資料和網(wǎng)絡(luò)上尋找答案。以明確的工程背景，牢固樹立工程應(yīng)用的思想。以數(shù)字式調(diào)音臺(tái)主題為例，在“數(shù)字信號(hào)處理”課程的授課過程中，以數(shù)字式調(diào)音臺(tái)的工作原理和設(shè)計(jì)需求為主線，在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生以MATLAB為平臺(tái)，以軟件形式設(shè)計(jì)出數(shù)字式調(diào)音臺(tái)，輸出其響應(yīng)波形，加深學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)處理原理和應(yīng)用的理解；在學(xué)習(xí)“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程的過程中，以數(shù)字式調(diào)音臺(tái)的硬件原理為主題，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)和探討的過程中深刻感受到進(jìn)行DSP軟硬件設(shè)計(jì)的工程方法和典型應(yīng)用背景；在與之配合的專業(yè)生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，安排DSP的硬件電路設(shè)計(jì)和制作，通過配發(fā)的軟件實(shí)現(xiàn)其硬件調(diào)試；在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，讓同學(xué)們結(jié)合理論設(shè)計(jì)和硬件平臺(tái)，完成最終的數(shù)字式調(diào)音臺(tái)樣機(jī)。通過這一整套的主題式流程，可以不斷強(qiáng)化學(xué)生的工程概念。在實(shí)踐過程中又要求學(xué)生不斷復(fù)習(xí)舊知識(shí)，探索新問題，大幅度提升了學(xué)生的工程意識(shí)和解決問題的能力。

4.綜合把握課內(nèi)與課外，明確發(fā)展方向

在科技日新月異的當(dāng)今世界，課堂知識(shí)很難直接解釋學(xué)生遇到的新事物，尤其是DSP芯片廠家多、型號(hào)多，且各有特色，ARM、DSP、多核復(fù)合等新技術(shù)和新概念不斷困擾著學(xué)生。為使卓越工程師能盡快和社會(huì)接軌，在教學(xué)過程中特意安排了前沿討論課程，以宣講、演示、討論等方式讓學(xué)生全面接觸新事物，了解課程群在其未來職業(yè)生涯中的地位和作用，以增強(qiáng)未來信息時(shí)代主流工程師的自信心。

三、教學(xué)模式分析

開展“數(shù)字信號(hào)處理”課程群主題式教學(xué)，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1.整體性強(qiáng)

整個(gè)課程群圍繞典型的應(yīng)用主題探討，從信號(hào)與系統(tǒng)開始，在MATLAB、數(shù)字信號(hào)處理、DSP技術(shù)等各課程中反復(fù)討論一個(gè)大案例，使學(xué)生明確各課程、各知識(shí)點(diǎn)之間的密切關(guān)聯(lián)性，建立由點(diǎn)到面的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)體系。

2.工程味濃

主題的提煉來源于工程背景，最終通過成熟的工程實(shí)現(xiàn)來解決，通過理論學(xué)習(xí)、實(shí)踐基礎(chǔ)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等各階段，完整實(shí)現(xiàn)了工程實(shí)踐中所必須經(jīng)歷的理論計(jì)算、方案設(shè)計(jì)、原型驗(yàn)證、調(diào)試分析、再設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，使學(xué)生在經(jīng)歷在校學(xué)習(xí)各階段時(shí)，也能完整地實(shí)踐工程開發(fā)過程。

3.創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)

解決實(shí)際問題，本身就是一種創(chuàng)新。無數(shù)研究表明，創(chuàng)新能給予學(xué)習(xí)最大的快樂、最大的興趣和最大的動(dòng)力。要成功地完成主題工程，僅靠課堂、書本、教師還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須走出去，走進(jìn)圖書館、書店，打開網(wǎng)絡(luò)，互相交流，體會(huì)創(chuàng)造的快樂與創(chuàng)新的快樂。

4.綜合提升

在整個(gè)課程群學(xué)習(xí)過程中，課程理論和實(shí)踐基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)相互交錯(cuò)，理論與工程相互印證，學(xué)生不僅能從課堂上知道結(jié)論是什么樣的，也能通過MATLAB實(shí)踐在電腦上看到直觀的現(xiàn)象，了解誤差的存在與影響，更能在最后的硬件系統(tǒng)上發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的不一致性，看到工程調(diào)試和理論計(jì)算的差異性，深層次提高了學(xué)生對(duì)理論的認(rèn)知水平。另外，通過創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)解決了學(xué)生學(xué)習(xí)惰性和無目的性的問題，提高了學(xué)生解決問題的實(shí)際能力。

進(jìn)行“數(shù)字信號(hào)處理”課程群主題式教學(xué)，也可能會(huì)存在一些問題，如：如何結(jié)合自身特點(diǎn)確定教學(xué)主題、如何保證學(xué)生完成全套的主題訓(xùn)練、各教師間如何進(jìn)行知識(shí)體系準(zhǔn)備、如何進(jìn)行無間隙的配合等。要解決這些問題，可以通過建立教學(xué)小組，整合教學(xué)資源，調(diào)整課程安排，逐步協(xié)調(diào)規(guī)劃的方式在實(shí)踐探索中深入解決。

四、結(jié)論

“數(shù)字信號(hào)處理”課程群主題式教學(xué)，以主題貫穿課程群教學(xué)始終，以應(yīng)用驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，以工程實(shí)踐理論，統(tǒng)一了理論、技能、實(shí)踐、工程等各環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，打破了以往各課程間“自成體系，獨(dú)立考核”的模式，優(yōu)化了教學(xué)目標(biāo)，在反復(fù)實(shí)踐中固化了理論知識(shí)體系結(jié)構(gòu)，形成了“主題鮮明，理論主導(dǎo)，技能多元”的能力培養(yǎng)體系，使學(xué)生時(shí)刻都明白自己在學(xué)什么、做什么，明白理論、工程、前沿和未來之間的關(guān)系，自主搭建良好的知識(shí)和技能體系結(jié)構(gòu)。

卓越工程師主題式教學(xué)模式具有較強(qiáng)的針對(duì)性和普遍意義，可以在專業(yè)課教學(xué)中逐步推廣，讓學(xué)生通過若干主題的學(xué)習(xí)，全面掌握專業(yè)知識(shí)，提升專業(yè)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉順蘭，吳杰.數(shù)字信號(hào)處理[M].第二版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[2]李益華.MATLAB輔助現(xiàn)代工程數(shù)字喜好處理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

[3]張雄偉.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M].第四版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

（責(zé)任編輯：孫晴）