專業(yè)學(xué)位研究生“現(xiàn)代信號處理”課程教學(xué)探索

文傳博

【摘要】現(xiàn)代信號處理是電氣工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位研究生的一門主要專業(yè)課，起到了承上啟下的連貫作用，在整個培養(yǎng)體系中占有重要地位。本文以專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)目標(biāo)與所授課程的性質(zhì)為出發(fā)點(diǎn)，針對該領(lǐng)域研究生的實際需求，結(jié)合作者多年來在現(xiàn)代信號處理課程教學(xué)中的經(jīng)驗與體會，提出該課程一系列的改革方案。該方案從研究生培養(yǎng)目標(biāo)，課程內(nèi)容組織，課堂授課手段及考核方式等幾點(diǎn)展開，特別對理論結(jié)合仿真教學(xué)模式的探索，考核方式的多樣化等方面做了詳細(xì)的分析與描述。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代信號處理 教學(xué)改革 專業(yè)學(xué)位研究生

【基金項目】上海電機(jī)學(xué)院“信號處理與分析”課程建設(shè)（編號：A1-0225-15-006-36）。自動化專業(yè)-人才培養(yǎng)模式研究（編號：A1-5701-15-004-01-01）。

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）12-0157-02

一、引言

與傳統(tǒng)信號處理方法相比，現(xiàn)代信號處理技術(shù)在非線性、非平穩(wěn)隨機(jī)信號的檢測問題、時域-頻域變化規(guī)律等方面具有良好的效果，可以將不同頻率組成的混合信號根據(jù)頻率的不同分為塊信號，從而可實現(xiàn)信號特征提取，故障診斷等常用功能。信號處理技術(shù)是現(xiàn)代電氣電子工程的基礎(chǔ)，近二十年來發(fā)展十分迅速并取得了諸多研究成果，是工程領(lǐng)域應(yīng)用研究最為廣泛的焦點(diǎn)之一，特別是高階統(tǒng)計量、頻域分析理論和小波變換等技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)，幾乎涉及到電氣工程領(lǐng)域的各個方面。另一方面，由于電氣工程普遍應(yīng)用于各個領(lǐng)域，因此電氣領(lǐng)域?qū)I(yè)碩士研究生的培養(yǎng)也體現(xiàn)除了當(dāng)前學(xué)科之間互相滲透的特點(diǎn)，其所研究的課題一般都屬于學(xué)科交叉的范疇。為此，根據(jù)對應(yīng)的工業(yè)背景，掌握好現(xiàn)代信號處理的常規(guī)技術(shù)對該專業(yè)學(xué)位研究生是十分必要的。事實上，“現(xiàn)代信號處理”近年來一直是我校電氣工程專業(yè)學(xué)位碩士研究生的主干課程，它以培養(yǎng)研究生掌握現(xiàn)代信號分析技術(shù)、提高科學(xué)實踐能力為目的[1]。該課程屬于基礎(chǔ)專業(yè)課，理論性和實踐性要求高，對成功培養(yǎng)一名合格的研究生發(fā)揮著重要的作用，又由于現(xiàn)代信號處理技術(shù)具有極強(qiáng)的生命力，因此它對學(xué)生以后的工作也有深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)前“現(xiàn)代信號處理”課程的教學(xué)內(nèi)容集中在介紹不同待處理對象的基本特征分析，處理技術(shù)的基本原理。要求學(xué)生了解和掌握Wiener濾波、Kalman濾波、自適應(yīng)濾波與功率譜估計、小波變換及其在相關(guān)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用[2]。

但需要指出的是當(dāng)前無論是教材的出版還是教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置，重點(diǎn)都在實現(xiàn)理論知識的強(qiáng)化，而由于該課程需要較高的數(shù)學(xué)知識，概念難懂，計算多，理論性較強(qiáng)等特點(diǎn)，常常導(dǎo)致學(xué)生無法取得理想效果。但事實上電氣領(lǐng)域?qū)I(yè)碩士的培養(yǎng)更多的強(qiáng)調(diào)以應(yīng)用為主，理論為輔，若不改進(jìn)講教學(xué)方法，學(xué)生很難將現(xiàn)代信號處理的理論知識與電氣工程的實際問題相對應(yīng)，學(xué)習(xí)過程中容易出現(xiàn)厭學(xué)、死記硬背等不良學(xué)習(xí)狀況[3]。另外，由于本課程理論先進(jìn)，內(nèi)容豐富，僅靠少量的學(xué)時教師無法詳細(xì)的介紹各種信號處理技術(shù)及應(yīng)用，因此教學(xué)過程中往往只抓理論重點(diǎn)，而變相的忽略了對實踐能力的要求。為此，本文從“現(xiàn)代信號處理”課程的特點(diǎn)出發(fā)，對如何提高教學(xué)質(zhì)量作出如下探討。

二、教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

電氣工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)目標(biāo)與學(xué)術(shù)研究生的培養(yǎng)有較大差別，因此，教學(xué)內(nèi)容的選擇也需根據(jù)培養(yǎng)目的的不同而不同。以筆者單位上海電機(jī)學(xué)院為例，我校電氣工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位碩士研究生旨在“培養(yǎng)具有堅實的電氣工程領(lǐng)域基礎(chǔ)知識和系統(tǒng)的電氣工程及風(fēng)電技術(shù)專門知識，能夠獨(dú)立運(yùn)用本領(lǐng)域的先進(jìn)方法和現(xiàn)代技術(shù)手段解決工程問題，具有承擔(dān)工程技術(shù)或工程管理工作的能力，能勝任電氣工程及風(fēng)電新技術(shù)的研究開發(fā)、新技術(shù)應(yīng)用等工作的高層次、復(fù)合型、應(yīng)用型的工程技術(shù)及管理人才?！庇膳囵B(yǎng)目標(biāo)可以看出應(yīng)用背景非常明確，對于專業(yè)碩士研究生，選取的教材應(yīng)通俗易懂，言簡意賅。但當(dāng)前該課程內(nèi)容涉及大量的定理、數(shù)學(xué)公式及理論推導(dǎo)，而專業(yè)學(xué)位的學(xué)生來說，他們將來不做專業(yè)的學(xué)術(shù)性研究。因此若不做出改變，仍然不考慮應(yīng)用背景，只集中在復(fù)雜理論的推導(dǎo)中，將與培養(yǎng)學(xué)生的初衷相悖。故而在選擇授課內(nèi)容時，應(yīng)更加注重整個知識的完備性、概念的清晰性、不同處理方法的邏輯性、在不影響理解的前提下盡可能的簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，從而使學(xué)生既對系統(tǒng)有總體的把握，又不會無暇顧忌應(yīng)用的學(xué)習(xí)。基于“現(xiàn)代信號處理”課程所涵蓋的主要知識點(diǎn)，結(jié)合電氣工程專業(yè)碩士的培養(yǎng)目標(biāo)，我們對授課的主要內(nèi)容進(jìn)行了梳理。努力把握調(diào)整后內(nèi)容的深度和廣度，更好的體現(xiàn)理論性的同時，通過在高科技中的應(yīng)用體現(xiàn)其先進(jìn)性。總體而言，我們在理論知識的選擇上對Kalman 濾波、Wiener濾波、功率譜分析等常用技術(shù)均會結(jié)合應(yīng)用背景介紹基本方法，重點(diǎn)體現(xiàn)不同方法之間的相互關(guān)系、性能優(yōu)劣以及使用范圍，并仿真實現(xiàn)。

三、教學(xué)方法與教學(xué)手段的改革

長期以來，由于課程本身的特點(diǎn)，教學(xué)方法和手段過于單一，同時受制于實驗室條件，該課程一直處于老師難教，學(xué)生難學(xué)的尷尬境地，如何改進(jìn)教學(xué)方法促進(jìn)學(xué)生理解涉及的基本概念，掌握進(jìn)步的分析方法以及提高綜合知識的應(yīng)用能力是任課教師需要解決的實際問題。學(xué)生對課程的興趣及主動性和參與性直接影響到課程的教學(xué)效果，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。電腦的普及為我們提供了便利，為此，我們充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，具體作如下方面的嘗試：

1.培養(yǎng)學(xué)生興趣

鑒于我校電氣工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位研究生以培養(yǎng)應(yīng)用實踐能力為主，學(xué)生更多的關(guān)注所學(xué)課程的實際用途，任課教師可以通過突出現(xiàn)代信號處理方法的廣泛用途來提高學(xué)生的興趣，吸引學(xué)生的課堂注意力，并增強(qiáng)學(xué)生的自信心和學(xué)習(xí)自主性。為此，在每學(xué)期上課之前，筆者精心不僅查找用到現(xiàn)代信號處理技術(shù)的世界最新科技成果，還注意搜集往屆已畢業(yè)學(xué)生在工作時需要用到現(xiàn)代信號處理知識的例子，精心準(zhǔn)備，第一堂課用PPT的形式向?qū)W生展示不同背景、不同領(lǐng)域中現(xiàn)代信號處理技術(shù)所發(fā)揮的作用，然后鼓勵學(xué)生發(fā)表自己的見解，闡述自己對現(xiàn)代信號處理技術(shù)的理解。通過互動的方式使學(xué)生認(rèn)識到信號處理技術(shù)功能強(qiáng)大應(yīng)用廣泛，同時還與自己以后的工作息息相關(guān)，進(jìn)而產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)一步提高學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的主動性。另外，在課堂教學(xué)過程中，任課教師也適時的引入國內(nèi)外研究工作者們的科研軼事與發(fā)展軌跡來提高學(xué)生的興趣。

2.多樣化與現(xiàn)代化教學(xué)

現(xiàn)代教學(xué)大多采用多媒體和板書相結(jié)合的方式，我們提出在前兩者的基礎(chǔ)上，再引入計算機(jī)從而實現(xiàn)三位一體的教學(xué)方式。這是由于基于“現(xiàn)代信號處理”的基礎(chǔ)理論大多數(shù)都是講解算法，嚴(yán)密推導(dǎo)和結(jié)論證明，學(xué)生在學(xué)習(xí)時普遍感到信號處理的概念抽象， 對其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握，因此在教學(xué)過程中， 首先輔以多媒體教學(xué)，充分利用計算機(jī)的運(yùn)算功能及圖形功能，用形象直觀的演示是提高教學(xué)效果的最好方式[4]。接著，在概念明確的基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的理論推導(dǎo)，在公式推導(dǎo)的疑難步驟處，多媒體播放過快導(dǎo)致學(xué)生無法理解而跟不上，為此，我們對關(guān)鍵步驟利用板書演示，詳細(xì)的證明過程有助于學(xué)生進(jìn)一步的理解且有助于鍛煉其邏輯思維能力。最后，需要學(xué)生利用MATLAB軟件在電腦上通過課堂編程和課后作業(yè)來提高動手能力，目前電腦的普及為實施這一環(huán)節(jié)提供了保障。例如在學(xué)習(xí)功率譜內(nèi)容時，可學(xué)生自己寫出兩個隨機(jī)信號，并利用簡單的命令計算它們的相關(guān)系數(shù)，自（互）協(xié)方差和標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)一步的根據(jù)一或兩個序列計算功率譜密度和互功率譜密度。經(jīng)過課堂的鍛煉，學(xué)生掌握了基本的命令，授課教師布置相對復(fù)雜的作業(yè)讓學(xué)生在課后思考并實現(xiàn)仿真。還以譜估計為例，指定一個由多個不同頻率的正弦信號和隨機(jī)信號疊加而成的復(fù)雜信號，給定采樣頻率，分別利用經(jīng)典的譜估計方法、AR模型以及Burg方法進(jìn)行譜估計，畫出功率譜曲線，并比較不同方法所取得效果的區(qū)別。

3.引入綜合課程設(shè)計

正如前面所述，由于該課程理論性強(qiáng)，對數(shù)學(xué)要求高，且課時少等特點(diǎn)，全面詳細(xì)深入的講解并掌握課本涵蓋的全部現(xiàn)代信號處理技術(shù)是無法實現(xiàn)的。為此在教學(xué)過程中兼顧課程體系完備性的同時，還要從實際的應(yīng)用背景出發(fā)，讓每位學(xué)生在掌握每類基本算法的前提下，再結(jié)合自己的研究方向?qū)Χ囝愔R做到對所學(xué)知識有所側(cè)重并有所延伸，要求學(xué)生在掌握所有基礎(chǔ)知識的同時，還自主選擇自己感興趣且與自身研究方向密切相關(guān)的信號處理技術(shù)，繼續(xù)深入研究。希望他們在和任課教師溝通后，可以根據(jù)自己的研究方向和興趣選擇一個會用到現(xiàn)代信號處理理論的綜合設(shè)計題目，而后根據(jù)所選定的題目闡述設(shè)計過程中所遇到的困難，使用所掌握的理論知識和編程技巧，解決若干個問題。例如在學(xué)習(xí)Kalman濾波理論時，任課教師重點(diǎn)講授經(jīng)典Kalman濾波的應(yīng)用背景，推導(dǎo)相應(yīng)的濾波算法并通過模擬被噪聲污染的信號源讓學(xué)生通過仿真實現(xiàn)濾波。若有學(xué)生對該技術(shù)感興趣，即可選擇一定的應(yīng)用背景，結(jié)合所學(xué)的知識開展綜合設(shè)計的工作。

四、考試方法

長久以來，大家把理論考試成績當(dāng)作評價學(xué)生的一個主要依據(jù)，甚至是唯一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致許多學(xué)生從小學(xué)到研究生一直擅長理論考試，但這與工程碩士的培養(yǎng)目標(biāo)不一致。為了改進(jìn)這一情況，提高學(xué)生的動手實踐能力，我們根據(jù)課堂的教學(xué)內(nèi)容，采取多種方式相結(jié)合的方式進(jìn)行考核，達(dá)到了解學(xué)生綜合能力的目的。首先，必要的理論考試用以檢查學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握程度；然后，根據(jù)之前每位同學(xué)所自主選擇的設(shè)計題目，將自己的主要研究內(nèi)容和取得的研究成果用幻燈片的形式向大家展示，在展示的過程中，教師和同學(xué)們可隨時對相關(guān)內(nèi)容提問，要求匯報人對大家所感興趣的問題一一作答，我們將現(xiàn)場的表現(xiàn)作為考核的一部分；最后，要求提交研究報告并作為考核的依據(jù)，詳細(xì)的敘述所做設(shè)計過程中遇到的問題，說明具體用到的現(xiàn)代信號處理的技術(shù)，以及該技術(shù)在實際中的應(yīng)用范圍。通過三種考核形式相結(jié)合，能夠全面的了解學(xué)生，且培養(yǎng)出學(xué)生的能力與電氣工程領(lǐng)域?qū)I(yè)碩士研究生的培養(yǎng)目標(biāo)相一致。

五、結(jié)束語

現(xiàn)代信號處理教學(xué)內(nèi)容的改革已在我校電氣工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位碩士研究生的教學(xué)中實施，取得了明顯的效果，得到了學(xué)生的好評。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置是一個不斷探索、不斷完善的過程，希望與各位同行共同的交流與研究，同時也得到各位專家的幫助與指導(dǎo)，為提高專業(yè)學(xué)位研究生的教學(xué)質(zhì)量而努力。

參考文獻(xiàn)：

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[2]胡廣書. 現(xiàn)代信號處理教程（第二版）， 清華大學(xué)出版社， 2015

[3]桂淑華. 電氣工程全日制專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)研究. 中國電力教育， 08期， 14-15， 2014

[4]白君貴.全日制專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式研究——以主導(dǎo)價值取向為定位. 學(xué)理論， 27期， 208-209， 2012