基于CDIO模式的研究生信號處理課程群的教學改革與實踐

索麗敏+富爽+邸國輝

摘要：隨著信息科學技術的迅速發展，信號處理技術已成為我國實施以信息化帶動工業化戰略的橋梁，成為21世紀信息化時代打開電子信息科學的一把鑰匙，其地位和作用越來越突出。但由于信號處理類課程內容理論性、邏輯性強，包含較多數學方面的知識，其概念理論較為抽象，使學生在學習中不容易產生感官認識，無法與工程實踐緊密相關。本研究從CDIO教育理念的視角對研究生信號處理課程群教學進行改革，從工程應用的角度出發，使學生對信號處理理論的基本原理更加熟練地掌握，可以充分地在科學研究和工程實踐中應用，培養實踐能力較強的高素質研究生。

關鍵詞：信號處理技術；工程實踐；CDIO；研究生

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）16-0140-02

一、引言

隨著信息科學技術的迅速發展，信號處理技術已成為我國實施以信息化帶動工業化戰略的重要橋梁。信號處理技術已經成為眾多本科專業必修的一門課程，但信號處理類課程內容理論性、邏輯性強，包含較多數學方面的知識，其概念理論較為抽象，使學生在學習中不容易產生感官認識，無法與工程實踐相聯系，而且目前國內外對于信號處理課程群的教學改革一般都集中在對本科教學的研究中，對于研究生信號處理課程群的教學研究較少。因此，對于研究生來說，從科學研究和工程實踐的角度理解掌握信號處理的基本原理，并在科學研究和工程實踐得以應用顯得尤為重要。如何使學生更好地從工程的角度掌握信號處理的基本理論，并將其廣泛應用于相關學科的科學研究和工程實踐，具有較大的研究價值。圍繞CDIO工程教育理念，修訂研究生信號處理課程群的教學和人才培養方案，有效落實教學和實踐計劃，有利于保障培養質量，也有利于促進人才培養結構的調整以及我國學位與研究生教育的健康發展。如何借鑒CDIO優秀的工程教育模式，充分發揮其在研究生培養中的重大作用，對我國的研究生教育具有重要意義。

二、CDIO模式與國內外發展現狀

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的新成果。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate），它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。CDIO的理念不僅繼承和發展了歐美20多年來工程教育改革的理念，更重要的是系統地提出了具有可操作性的能力培養、全面實施以及檢驗測評的12條標準。CDIO實質是“做中學”和“基于項目教育和學習”的集中概括和抽象表達，強調在課程教學和人才培養過程中利用專業知識解決工程問題的能力。CDIO已在國內外工程領域人才培養中取得成功，為碩士生的教學和培養提供了寶貴經驗。

CDIO工程教育模式一經提出，迅速發展。迄今為止，國外已有幾十所世界著名大學加入了CDIO組織，按CDIO模式培養的學生深受社會與企業歡迎。2011年12月“全國CDIO工程教育改革會議暨教育部CDIO高級研修班”在南京舉行。國內已有39所高校成為機械類、電氣類教育部CDIO工程教育模式研究與實踐課題組試點工作組高校成員。目前，CDIO工程教育模式的研究和應用主要集中在本科教育階段，在研究生的培養階段應用CDIO模式的研究較少。

三、研究生信號處理課程的教學存在的問題

目前研究生信號處理課程的教學存在以下問題和不足：其一，信號處理類課程內容理論性、邏輯性強，包含較多數學方面的知識，其概念理論較為抽象，使學生在學習中不容易產生感官認識，無法透徹學習、靈活應用；其二，信號類課程的內容整合銜接的不好，沒有形成一個有機的整體。具體來說“信號與系統”主要注重連續時間信號與系統的分析，但其中穿插了離散時間信號與系統的分析，比如Z變換這部分內容，在“信號與系統”和“數字信號處理”兩門課里都給予了介紹，內容重疊，占用了有限的教學學時；其三，突出數學分析，工程概念薄弱，理論聯系實際不足，原理、方法與應用脫節；其四，仿真和實現環節薄弱；其五，對于非主干專業的研究生來說，往往沒有較多的信號處理理論相關基礎和專業背景，數學基礎也參差不齊，在這些非主干專業研究生的教學過程中，對理論的實用性和學科間的交叉重視不足。

四、基于CDIO理念的信號處理課程教學改革與實踐

鑒于上述狀況，傳統的信號處理課程教學模式不能全面培養學生的實踐技能、工程能力與創新能力，必須加以改革，制訂科學的教學方案。

1.引入MATLAB軟件，全面改善教學方法。MATLAB是一種功能強大、使用較為簡單的工具軟件，應用MATLAB可以很容易地進行信號和系統的傅立葉分析、卷積運算、濾波器設計、信號濾波、圖像處理等工作，在授課過程中可以實時地演示信號處理的結果，使抽象的概念和數學公式變得直觀、形象，有助于學生對知識的理解和掌握，同時啟發學生思考。對于研究生來說，其直接算法的仿真實現也有助于對理論本身的深入研究，并將其迅速運用到工程實踐中。

2.基于CDIO工程教育模式，增加工程模擬類實踐環節。對于信號處理課程群，結合研究生研究方向及院校科研項目情況，增加工程模擬類實踐環節，使學生以工程項目為導向，以產品研發到產品運行的周期為載體，讓學生主動并有成效地進行實踐環節。

3.引導學生主動學習，啟發思考。以學生為主體的互動式教學是提高學生學習積極性和教學效果的有效方法之一，培養學生主動學習和思考的習慣和能力是素質教育活的靈魂，對于研究生的教育更是如此。例如教師在講授微分濾波器時，可以讓學生思考一幅風景圖像經過該濾波器輸出會是怎樣的，可以激發學生的學習興趣，而且讓學生用仿真軟件制作濾波器并觀察輸出結果。讓學生在這個過程中互相討論并解決問題，從而拓展思維。

4.做好不同課程間的銜接和交叉，構建課程體系。在信號處理課程群中，很多理論相互重疊、交叉，又都有不同的側重點。如在“數字信號處理”的教學內容中，離散信號與離散系統、Z變換等內容在“信號與系統”課程中已經作了一定的分析。在教學過程中，對于重疊的內容應盡可能減少學時，以內容回顧和補充的形式來安排這部分內容，避免簡單重復。endprint

對于不同的課程之間，應建立起連接，構建課程體系。比如：在“信號與系統”和“數字信號處理”的教學中，其連續部分和離散部分的相應變換和系統特性，雖然表達形式不同，但其本質卻是相同的，構建兩門課程之間的聯系，對照學習，可以使學生充分了解信號與系統理論的本質和精髓，以更從容靈活地將其應用在工程實踐中。

5.充分利用多媒體教學手段。信號處理類課程教學內容中大量的數學公式及推導，非常容易導致學生的恐懼和厭學心理，尤其是對背景知識較少、數學基礎要求相對較低的其他學科的研究生來說。由于在研究生的課程教學中，更注重讓學生掌握分析問題的方法、思路，啟發思考，探索工程應用和理論創新，因此，在進行這些部分的授課時，應先強調其物理概念，盡量使用畫圖、多媒體演示等方式形象地讓學生對公式和理論有感官認識，再講解數學公式及推導部分，使學生能夠準確深入地掌握信號處理的基本原理，掌握精髓，而不是面對一堆零散、復雜和抽象的公式。

6.改革考試形式。傳統的考試形式很難評定學生的自主學習能力和創新能力以及將所學理論應用于科學研究和工程實踐的能力，不符合研究生教育的培養目標。所以要對考試形式進行改革，例如題簽式考試，每個學生的題目不同，而且要考查學生的實踐能力。

五、結語

十余年中，信號處理技術已經被廣泛應用于通信、雷達、生物醫學、地球物理等領域，而且已經擴展到電氣工程、機械工程、化學材料和航空航天等領域，甚至滲透到經濟管理和交通工程等領域，對整個社會產生著重要影響。培養該方向具有高素質的研究生顯得尤為重要。基于CDIO模式的項目教學在信號處理課程中的應用，能夠有效培養學生的自主學習能力、信息分析能力、創新能力、表達能力和團隊合作精神。而且在實踐過程中進一步提高研究生的水平和實際應用能力，使研究生具備完成一個項目所涉及的專業理論和專業技能。我們相信通過CDIO高等工程教育模式的改革，將會大大增強研究生的綜合能力，提高了研究生的國際競爭力。

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