新移動通信技術背景下的信號處理課程群教學改革與探索

莊陵 曹建玲 李強

【摘要】當前信號處理課程群的授課與新移動通信系統發展存在著不同步的問題。針對該現狀，結合電子信息工程專業培養要求和信號處理課程群教學要求，開展信號處理課程群改革探索。從課堂授課環節的教學內容、教學方法和模式，以及實驗實訓環節的訓練內容和考核方式等全面展開，利用Flash和MATLAB軟件開發作為手段，將新移動通信技術與信號處理課程群的重要概念有機融合在一起。實際實施結果表明課程改革提升了學生的學習興趣和實踐能力。

【關鍵詞】信號處理 移動通信 教學改革

【基金項目】重慶郵電大學通信與信息工程學院教育教學改革項目。

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）10-0236-02

基礎課的教學改革與研究，在人才培養的系統工程中發揮著重要作用，直接影響高等教育人才的培養質量。信號處理課程群一般包括“信號與系統”和“數字信號處理”，都是電子信息類學生必修的重要專業基礎課程，是其知識結構的重要組成部分，是學習“通信原理”、“自動控制”等后續課程所必備的基礎。信號處理的概念廣泛地涉及很多科學技術領域，例如在快速發展的移動通信領域，4G LTE/LTE-a和下一代移動通信系統即5G中的關鍵技術，涉及到大量信號處理的知識，包括DFT/FFT，信號上采樣下采樣，多速率等等，這些概念都來自信號處理課程群。隨著時代信息化的進程不斷加快，該課程群的作用日益彰顯，同時一些新的問題也逐漸凸顯。

一、信號處理課程群的現狀及存在的問題

信號與系統和數字信號處理等相關課程對數學能力要求比較高，其內容涉及到“高等數學”、“線性代數”、“概論與隨機過程”和“復變函數”課程的內容，課本上的通篇公式和概念，易令學生感覺抽象枯燥從而產生畏難情緒，不容易激發學生學習興趣。

另一方面，低年級學生缺乏對實際系統的感性認識，教師直接按課本授課會有理論脫離實際的問題。

總結起來，在傳統信號處理課程群教學中存在以下兩方面問題：

1.課程乏味，缺乏對學生主動性和學習興趣的激發

傳統理論教學重視對課程內容的傳授， 而忽視了對學生學習興趣的引導。由于高等教育長期以來習慣于“講解式教學”和“接受性學習”，教師往往把理論課教學理解為講解知識技能、概念、原理；學生往往把理論學習理解為習誦、模仿和做題。加之課程理論性強，課程內容涉及復雜抽象的數學關系，學習起來比較晦澀難懂，從而造成相當部分學生的厭學情緒，不利于發揮學生學習的主動性，嚴重影響教學效果；進而造成學生思維模式的固化，創造性思維能力弱化。

在我校，由于對信號系統和數字信號處理理論課程學時的不斷削減，及課堂形式的制約，沒有時間詳細講述信號處理理論與移動通信系統等實際系統的聯系和應用，造成學生認為所學知識都是舊知識，跟目前的新技術沒有關系，從而無法激發學生主動學習信號處理理論的興趣。

2.理論學習及實訓環節與技術發展現狀脫節

課程群配合理論教學內容開設了少量驗證性實驗和實訓內容，但其內容與實際工程中如移動通信系統中的物理概念和工程術語沒有聯系，不利于培養學生的工程實踐能力、創新意識及創新能力，難以提高學生主動參與的興趣。學校有移動通信方面的專業實踐平臺，這種實驗箱通常要么用于學生的認識實習，要么進行簡單的調制解調信號分析，或者搭建簡易的系統模型進行原理性描述，學生很難通過這樣的實驗實訓，把所學信號處理知識聯系起來建立起系統的概念。

因此，如何克服傳統信號處理課程群教學中存在的不足，建立起信號處理理論與移動通信原理等相關內容的聯系，將課程知識點跟實際系統融會貫通，進而改進教學模式是擺在教師面前的重要課題。

二、課程的改革探索

針對以上情況，我們從培養方案、實驗教學及考核大綱、新實訓實驗開發及課程內容整合等方面進行創新與實踐，將移動通信4G/5G系統關鍵技術與信號處理相關概念結合起來，擯棄傳統的隨課實驗教學模式，為探討開放式體系化的實驗教學模式，構建分層次的實驗教學體系，打造面向全校開放的極具特色和水準的專業實踐平臺作鋪墊。

同時，充分利用本校現有硬件和軟件資源，依托信號處理重慶市重點實驗室和移動通信技術重慶市重點實驗室，以科研課題為載體，以教師科研開發為手段，構建與教學內容體系互動的實訓創新體系和創新平臺，改變目前以課程帶實驗的孤立實驗教學模式和脫離實際系統的實訓模式，系統化課程教學模式，讓學生從中獲得有關移動通信技術方面的實踐體驗。

課程改革主要從以下兩方面入手：

1.演示課件的開發及在理論課堂上的引入

為了更好地幫助學生快速理解4G中LTE-a上/下行鏈路系統、以及5G中的熱門技術FBMC系統的工作原理，進而掌握信號處理相關原理和技術在移動通信中的方法和作用，開發相關多媒體模塊化演示課件顯得尤為必要。通過在理論課堂上對相關多媒體演示課件的觀看和學習，使學生在較短時間內留下一個深刻系統的印象，由此對隨后所做的實訓實驗的目的和步驟的理解能起到很好的鋪墊作用。

2.整合以信號處理關鍵技術為核心的實驗實訓教學內容

開發面向4G及下一代移動通信網絡的新MATLAB實訓實驗，演示及仿真真實移動通信系統的信號處理過程，針對DFT/FFT、信號上采樣下采樣、多速率等概念設計比較詳細的模塊演示和學生訓練環節。并將現有的信號處理課程群實訓相關實驗加以整合，既要避免內容上的重復，同時也注意實驗開展先后的銜接順序，讓學生有一個循序漸進的學習和適應過程。并充分挖掘軟硬件設備的潛力，為面向新技術開發新的實驗內容作鋪墊。

通過以上的課程改革研究與實訓設計，鍛煉學生擁有對系統的整體概念以及信號處理的系列概念，并具備較強的動手能力。

三、改革的實施

近兩年來，我們按照上述內容完善了信號處理課程群實驗教學體系和課堂教學模式，收到了良好效果。

首先，利用多媒體技術，用Flash軟件開發出生動的多媒體課件（包括LTE-a上/下行鏈路系統、FBMC系統的信號模塊化處理流程的演示多媒體課件等）在課堂上隨堂播放，并利用校園網絡，使學生可以隨時隨地下載和演示這些課件，提高學生的學習興趣。同時，利用工程案例教學法和基于溯源科學問題的研究性學習法，增長學生學習信號處理和通信其他專業課程的興趣。

其次，開發出信號處理課程群新實訓實驗3個，對DFT/FFT，信號上采樣下采樣，多速率等重要概念給學生以直觀體驗和訓練，同時整合移動通信新技術相關實驗內容，制定出開放式多層次的實踐教學體系。由于這幾個實訓實驗是4G的LTE-a及5G移動通信的熱點關鍵技術中的重要環節，實驗中學生獲得了與實際移動通信系統相聯系的較直觀體驗，對相關重要概念得到深入和形象的理解。

四、結語

當前，第四代移動通信系統在我國商用規模不斷擴大，第五代移動通信系統研發持續推進，在技術更新日新月異的大環境下，如何保持與時俱進，不斷改善教學效果，形成具有特色的學生創新思維和能力的培養方法，向社會提供適應需求的通信技術人才，是每個專業課教師都應思考的問題。

本次課程改革的實施，在與實際移動通信系統聯系的基礎上，夯實了信號處理課程群的理論基礎，為構建有效培養學生工程素質、工程能力和工程倫理的教學體系，提供了理論基礎和實踐參考。并且通過在實訓課程中設計相關實驗，改進了信號處理課程群的實驗教學方法與手段， 啟發本科學生的學習興趣，促進其學習動力。另一方面，新的課程改革提高了信號處理課程群任課教師的工程教育素質，更好的適應新形勢下高校的工程教育。對完善教師教學案例庫，創新理論教學環節，改革實驗、課程設計的教學內容與方式起到了推動作用。

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