新建本科院校信號處理課程群的構建與探討

方薈+余根堅+曹新容+陽清

摘要：信號處理課程群是通信工程本科專業重要的專業基礎課課群。本著本校復合型、應用型、特色型的人才培養目標，我們對信號處理課程群進行整合構建，從教學內容、教學方案、教學手段以及實踐環節幾個方面進了探討與研究，使課程群各課程既相互獨立又融會貫通，既各有側重又緊密聯系，最終達到夯實專業理論基礎，提高分析思考與動手能力的教學目標和教學要求。

關鍵詞：信號處理課程群；整合優化；實踐統一

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）01-0048-03

近幾年來，與擁有優質資源投入、制度部署傾向的本科院校相比，我國地方本科院校尤其是新建本科院校在復合型、應用型、特色型的人才培養模式上做了許多的探索，也取得很大的成就，但同時也存在諸多的突出問題。如人才培養目標定位模糊，人才培養質量難以保障等。復合型要求人才的培養，不是只針對學生的某一種素質，而是綜合素質的交叉。應用型要求人才的培養，注重理論與實踐的結合，單純的理論教學或實踐教學都是不可取的。特色型要求人才的培養，突出符合地方人才需求的培養方向和培養目標。這所有的一切都要落實到一個合理且富有彈性的專業培養計劃上。而課程作為培養計劃的基礎，是培養計劃實現的渠道，其設置是否合理，是否科學，就顯得極為重要。

課程群是與單門課程相對應的一種課堂建設模式，國內高校進行課程群建設至今已有十多年的歷史。課程群是以單門課程為基礎，整合若干門內容相關聯或難度由淺入深的課程組成一個結構合理、層次清晰、課程間相互銜接、相互配合的課程群體。[1]目前，我國很多高校電子信息類專業傾向于將“信號與系統”、“數字信號處理”和“DSP應用技術”三門課程構建成信號處理的課程群體系。[2-6]在構建及優化信息處理課程群體系方面，許多院校結合自身實際情況，做了有益的探討或實踐。有的院校開始借鑒國際專業教育改革趨勢，如哈爾濱理工大學的黃海、張宏國等引入改革本科工程類專業教育的國際項目CDIO（構思、設計、實施、運作）理念，對集成專業的信號處理課程進行優化組合，為其專業實施CDIO教育奠定基礎；[7]有的院校提出以研究型的教學模式來構建信息處理課程群；[8]有的院校通過構建信息處理課程群，對實踐教學環節重新規劃安排，形成創新與研究能力為主線的多層次實踐教學的新培養體系；[9]也有院校結合“卓越計劃”的要求，從實踐教學和工程應用培養方面進行改革。[10]盡管如此，鮮有針對地方新建本科院校在信息處理課程群方面進行構建與探討。[11]

本文的信號處理課程群是由我校通信工程專業所開設的信號與系統、數字信號處理和DSP應用技術三門課程構成，均為電子信息類專業的核心課程。其中，“信號與系統”著重信號的描述和系統的分析；“數字信號處理”著重于數字信號處理的方法和技術實現；“DSP應用技術”著重于數字信號處理系統的軟硬件開發及應用。結合我校實際情況，“信號與系統”和“數字信號處理”兩門課程存在教學內容銜接不暢，實驗內容重復等問題。由于“DSP應用技術”課程剛剛開設，實踐環節的支撐作用還無法體現?？紤]到我校與其他新建本科一樣普遍存在的問題：學生自身學習綜合素質一般，學習積極性不高；教師教學能力和教學水平有限；學校整體良好的學習氛圍和學習風氣還需積極持續的引導和營造等問題，有必要對這三門課程進行優化整合，形成適應新建本科院校的信號處理課程群概念的教學模式。具體的，以設計系統為目的，以信號描述為基礎，實現原理、方法和應用的結合，使我們的學生能夠系統地掌握信息處理課程的內容，并學以致用，真正符合復合、應用和特色的培養要求。鑒于此，本文將遵循本校通信工程專業的培養計劃，對信息處理課課程群建設進行一些探索和研究，提出一些有益方案和建議。

一、信號處理課程群教學內容整合

信號與系統課程和數字信號處理課程作為專業基礎課，在教學培養計劃中安排在連續的前后兩個學期。從教學內容上看，兩門課程有許多交叉的部分，需要進行相應的優化。DSP應用技術作為基礎課的后續應用課程，在教學內容上也應該有所延續性。主要的整合措施包括：①刪除重復內容，如“信號與系統”和“數字信號處理”中關于離散系統的頻域描述；又如“信號與系統”和“數字信號處理”中繁瑣的理論公式推導，以強調數學模型的物理意義加以代替。②補充新的內容，如增加“信號與系統”和“數字信號處理”中印證基本原理的實例；又如增加“DSP應用技術”課程教學內容，如FFT變換處理實驗。③轉移部分內容，如適當引入“數字圖像處理”、“隨機信號處理”的課程教學內容作為實例，激發學生的學習興趣。在整合中注意做到：對重復的內容，并非完全刪去不提，而是在課堂教學與實踐教學中有必要時加以回顧和引導，并不是簡單的重復；對補充和轉移的內容，強調案例的介紹，通過歸納演繹等方法，讓學生對知識點的理解更加深刻，做到融會貫通；圍繞專業培養計劃所制定的無線通信專業方向和圖像處理專業方向，有選擇地引入有關這兩個方向在信號處理上的實例，如濾波器在無線通信系統接收機和圖像預處理中的應用；不論是刪除、補充還是轉移措施，在每門課程的教學過程中，都注意前后課程的聯系。我們歸納出了三門課程主要知識點的聯系，見表1。從中可以注意到，“DSP應用技術”與前兩門課程的聯系較多的在于：為系統設計鋪墊概念基礎，理解數學模型和物理模型之間的區別。如信號的描述，在DSP設計中并不存在理想的連續正弦波信號；再如數字濾波器的設計，并不存在真的無限長單位脈沖響應。

整合清楚課程群的內容相當于明白了課程群各課程之間的千絲萬縷的聯系，也理清楚了各門課程的本質與區別。在后面的課程教學和實踐教學中，既可以根據學生的實際情況，在把握好當前課程教授情況的同時，又能顧及課程群其他課程的影響。課程群的課程之間相互制約，相互補充，形成整個課程群的內容體系。

二、信號處理課程群教學方案和教學手段整合

信號處理課程群中前后課程蘊含的遞進層次，也要求每一門課程在教學方案和教學手段上要有所偏重和不同?！靶盘柵c系統”課程是信號處理課程群的基礎課程，內容多偏理論，力求清楚講授五個問題：什么是信號？什么是系統？信號與系統是什么關系？怎么進行信號分析？怎么進行系統分析？對于相當部分數學底子薄弱且第一次接觸信號處理概念的學生來說，這些問題都有一定難度，因此，教師在授課時多采用歸納法，即從具體到抽象的方法，讓其容易掌握這些信號處理的基本概念，對信號處理領域有所入門。在習題作業的布置上，以基本概念與基本計算為主?！皵底中盘柼幚怼闭n程所涉及的信號處理框架是大致相同的，即從信號的引入到信號的時域分析，到信號的頻域分析，再到信號的復頻域分析。所不同的是其“數字”或“離散”的部分，在信號處理應用中更多處理的便是數字信號。在講授比較與連續信號的異同點時，多采用演繹法，即抽象到具體的方法，啟發學生思考，用實例驗證，鍛煉學生的邏輯思維能力。在習題作業的考察上，以比較分析與應用計算為主。“DSP應用技術”課程是數字信號處理的實現，從理論到實踐，多采用歸納法，讓學生逐步認識數字信號處理的軟硬件體系，當學生能夠相對獨立完成DSP的應用實驗時，再從歸納法的角度出發，啟發學生探索設計屬于自己的DSP系統。在習題作業的安排上，以簡答與分析為主。

在教學手段方面，平衡板書和多媒體的使用，引入matlab軟件的可視化教學。對于教學的難點和重點，多采用多媒體和軟件可視化的方式，生動形象的加以解釋。有一些推理過程，無法用可視化表示，也可采用比擬的方式。如傅里葉變換告訴我們，任何周期函數，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的疊加。在這里我們可以理解為，利用對不同琴鍵不同力度，不同時間點的敲擊，可以組合出任何一首樂曲。對于繁瑣的數學模型及其數學推導過程，采用ppt與板書相結合的方式，以啟發為主，講解清楚其中所包含的物理含義即可。

從課程群的課程設置來看，關于信號處理的概念到方法，理解程度都應當是逐漸加深的，教學方案和教學手段也應當循序漸進的。起初更多的使用歸納法，讓學生抓住信號處理的基本概念和基本方法，接著多配合使用演繹法，讓學生學會舉一反三，學會在教師的引導下做總結和歸納，在比較中加強課程群概念之間的區別和聯系。再以“數字信號處理”這門課程為例，如果僅就這門課程而言，它所包含的基本概念也是眾多的。新概念的吸收，或許采用具體到抽象的方法是合適的。但從整個課程群來看，數字信號的處理并不完全是一個新概念，它是“信號與系統”課程的延伸。因此，還是采用演繹的方法，避免重復講授。

三、信號處理課程群實踐內容整合

從實踐內容上看，課程群課程也有許多重復的部分，需要進行相應的調整。具體措施如下：①刪去重復內容，如“信號與系統”和“數字信號處理”關于數字信號圖形表示和基本運算的實驗內容。②補充新的內容，如結合“信號與系統”及“數字信號處理”中的實驗內容，增加相應的“DSP應用技術”課程實驗內容。③轉移部分內容，如適當引入“數字圖像處理”“隨機信號處理”的課程實驗內容，提高學生的動手能力。因為實踐內容是教學內容的學以致用，所以在設置實驗內容時，既配合教學內容，引導理解和掌握教學內容的應用，又精心設計思考題，鼓勵學生延伸學習。培養學生獨立思考和動手的能力，為應用型人才培養提供支持。如在離散信號的時域運算與變換實驗中，開設了如表2的實驗內容。

可以看到，基本實驗遵循教學內容安排，從序列的移位運算到序列的奇偶分解運算再到序列加法、序列翻轉運算，難度逐漸加深，各實驗內容之間有相似之處，也有不同的考察重點。相似之處在于序列在matlab編程時要注意長度的一致性；不同之處在于：有的只需帶入運算公式，有的則需考慮所有可能的情況。思考實驗內容是基本實驗內容的拓展，如果基本實驗內容需要教師講解，那么思考實驗內容則需要學生進行完全獨立的思考，教師只給予點評和必要的指導。增加的思考實驗內容也有助于學生訓練編程邏輯，總結編程經驗。從信號處理的物理概念出發，明白理論與實踐之間的聯系，同時也明白它們之間是存在差別的，思考怎樣避免或盡量減少這些誤差，在允許的范圍內實現信號處理的目的。對于“信號與系統”和“數字信號處理”，在安排幾次基礎實驗或驗證實驗之后，需要在實驗課程中再設計一些綜合實驗。綜合實驗有別于基礎實驗，其目的在于拓展基礎實驗的范圍，如將信號處理拓展到圖像處理領域或無線通信系統的信號處理領域。這樣做也是為了將信號處理實驗的仿真實驗更貼近系統實驗，而不僅僅是停留于書上公式的仿真實驗，在實驗中讓學生深刻體會信號與系統之間的緊密聯系。增加的“DSP應用技術”的實驗內容補充了之前的仿真實驗。我們知道，實驗不僅要考察學生的分析問題解決問題的能力，也要對學生的動手能力提出一定的要求，對于工科的學生來說更是如此。就信號處理課程群的學習而言，系統設計與系統實現是它的最終目的。在課程群的最后安排這樣一門實踐性較強的課程，既可以使得學生更多的了解系統的設計原理和設計過程，也可以讓學生接觸到構成信號處理系統的典型模塊及它們的設計，促使學生將信號課程群所的內容靈活地應用到實踐中，并啟發學生進行新的系統設計與搭建。

四、信號處理課程群教學與實踐環節的統一

課程實踐一方面是課程教學的檢驗，另一方面是課程教學的深入。為了使得課程群教學與實踐環節的統一，我們提出三個方面的措施：①理論教學指導實踐環節，如“信號與系統”和“數字信號處理”指導“DSP應用技術”。②實踐環節反哺理論教學，如“DSP應用技術”反哺“信號與系統”和“數字信號處理”。③建立教學與實踐的反饋機制。第一個措施在實施中要求能夠充分發揮“信號與系統”和“數字信號處理”兩門課程對“DSP應用技術”的基礎性作用。如對于數字信號的產生原理，對數字信號的預處理方式等，均可用于提供基于C語言的DSP芯片的編程思路。第二個措施體現了“DSP應用技術”作為課程群重要實踐環節的地位?！癉SP應用技術”中的數值運算基礎、基于匯編語言的DSP芯片開發等內容均與前兩門課程相應內容有很大的區別。要真正明白這些區別，需要在實踐過程中去體會，體會理論數學模型與實際物理模型的不同之處。例如，DSP芯片的數值運算往往受制于芯片位數與存儲器大小，會出現“溢出現象”，而理論的數學運算則不存在這樣的問題。為了保證前兩個措施能夠落到實處，有必要搭建起教學與實踐之間的反饋機制。反饋機制以學生定期反饋，教師檢查為主，同行評價、督導評價為輔。學生自主的反映可以包括提問、回答問題、自評價等方式；教師的主動檢查可以通過觀察、提問、評價等途徑。同行評價和督導評價則分別指課程群任課教師的和督導教師給予的評價。在反饋機制運行中，首先，無論是反映還是檢查，均貫穿教學過程與實踐過程，且需要相互依賴。不能只憑其一就得出反饋結論，否則都是片面的。其次，所有的反饋都應當是主動的，及時發現教學與實踐存在的問題，采取應對措施加以解決。最后，客觀對待同行評價和督導評價的結果，與評價教師溝通，做到有則改之，無則加勉。

五、信號處理課程群構建中人的因素

課程群的構建離不開人的因素，在新建本科院校中顯得尤為重要。在新建本科院校中，青年教師占了很大的比例。因此在課程群構建的過程中思考怎樣使得青年教師穩健成長，師資結構逐步合理化；怎樣提高課程群教師之間的溝通效率；怎樣讓學生理解課程群的設置；怎樣讓學生也參與課程群的構建，為完善整個信息處理課程的體系結構而服務，這些都是課程群構建中要考慮的。這里提出了一些建議。從教的角度出發，第一，作為信號處理課程的主講教師，努力提高自身教學水平和專業工程素質。第二，定期開展信號處理課程群教師討論會，加強課程之間的實際溝通，共同解決實際可能存在的困難。第三，在具體實施時，學生會礙于面子，而不敢主動反饋。因此除了起初必要的獎勵以外，需要多鼓勵多贊揚，給予恰當的評價。從學的角度出發，第一，鼓勵學生選修必要的人文課程，拓寬知識面，用不同的角度去理解和看待問題，幫助找到學習的興趣所在和發展方向。第二，在每門課程的開始，引導學生充分認識課程群每門課程的作用，理解它們在整個課程體系中的位置，真實反映自己的學習狀態和學習體會；第三，鼓勵學生多動手，不畏困難，在實踐中激發成就感和探索欲。真正樹立起學以致用，終身學習的學習理念。在課程設計和畢業設計等實踐中大膽、創造地使用所學知識。

信號處理課程群作為通信工程本科專業的一系列重要的專業基礎課構成的課程體系，無論是在教學內容、實踐內容還是教學方案、教學手段等方面，均存在密切的聯系。對于新建本科院校，構建一個合理且完善的信號處理課程群，不僅需要教與學的各個方面入手，打通教學與實踐的溝通渠道，還要充分發揮課程群建設中人的主觀能動性。盡管我們從課程群體系與教學內容到實踐環節的整合優化中取得了一些成績，也受到學生的好評和同行認可。但信號處理課程群的構建只是一個開始，它的建設是一項長期的任務，只有不斷的完善與更新，才能建設成為一個完備的課程群體系。另外，本文的提出的一些思路和探討在教學執行過程中還會受到其他一些主客觀因素的影響，如部分同學的主動性，學校公選課的改革等。因此需要因時施宜，繼續探索新建本科院校信號處理課程群的建設，為其他課程群構建提供理論和方法借鑒。

參考文獻：

[1]黃鄉生.《信號與系統》重點建設課程群的若干問題探討[J].東華理工學院學報（社會科學版），2007，26（4）：418-421.

[2]單潔，唐垚，曹紅梅，等.信號處理課群整合優化的實踐與探索[J].吉林省經濟管理干部學院學報，2015，29（5）：90-91.

[3]歐陽華，楊忠林，李輝.“信號與信息處理”課程群教學改革研究[J].中國電力教育，2013，（19）：70-71.

[4]馬賽，李方能，吳正國，等.《信號與系統》課程群的建設與教學改革探索[J].高等教育研究學報，2010，33（1）：102-103.

[5]劉云秀.“信號處理”課程群建設的改革研究與實踐[J].吉林工程技術師范學院學報，2011，27（5）：67-69.

[6]張曉青，馬牧燕.信號處理課程群的學習遷移教學應用[J].科技信息，2011，（31）：467，490.

[7]黃海，張宏國，劉勝輝，等.集成專業CDIO二級項目建設——基于信號處理課程群構建[J].北方經貿，2013，（2）：117-118.

[8]李靜，郭汝靜，秦長海.基于研究型教學模式構建“信號信息處理”課程群教學體系[J].電腦與電信，2012，（1）：60-62.

[9]宋楊.基于創新實踐體系的電氣信息大類專業信號處理課程群的優化整合研究[J].福建電腦，2012，28（8）：26-27.

[10]劉慶華，歐陽寧.面向卓越計劃的信號處理課程群的教學研究與實踐[J].中國電力教育，2012，（31）：48-49.

[11]曹斌芳，郭杰榮，彭建英.地方本科院校信號處理課群結構優化探討[J].科技資訊，2010，（2）：239-239.

Construction and Exploration of Signal Processing Curriculum in Newly Built Undergraduate Colleges

—A Case Study of Communication Engineering in Minjiang College

FANG Hui，YU Gen-jian，CAO Xin-rong，YANG Qing

（Department of Computer Science，Minjiang College，Fuzhou，Fujian 350108，China）

Abstract：The signal processing course group as an important professional basic course group of communication engineering undergraduate course.The purpose of the school compound type，application type and characteristic of talent training goal，we of the signal processing course group construction and integration，from the aspects of teaching content，teaching plan，teaching methods and practice several links into the discussion and research，so as to make the curriculum the curriculum，independent and achieve mastery through a comprehensive study of the subject.Both have focused and closely related to，and ultimately achieve lay a solid foundation for the theory of professional，improving the analytical thinking and practical ability of the teaching objectives and teaching requirements.

Key words：signal processing course group；integration and optimization；practice unity