信號處理類課程教學實驗改革之探討與實踐

陳姿羽　喻德曠　楊豐　黃靖

摘 要 文章針對生物醫學工程本科信號處理類專業基礎課教學難、學生興趣難以提升等問題，提出了相關的教學與實驗改革。首先，在理論課的教學安排上解決了“信號與系統”和“數字信號處理”專業基礎課授課重復、學習枯燥、師生交流少等問題。其次，將實驗部分分三個學期進行，從最基礎的信號與系統實驗到最終的與生物醫學工程專業相關的心音信號采集與處理綜合實踐，讓學生由淺入深并能學以致用，解決實際問題，充分發揮創造性。

關鍵詞 信號處理 教學改革 實驗改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.08.053

Discussion and Practice of Teaching Experiment Reform of

Signal Processing Course

CHEN Ziyu， YU Dekuang， YANG Feng， HUANG Jing

（Department of Electronic Technology， School of Biomedical Engineering， Southern Medical University， Guangzhou， Guangdong 510515）

Abstract In view of the difficulties in teaching signal processing related courses and raising interests for undergraduates of Biomedical Engineering， we proposed the relevant teaching and experimental reforms. First of all， in the arrangement of theoretical courses we solved the problems such as the repetition in courses of “Signal and System” and “Digital Signal Processing”， boring learning and less communication between teacher and students. Secondly， the experimental class was divided into three semesters. From the basic experiments of signal and system to the final comprehensive practice of the heart sound signal acquisition and processing， let students learning from the shallower to the deeper. To enable students to solve practical problems and give full play to creativity.

Keywords signal processing， educational reform， Experiment course reform

信號處理類課程是電子工程專業本科生重要的專業基礎課程。為了使該類課程更適用于生物醫學工程專業本科生的教學，我們在理論和實驗教學上進行了相應的改革。

“信號與系統”和“數字信號處理”是信號處理類課程里最重要的兩門專業基礎課。這兩門課程以“高等數學”、“線性代數”、“電路分析”等課程為基礎，同時也是后續信號類專業課的基礎，在教學環節中起著承上啟下的作用。現階段這兩門課程存在授課內容重復，實驗內容銜接不合理，并缺乏綜合性應用實驗等問題。理論課方面，該兩門課程涉及到很多數學概念、物理概念及工程概念，學生在學習過程中對于大量公式和理論推導感到吃力，很難從整體上把握住課程的實際意義和作用，也很難產生學習興趣，因為難學而缺乏學習主動性。實驗課方面，原來的實驗內容是嚴格對應理論課而設計的上機操作，安排在對應的理論課課程最后部分。雖然通過上機操作加強了學生對之前學過的理論知識的理解，但是由于沒有連貫性故無法更深入地學習，也難以學以致用解決實際問題。

針對信號處理類課程理論和實驗教學上面臨的問題，我們設計了一整套適合生物醫學工程專業本科生的教學方法。后面將分別從理論教學和實驗教學兩個方面分別闡述具體教改過程。

1理論課教學改革

理論教學改革主要是針對“信號與系統”和“數字信號處理”這兩門專業基礎課，改變傳統的公式推導、理論灌輸和大量課后習題為主導的教學方式。改革的目標是為了提高學生的學習興趣和學習效率，使學生學習完這兩門課程后能在宏觀上理解這兩門課程的實際意義，并牢固地掌握相關基礎知識從而為后續課程和后續研究打下堅實的基礎。[1，2]

教學方法的改進主要有以下幾點：

（1）理論聯系實際從生物醫學工程方面收集應用實例，結合課程相關理論知識在課堂上進行介紹，使學生由形入實地掌握知識以加深記憶。對于概念比較抽象的內容通過制作小動畫清楚地演示其原理與計算過程，讓學生理解得更透徹。

（2）教學內容上將“信號與系統”課程中與“數字信號處理”重復的內容進行了調整。“信號與系統”課時數由原來的72學時改為64學時，將離散信號的頻域分析、離散時間系統的頻域分析等移到“數字信號處理”課程中講授。“數字信號處理”由原來的64學時改為48學時。統一將原本接在該兩門理論課后的實驗課內容調整到后面的學期統一進行。

（3）課后作業不僅僅是單調的作業題，我們還提供了一些輔助性的課外閱讀，尤其是與生物醫學工程相關的醫學信號方面的文章。讓學生對專業課程有宏觀上的了解，提高學習興趣，增強學習的主動性。

為了創造更好的學習氛圍，我們開設了一個網站服務器，[3]作為師生學習和交流的平臺。其功能首先是包含了布置作業和提交作業的系統，改善了之前批改作業需要收大量作業本的問題，提高了效率的同時也節省了空間。第二，該平臺還包含平時上課簽到系統，可以用手機連接服務器現場點名并直接記錄在系統中，方便教師統計到課率。第三，可以存儲課程相關的一些課外讀物以便學生自行登錄下載學習。

2實驗部分教學改革

實驗教學環節較之前改動比較大，主要分三個階段進行，由淺入深，讓學生從掌握理論知識逐步過渡到形成可以獨立解決實際問題的能力。

第一個學期的實驗內容主要是將“信號與系統”和“數字信號處理”課程的理論問題結合計算機應用軟件matlab進行驗證學習。之前是將兩門課的實驗部分分別安排在相應的課程結尾，現調整在一起作為“信號采集綜合實驗一”課程，總共64學時。我們自編了實驗教材，從信號的創建到系統的分析，讓學生學會使用matlab解決原本理論課教材中手算推導和分析的內容。將兩門課的實驗內容綜合在一起，還能讓學生充分體會連續信號和數字信號在使用計算機處理過程中的聯系與區別。[4，5，6]

第二個學期的實驗內容主要是讓學生應用學習到的理論知識結合matlab軟件中的simulink進行信號類相關系統的設計與仿真，課程為“信號采集綜合實驗二”。要求每個學生選擇一個信號處理類小題目在老師的指導下使用simulink完成實驗，并上交最后的實驗報告。如WCDMA擴頻通信系統的仿真、調頻立體聲廣播系統的建模與仿真、直流降壓斬波電路設計等等。學生通過親自仿真本來已經比較成熟的信號處理類應用，為今后的學習和實踐打下堅實的基礎。

第三個學期通過對心音信號的一系列分析實驗，使學生能夠應用所學的相關知識解決稍復雜的實際問題，提高學生的動手和思考能力。[7]實驗的主要內容分硬件和軟件兩個方向。硬件方向主要是實現心音傳感器的設計，采集人體心音信號，生成音頻文件并顯示出心音信號波形等信息。軟件方向是對采集到的心音信號進行去噪、特征參數提取等的處理進而實現心臟疾病的診斷。通過分組的方式讓學生們自由組隊，每組3人分工合作完成。每周進行一次進度匯報，各組在匯報的同時互相交流知識，老師現場指導并提出問題。期末以答辯的形式由各組演示匯報設計成果。這種設計性綜合實驗增加了學生自主研究的能力并強調團隊合作精神。實現目標功能的方法有很多種，學生通過自行查找相關文獻資料，動手編寫程序和制作硬件等，增強了實踐動手能力，也充分發揮了自己的創造性。

3總結

經過以上教學和實驗改革的實踐，這兩學年還是取得了比較滿意的效果。不僅讓學生對較為枯燥的理論知識產生了更多的興趣，并加深了理解，同時也讓學生的實際動手能力和創造力都有了提高，為將來的學習和就業打下了堅實的基礎。

整套課程的安排與設計還會隨著實踐中發現的問題而不斷改進。如課程服務器網站設計如何能讓學生按時提交作業的問題還需要改進，因為經常有學生到下一章節結束才提交前幾章節的作業，沒有按進度學習勢必影響學習效果。所以，需要在系統中設計每次作業的最終上交時間，過期該次不可提交，不按時上交作業的那次記為0分，系統自動統計，按時關閉每次的提交申請。綜合實驗的內容也將隨著經驗的積累變得更豐富，現階段最后一學期的綜合實踐內容是心音信號的采集與處理，今后可根據需要加入如心電信號或生物電信號等方向的內容，使生物醫學工程專業的本科生接觸和實踐更多生物醫學信號類相關研究。

參考文獻

[1] 謝啟，陳飛，朱培逸.“信號與系統分析”課程教學改革探索與實踐.中國電力教育，2014（2）.

[2] 樊玲.“數字信號處理”教學改革的探討.科技創新導報，2012（4）.

[3] http：//122.114.172.81：8080/cms.

[4] 武紅玉.基于MATLAB的“信號與系統”實驗教學改革.科技信息，2012（11）.

[5] 艾煒華，湯建明，巫昌霖，肖森源，黃彬，曾慶寧.心音信號采集及自動識別系統.科技視界，2015（34）.

[6] 聞紹飛，劉紀紅，孫宇舸.MATLAB在數字信號處理實驗教學中的研究.實驗室科學，2016（5）.

[7] 關成斌，王捷，張福，寶宋杰.Matlab在數字信號處理實驗教學中的應用研究.電腦與電信，2011（11）.

[8] 韋哲，李戰明，程自峰，李向偉，魏偉一.基于聲卡的心音信號采集與處理系統的實驗研究.中國醫療設備，2008（10）.