“信號與系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”教學改革與實踐

王 玲, 許 可, 萬建偉

(國防科技大學 電子科學與工程學院, 湖南 長沙 410073)

0 引言

“信號與系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”是我院開設(shè)的與信號處理系列課程配套的、本科必修的一門實踐課程，在信號處理課程體系中占有重要地位。該課程依托我院信號處理實驗室提供的實驗環(huán)境開展實施，課程要達到的三個目標分別是知識目標、能力目標和素質(zhì)目標。

知識目標就是通過這門課程的學習、實踐，使學生更加深入地理解和掌握所學的理論知識，探究實驗中所用到的理論算法；

能力目標是指通過該綜合實驗，使學生提高運用知識分析和解決問題的能力以及工程實踐能力，系統(tǒng)了解從理論分析到仿真計算，再到工程實現(xiàn)的過程；

素質(zhì)目標是指通過該綜合實驗，使學生形成良好的團隊協(xié)作精神，鍛煉其自主學習、獲取知識的能力，培養(yǎng)其嚴謹求實的工作作風、良好的環(huán)境保護意識和用電安全意識。

該課程是在大三信號處理系列課程學習結(jié)束后，集中兩周時間在夏季短學期開展的，共36學時。在這個時間節(jié)點，學生已完成了基礎(chǔ)理論課程的學習和基本的課程實驗，具有一定的理論知識和實驗技能，有能力完成該綜合實驗課程。同時，該課程實施又為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計、工程實踐和科學研究打下良好的基礎(chǔ)，該課程承前啟后的地位，如圖1所示。

圖1 “信號與系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”課程承前啟后的關(guān)系

1 課程的設(shè)計理念及實施過程

我院的“信號與系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”課程采用基于學習和實踐的項目PBLP(Project Based Learning and Practice)教學法，這是一種以實踐為導(dǎo)向、教師為主導(dǎo)、學生為主體的教學理念，它從職業(yè)發(fā)展變化的實際需要出發(fā)，選擇典型的項目為教學內(nèi)容，通過師生共同實施項目內(nèi)容進行教學活動；這種理念在項目任務(wù)完成過程中，能使學生積極地通過持續(xù)探索、團隊協(xié)作參與學習、自覺地進行知識建構(gòu)。基于項目的教學強調(diào)活動的實踐性，活動過程中強調(diào)密切合作，學習小組為完成任務(wù)共同努力。這些特點非常適合信號與系統(tǒng)綜合實驗的開展[4]。

課程在這一理念貫徹下，具體實施過程是參照科研項目的研究流程來進行的，由四個環(huán)節(jié)構(gòu)成，分別是選題立項、方案論證、組織實施和測試驗收，如圖2所示。由學生作為項目負責人帶領(lǐng)團隊成員切身體驗一下科研項目的研究過程，這不但為學生以后參加科研工作奠定基礎(chǔ)，更重要的是培養(yǎng)學生團隊合作精神。

圖2 綜合實驗課程的四個環(huán)節(jié)

(1)選題立項：我們首先發(fā)布綜合實驗課題，學生圍繞發(fā)布的實驗課題，通過查閱相關(guān)文獻、資料，了解課題研究背景，選定要完成的實驗課題；學生也可以選擇自己感興趣的信號處理領(lǐng)域的相關(guān)課題，與指導(dǎo)教師溝通、審定后作為實驗課題。我們已進行了3年的教學實踐，開設(shè)的部分實驗課題有：基于FFT的頻譜分析與測量系統(tǒng)的設(shè)計；音頻信號干擾抑制系統(tǒng)的設(shè)計；基于IIR濾波器的數(shù)字音頻混響器設(shè)計；數(shù)字音樂均衡器的設(shè)計；數(shù)字混頻及IQ轉(zhuǎn)換器的設(shè)計；基于多相濾波器的采樣率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計；時域重疊信號的分離及重構(gòu)實驗等；涉及數(shù)字圖像處理的實驗課題有：數(shù)字圖像的去噪處理；數(shù)字圖像直方圖統(tǒng)計及均衡化增強；數(shù)字圖像邊緣檢測；數(shù)字圖像的銳化、取反；圖像融合算法研究等。一般在2周的課程實施中會發(fā)布3-4個實驗課題，加上學生自選課題，就可以滿足需要了。例如：列出三個典型的實驗課題介紹如表1所示。

表1 部分實驗課題簡介

(2)方案論證：選定課題之后，以小組為單位(每個小組一般為2個學生)，學生要針對具體實驗課題進一步深入地學習相關(guān)理論知識，明確選題的要求和目標、需要完成的任務(wù)，從而設(shè)計完成任務(wù)的步驟、最終實驗結(jié)果的展示等；在本階段，還要求每個小組在規(guī)定的時間點上進行實驗方案匯報，以報告(presentation)的形式進行陳述。指導(dǎo)教師給出建議、點評，其他學生也可以提出問題進行交流。通過實驗方案匯報交流，對方案的可行性、工作量、難易程度等都有了較好的把控，這有利于實驗的順利進行，保證學生在有限的兩周時間內(nèi)完成實驗任務(wù)。

(3)組織實施：在前期準備的基礎(chǔ)上，這階段要在實驗平臺上開展實驗。我們采用的是瑞泰ICETEK-VC5509A、DM6437A集成實驗平臺，由于在前期的課程實驗中，通過相關(guān)的基礎(chǔ)實驗已使學生快速熟悉、掌握這一實驗環(huán)境，學生對在該實驗平臺上開展綜合實驗課題是有信心的。學生根據(jù)實驗方案設(shè)計的步驟、按計劃進行研究，首先進行仿真實驗，利用Matlab編程完成實驗算法的仿真、實驗參數(shù)的調(diào)試以及實驗結(jié)果的分析、統(tǒng)計等；參考、利用實驗平臺資源提供的例程程序，根據(jù)仿真實驗結(jié)果，完成在硬件平臺的程序修改和編寫，對系統(tǒng)進行性能分析；比較仿真實現(xiàn)與硬件實現(xiàn)效果上的差異，提出改進措施；總結(jié)設(shè)計、調(diào)試過程，寫出實驗報告。

(4)測試驗收：在測試驗收階段，每組學生要求以PPT形式報告實驗內(nèi)容，并現(xiàn)場運行實驗結(jié)果，回答指導(dǎo)教師和同學的提問，講述遇到的問題、解決方法以及自己的體會和收獲。指導(dǎo)教師根據(jù)每個小組的課題的難易程度、預(yù)期目標的實現(xiàn)情況、答辯情況和最終結(jié)果以及提交的總結(jié)報告等，最終確定各小組的成績。

基于學習和實踐的項目教學法，“信號與系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”整個實驗過程都是以學生為主體，教師為主導(dǎo)，以小組為團隊，相互協(xié)作，完成任務(wù)。

2 實施效果

經(jīng)過3年的建設(shè)發(fā)展，“信號與系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”已成為學生喜歡、收獲較大的實踐課程。基于學習與實踐的項目教學法激發(fā)了學生對實驗課題的興趣，提高了學生在實驗過程中主動發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的積極性。這方面，從學生對該課程的評價和實驗心得體會中可以看出。例如，有的學生在實驗心得中寫到：“通過該實驗過程，在幾個方面收獲很大：①將四年所學到的一些知識串聯(lián)起來，需要用到的很多理論知識在我們先修課程中都能找到影子，因此為了能夠更好地理解，就需要自己去聯(lián)想和回憶已經(jīng)學過的知識；②對圖像邊緣檢測的理論知識和基本方法有了一定的掌握，設(shè)計實驗最重要的就是能夠在短時間內(nèi)學習一個新的知識并能夠?qū)崿F(xiàn)，在本次設(shè)計實驗中自己查閱了很多書籍和資料才搞明白了這個問題，雖然整個過程并不很順利，但是真正弄明白之后還是覺得很有成就感；③對CCS平臺能熟練使用，在較短的時間里學會創(chuàng)建工程、調(diào)試程序，讀懂相關(guān)例程，完成程序的修改，得到所預(yù)期的結(jié)果，并對比分析仿真結(jié)果與實際平臺的處理結(jié)果，了解一些在實際實現(xiàn)中可能遇到的各種影響。”

在實驗過程中，我們鼓勵學生自主設(shè)計課題、或?qū)υn題進行修改，對有想法、又能付諸實施的學生予以鼓勵和支持。基于學習和實踐的項目教學法提高了學生的自主學習能力和動手能力，培養(yǎng)了團隊合作精神，調(diào)動每個人的聰明才智，共同克服困難，完成任務(wù)。這種實踐過程對后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計以及大學生電子設(shè)計競賽都起到了良好的促進作用。

3 結(jié)語

基于學習和實踐的項目教學法，非常適合“信號與系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗”這門與信號處理系列課程配套的重要實踐課程，通過3年的探索實踐，學生普遍認為該課程進一步鞏固、加深了其對相關(guān)理論知識的理解，使其掌握了常用的分析方法和實現(xiàn)方法，提高了其綜合運用信號處理技術(shù)的能力，如信號分析技術(shù)、數(shù)字濾波器設(shè)計技術(shù)和DSP實現(xiàn)技術(shù)等，同時也挖掘了他們自身的潛力，并調(diào)動了其主觀能動性。

[1] 劉景福， 鐘志賢．基于項目的學習(PBL)模式研究[J]．長春：外國教育研究，2002，29(11)：18-22．

[2] 章雪梅． 基于項目的學習及其教學設(shè)計． 教育信息技術(shù)[J]．廣東：，2009，( 2) : 24-26．

[3] 朱金秀，陳小剛，朱昌平．項目式實驗教學的探索與實踐[J]．上海：實驗室研究與探索，2008，27(11)：93-95．

[4] 王立強,王曉萍，杜立輝. 基于項目學習和實踐的課程改革創(chuàng)新探索[J]. 上海：實驗室研究與探索，2012，31(4)：114-116．

補遺

本刊第38卷第5期(2016年10月)刊登的論文“用于電類專業(yè)綜合創(chuàng)新的教學實驗平臺”(作者：東南大學吳樂南)，漏注：江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項目(項目編號：PPZY2015A035),特此補遺。

電氣電子教學學報編輯部