應用型本科院校信號處理類課程群新工科建設(shè)初探

方薈，馮慧斌，林文，曹新容，陽清

摘要：信號處理類課程群是通信工程專業(yè)課程體系建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)對通信工程專業(yè)在新工科背景下的轉(zhuǎn)型升級具有重要促進作用。文章以應用型本科院校為例，結(jié)合當前新一輪的產(chǎn)業(yè)變革、科技革命、新經(jīng)濟發(fā)展形勢和中國制造2025國家戰(zhàn)略等對地方應用型人才的需求，在保留課程核心理論知識的同時，對教學內(nèi)容和實踐內(nèi)容進行重構(gòu)，探索建設(shè)符合新時代要求的信號處理類課程群。引入認知與建構(gòu)的教學理論，充分利用豐富的網(wǎng)絡(luò)資源和編程平臺，幫助學生更好地滿足地方新經(jīng)濟環(huán)境下通信行業(yè)對人才的要求。

關(guān)鍵詞：新工科;應用型本科;通信工程;信號處理;課程群建設(shè)

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）01-0274-03

一、引言

“新工科”建設(shè)是主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動。地方高校，尤其是新建地方應用型本科院校要對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供智力支持，把“新工科”建設(shè)作為院校應用型轉(zhuǎn)型改革的“催化劑”，人才培養(yǎng)方案與課程體系建設(shè)更是要圍繞這一點而展開[1-5]。近幾年傳統(tǒng)通信行業(yè)受到互聯(lián)網(wǎng)和人工智能浪潮的沖擊和影響[6]。在此背景下，通信工程專業(yè)急需轉(zhuǎn)型、改造和升級。結(jié)合新的一輪產(chǎn)業(yè)變革、科技革命、新經(jīng)濟發(fā)展形勢和中國制造2025的國家戰(zhàn)略對創(chuàng)新型工科人才的需求，在保留課程基礎(chǔ)理論結(jié)構(gòu)的同時，借鑒“卓越工程師培養(yǎng)計劃”[7]“CDIO工程教育模式[8]”和“OBE成果導向教育[9]”的理念，對傳統(tǒng)的課程內(nèi)容進行優(yōu)化，建設(shè)符合新建應用型本科院校在新時代要求的信號處理類課程群，對于通信工程專業(yè)轉(zhuǎn)型具有重大意義。考慮新建本科院校學生的特點[10]，在課程群改革前期探索的基礎(chǔ)上[11]，借助學校的數(shù)字福建智能化生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，聚焦物聯(lián)網(wǎng)前沿的信息與信號處理技術(shù)發(fā)展與應用[12-14]，豐富課程群體系內(nèi)容，開拓學生的視野與思路，進一步提高學生的創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新能力，為我校通信工程專業(yè)在新工科背景下的應用型轉(zhuǎn)型尋找突破口，也為其他新建地方應用型本科院校的通信工程專業(yè)的發(fā)展轉(zhuǎn)型做出示范。

二、優(yōu)化教學內(nèi)容

信號處理類課程群由信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和DSP應用技術(shù)三門課程構(gòu)成，其中，“信號與系統(tǒng)”著重于信號的描述和系統(tǒng)的分析;“數(shù)字信號處理”著重于數(shù)字信號處理的方法和技術(shù)實現(xiàn);“DSP應用技術(shù)”著重于數(shù)字信號處理系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)及應用。目前開設(shè)的這些課程內(nèi)容，大多還停留在基礎(chǔ)知識的傳授上，所列舉的案例仍然局限于經(jīng)典信號處理問題，缺乏“新工科”所提倡的“六個新”，難以滿足通信工程專業(yè)在新時期轉(zhuǎn)型所需專業(yè)基礎(chǔ)的要求。這對于數(shù)學門檻較高的信號處理理論以及新建本科院校的學生來說，更加難以理解。一方面亟待提高學生學習信號處理類課程的積極性，另一方面亟須探索通信工程專業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展方向，使培養(yǎng)的學生跟上時代的步伐。因此，在原有的信息處理課程群教學內(nèi)容的基礎(chǔ)上，新增了部分信號處理內(nèi)容，可分為三個方面：物聯(lián)網(wǎng)中的信號處理、人工智能問題的信號處理和大數(shù)據(jù)問題的信號處理。物聯(lián)網(wǎng)中的信號處理包括信號采集、信號編碼和實時信號處理。其中實時信號處理對眾多的物聯(lián)網(wǎng)應用場景顯得十分重要。人工智能問題的信號處理包括信號分類、信號分割和信號壓縮，可覆蓋語音信號處理和圖像信號處理兩個深度學習的熱門領(lǐng)域。大數(shù)據(jù)問題的信號處理主要包括圖表示、矩陣填充、隨機逼近、統(tǒng)計學習和凸優(yōu)化。物聯(lián)網(wǎng)中的信號處理需要人工智能和大數(shù)據(jù)方法的支撐，人工智能問題的信號處理可提高物聯(lián)網(wǎng)應用或大數(shù)據(jù)應用中的智能水平，大數(shù)據(jù)問題的信號處理與人工智能方法有緊密聯(lián)系，且在物聯(lián)網(wǎng)中有著直接的應用。新增的教學案例取材于學院各科研平臺有關(guān)項目，往屆優(yōu)秀的雙創(chuàng)項目和教師自身的科研項目。新知識、新內(nèi)容的引入不能犧牲原有信號處理課程群內(nèi)容中的必要課時，只能點到為止，更深入的擴展可在其他選修課上進行。引入的目的最終要回歸到對信號處理基礎(chǔ)的鞏固和對本質(zhì)問題的思考。

三、重構(gòu)實踐內(nèi)容

為了適應“新工科”背景下新建地方本科院校的轉(zhuǎn)型改革，有必要對信號處理課程群的實踐內(nèi)容進行重構(gòu)，以實現(xiàn)在新環(huán)境下應用型本科人才的培養(yǎng)目標。目前課程群開設(shè)的實踐內(nèi)容，仿真實驗偏多，硬件實驗偏少;盡管已增設(shè)了一部分的綜合和設(shè)計實驗，以及課程設(shè)計，但課程群實踐內(nèi)容之間缺乏緊密且統(tǒng)一的聯(lián)系，難以形成連貫閉環(huán)的實踐環(huán)節(jié)。因此在原有信號處理課程群實踐內(nèi)容的基礎(chǔ)上，要重構(gòu)各課程的實驗內(nèi)容。信號與系統(tǒng)課實驗多增加關(guān)于離散信號與離散系統(tǒng)的內(nèi)容;數(shù)字信號處理課實驗的編程語言由MATLAB改為DSP builder。DSP Builder在算法友好的開發(fā)環(huán)境中幫助設(shè)計人員縮短DSP設(shè)計周期。MATLAB和Altera DSP Builder模塊以及Altera知識產(chǎn)權(quán)（IP）MegaCore功能相結(jié)合，將系統(tǒng)級設(shè)計實現(xiàn)和DSP算法開發(fā)相連接。數(shù)字信號處理課程設(shè)計的編程語言由MATLAB改為FPGA的HDL（Verilog HDL或VHDL）。調(diào)整后的實踐內(nèi)容從MATLAB到DSP builder再到HDL語言，即是從算法級到結(jié)構(gòu)級再到RTL（Register Transfer Level）級的轉(zhuǎn)變，使得信號處理實驗不再停留于理論的仿真驗證，更趨于電路的實際驗證和設(shè)計實現(xiàn)。遵循理論指導實踐原則，在數(shù)字信號處理課程設(shè)計中開設(shè)與教學內(nèi)容相適應的實踐方向，如無線傳感網(wǎng)中的語音采集與處理。其涉及語音采集、語音編碼、語音去噪、語音分析、語音分割和語音識別中的一個或若干個關(guān)鍵技術(shù)。再如無線傳感網(wǎng)中的圖像采集與處理，其涉及圖像采集、圖像編碼、圖像去噪、圖像分析、圖像分割和圖像識別中的若干個關(guān)鍵技術(shù)。

四、教學方式改革

現(xiàn)有的教學方式大多還是“填鴨式”，教師在課堂上賣力地推導公式，通過圖例生動地講解信號處理原理，學生在講臺下無動于衷。實驗課教學也大多是驗證性的。這樣的教學方式不再適合當前的教學改革，尤其在有限的學時中，需要講授的內(nèi)容又是多學科多方面的，這對講授對象為新建本科院校的學生來說更是巨大的挑戰(zhàn)。教學內(nèi)容的豐富與更新還不足以調(diào)動學生的積極性，相反，若仍然采用“滿堂灌”的方式，則會適得其反，會讓學生覺得內(nèi)容雜亂繁多，無從下手。所以筆者期望從三個方面對教學方式加以改革：（1）借助網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)，讓學生直觀形象地掌握基礎(chǔ)知識，激發(fā)學生的學習興趣。引入翻轉(zhuǎn)課堂思想，在教學過程中，充分利用慕課（MOOC）或其他網(wǎng)絡(luò)資源，通過使用在線智慧教學工具，在線上線下與學生互動，全面提升學生的課堂教學體驗。將課程的重點和難點以外的內(nèi)容留給學生在課下線上自學，在有限的課程時間內(nèi)讓教學過程專注于課程的重點和難點，提高課堂效率;將課程新增的案例內(nèi)容通過慕課（MOOC）或其他網(wǎng)絡(luò)資源系統(tǒng)展示出來，以此擴展學生的學習視野，充分激發(fā)學生的學習興趣;將課程擴展的實踐內(nèi)容通過慕課（MOOC）或其他網(wǎng)絡(luò)資源在課下線上入門學習，培養(yǎng)學生課外自學的能力。“雨課堂”作為典型的智慧教學工具，在上一輪其他專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學過程中使用，且已嘗到甜頭。（2）精心設(shè)計相關(guān)案例或課題用于教學和實踐環(huán)節(jié)，使學生明確學習目的，提高自身處理復雜工程問題的能力。引入任務驅(qū)動教學法和項目驅(qū)動教學法，借助教材，電子教案，網(wǎng)絡(luò)多媒體資源等多種教學素材，在教學環(huán)節(jié)中，從淺顯的案例入手，帶動理論的學習和應用軟件的實操，圍繞一個共同的任務目標展開學習，以任務的完成結(jié)果檢驗和總結(jié)整個學習過程。在實踐環(huán)節(jié)中，通過項目課題的形式進行教學，使學生在解決問題的過程中習慣于項目的完整方式，所設(shè)置的項目課題包含課程群各門課程知識。搭建信號處理與其他學科內(nèi)容之間的橋梁，如設(shè)計溫度采集過程中信號采樣設(shè)計和基于Zigbee技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計。（3）綜合運用Python、LABVIEW和MATLAB三種軟件平臺，從算法仿真到算法設(shè)計再到硬件開發(fā)，不同層次的學生均可找到適合自己的信號處理學習工具，進而降低學生學習的門檻。

五、考核方式改革

現(xiàn)有的考核方式主要以平時成績、期中成績和期末成績?yōu)楹饬繕藴省１M管開始強調(diào)要遵循過程性的考核原則，但實際操作起來仍存在一些問題，如考核形式單一、只注重卷面成績等。因此，筆者擬從兩個方面對考核方式進行改革。一方面考核形式多樣化，綜合運用測驗、報告、設(shè)計、競賽等多種考核方式。考核結(jié)果取決于學生在競賽中的表現(xiàn)，主要由考試名次，指導教師評價，隊友評價和自我評價構(gòu)成;另一方面在實踐課程過程性考核中加入對學生查閱檢索資料，調(diào)查研究、綜合分析和協(xié)作的能力的考查。檢索資料可從參考文獻及其引用情況的質(zhì)量中得到反映;調(diào)查研究可從報告撰寫的規(guī)范程度上看到;綜合分析能力主要來自學生對實踐過程的描述與分析的詳細準確程度;協(xié)作能力主要來自指導教師與隊友的評價。

六、結(jié)語

在建設(shè)“新工科”背景下，本文對我校通信工程專業(yè)的信號處理類課程群轉(zhuǎn)型建設(shè)進行了初步探索，把新一輪科技革命的核心技術(shù)知識納入課程群教學內(nèi)容和實踐內(nèi)容，為了保證教學效果，達到教學目的，引入翻轉(zhuǎn)課堂思想，吸納任務驅(qū)動法與項目驅(qū)動法，充分利用網(wǎng)絡(luò)媒體資源，流行的編程平臺和智慧教學工具為課程群教學全過程服務，考核形式多樣化，改進實踐過程考核的量化指標。完成學習后，學生可以對信號處理技術(shù)應用有較深入的掌握和較全面的了解，可直接滿足地方新經(jīng)濟發(fā)展的需求。

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On the Construction of Emerging Engineering Education of Signal Processing Courses in Application-oriented Universities

FANG Hui，F(xiàn)ENG Hui-bin，LIN Wen，CAO Xin-rong，YANG Qing

（College of Computer and Control Engineering，Minjiang University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350108，China）

Abstract：Signal processing course group is an important link in the course system construction of communication engineering specialty，which plays an important role in promoting the transformation and upgrading of communication engineering specialty under the background of Emerging Engineering Education.This paper takes application-oriented universities as an example.With the needs of the local applied talents for current new round of industrial transformation，scientific and technological revolution，the new economic development situation and the national strategy of "Made in China 2025"，we reconstruct the teaching content and practical content and explore the construction of signal processing course group in line with the new era，while retain the core theoretical knowledge of the curriculum.Introduce the teaching theory of cognition and construction and make full use of abundant network resources and programming platform with aim to help students better adapt to the talents requirements of communication industry under the new local economic environment.

Key words：Emerging Engineering Education;applied undergraduate;communication engineering;signal processing;course group construction