以項目為驅動的信號處理類課程教學改革實踐

苗 丹， 盧 偉

（邢臺學院物理與電子工程學院，河北邢臺054000）

0 引 言

《關于大力推進高等學校創新創業教育和大學生自主創業工作的意見》發布以來，全國的高校把如何培養大學生的創新性和創造力作為重要的研究課題之一［1］。為了培養創新型人才，結合創新型人才的培養目標，對重要的專業基礎課程以及其實踐環節進行教學改革，引導學生自主學習，增強創新意識，提升創新能力，至關重要。

基于我校電子信息專業人才培養目標和課程設置特點，提出將“信號與系統”和“數字信號處理”兩門信號處理課程進行改革。這兩門課程在教學內容上關聯性很強，有部分重疊，并且具有知識體系嚴謹，概念抽象，理論推導繁瑣復雜，理論與實踐聯系又很緊密的特點［2］。因此需要把提高學生主動學習的積極性，提高學生綜合運用知識解決實際問題的能力作為改革目標，以此達到創新型人才培養的目的，滿足工程認證背景下創新人才培養方案中對人才培養和畢業的新要求。

1 課程教學改革的內容

在教學內容上，將教學內容進行深度交叉融合，打破內容壁壘，統一協調組織，以此達到事半功倍。在2019 年人才培養方案中，理論學時壓縮和培養模式微調，按照工程認證標準重新編寫教學大綱，將這兩門課程之間的教學內容和教學順序進行調整，重疊部分放在一門課中重點講授，銜接部分自然過渡［3］。例如“信號與系統”教學內容側重點放在連續信號和連續系統課程中分析，重點講解連續信號傅里葉變換和拉普拉斯變換，對于離散序列和離散系統的分析則側重放在“數字信號處理”課程中，重點講解離散序列的離散時間傅里葉變換（DTFT）和Z 變換，這樣重點突出，內容無重疊，學生聽起來也無重復性，理論教學課時可以有效減少［4］。

在教學方式上，提出“三層項目驅動”教學方式見圖1，以實現逐步強化學生自主學習能力和工程實踐能力。第1 層，以項目驅動理論教學。將PBL 教學法［5］、問題引導教學法、案例設計授課等不同形式進行融合，應用于信號與系統和數字信號處理課程中，實現對學生基本能力和素養的培養，理論教學與實驗教學相結合。第2 層，以項目驅動實驗教學。通過實踐課程強化理論知識，運用分類實驗項目卡和開放式教學法，強化學生工程應用和項目開發的能力，實驗教學可與畢業設計對接。第3 層，以項目驅動畢業設計。通過項目驅動畢業設計環節提升學生的綜合能力，強化學生解決復雜工程問題的能力，并可在第8 學期的畢業實習環節中進入企業實習，完成畢業設計。

圖1 “三層項目驅動”教學方式

2 課程教學改革實踐

2.1 項目驅動理論教學方式

由于“信號與系統”和“數字信號處理”這兩門課程都具有枯燥的公式推導，大量的數學運算，理論知識與實踐應用又聯系緊密的特點［6］，創新性培養模式是培養學生對知識的使用能力和探究能力，因此傳統的“老師講，學生聽”［7］“填鴨式教學”形式已經不適合創新性教學。

采用項目式教學法（PBL）［8］進行課程教學改革，該教學法以學生自主學習為中心；以學習和解決問題任務緊密聯系，讓學生在學習過程中思考解決問題的方法；以學生自主探究和合作的方式來解決問題，這樣的教學模式能從根本上提高學生自主學習的能力，分析和解決問題的水平，以此達到改革目的［9］。

PBL教學法的精髓在于發揮問題對學習過程的指導作用，調動學生的主動性和積極性。在信號處理課程中以學生熟知的音樂、圖片為切入點，提出信號處理的實際問題，以學生為研究主體，啟發式教學，以此來培養學生的能力［10］。PBL 教學方式主要分為以下4個方面：

（1）以問題為學習的起點，作為一切學習的主軸；

（2）以小組為學習和自學的主題，學生通過共同合作解決問題發現各自的優勢，從而各司所職；

（3）整個學習過程都是以學生為主導，以學生為中心，小組成員承擔自己的任務職責；

（4）指導教師的任務是從旁指導和引導，并對最終的結果進行評價，效果推廣，總結經驗和教訓。

利用PBL教學法在“信號與系統”和“數字信號處理”課程的理論教學方面有如下實踐案例。

案例1在“信號與系統”課程中講授傅里葉變換知識時，提出“如何濾除美妙音樂中刺耳噪聲”的項目問題。首先將原始聲音信號提供給學生，然后根據課程內容分解為3 個子任務：聲音信號的頻譜分析；刺耳噪聲的疊加合成；聲音中噪聲信號的濾波。

在學完“非周期信號頻譜”知識點后，讓學生在課下利用Matlab 中的fftshift函數顯示出聲音信號頻譜，如圖2（a）所示；在學完“周期信號的傅里葉變換”知識點后，讓學生思考刺耳噪聲是哪種信號？如何加入刺耳噪聲？時域加入三角函數，即高頻信號，就可以在頻域增加了高頻噪聲如圖2（b）所示。最后濾波部分需要學生查閱資料，分組研究時域卷積定理，最終根據學生研究結果，利用濾波器系統函數與頻譜系統函數相乘濾除高頻噪聲，如圖2（c）和（d）所示的IIR 和FIR濾波結果。

案例2在“數字信號處理”課程中講授FIR數字濾波器設計一章中，提出“瑪麗蓮·愛因斯坦”照片合成的案例項目［11］。首先將原圖像發送給學生，然后將該項目分解為3 個子任務：圖像信號的傅里葉變換分析；圖像信號的FIR濾波處理；圖像信號的合成。在這個項目案例中存在以下問題：

圖2 聲音信號處理案例仿真圖

（1）由于信號處理課程中所學的知識均是用在一維信號的傅里葉變換上，而圖像信號為二維信號，因此學生需要查閱資料完成圖像信號的傅里葉變換方法。圖3 所示為學生通過學習二維傅里葉變換得到的圖片傅里葉變換結果。

圖3 圖像傅里葉變換案例仿真結果

（2）由于理論課學習過FIR 濾波器和IIR 濾波器，并且均為一維濾波器，因此學生需要理論聯系實際進行濾波器選擇和設計二維濾波器。

（3）圖像合成需要在時域還是頻域完成？該問題考查學生掌握時域卷積定理的應用，因此學生需要將理論知識熟練運用到實際問題中來。圖4 所示為學生進行合成后的結果圖。

班內同學分組在課下進行查閱資料完成子任務。然后在課堂上利用6 學時的理論課堂時間讓學生講述任務分配和完成情況，最終由教師總結結果。在這樣以任務項目為驅動的教學方式下，學生帶著問題和興趣去解決任務，效果良好。

圖4 圖像濾波合成案例仿真結果

2.2 項目驅動實驗教學改革

實驗教學的目的在于培養學生的動手操作能力，解決實際問題的能力，信號處理類課程的實踐性很強，需要大量、反復的操作和訓練才能達到學以致用的目標。

2.2.1 傳統實驗模式

課前教師發放實驗資料，學生自主預習；課上教師花費一定的時間講授原理和方法，隨后學生進行操作仿真，與此同時教師進行指導；課后學生提交報告，教師給出實驗成績［12］。近年來，傳統的教學方法已不能滿足我校工程認證背景下創新人才培養方案中關于“能夠運用專業知識和工程技能，獨立發現、研究、解決問題”的培養目標要求和關于“能夠設計針對電子信息領域復雜工程問題的解決方案，通過設計、分析、解釋數據，并通過信息綜合得到合理有效結論”的畢業要求；并且傳統方法在調動學生主動性、積極性和興趣性方面能力不足。

2.2.2 項目驅動實驗模式

針對以上問題，對“數字信號處理”實驗課程教學提出了基于“項目驅動”理念組織教學，提出以分類實驗項目卡作為實驗教學改革的切入點，提出以下改革和實踐方法：

（1）針對學生的創新實踐能力培養問題。在簡單驗證實驗的基礎上增加綜合性、設計性實驗項目的比例［13］。根據本專業學生特點和人才培養方案目標，將信號處理類實驗課的綜合性、設計性實驗設置比例提高至62.5%。例如“數字信號處理”課程的實驗學時數16 學時，分8 周完成，其中設計性和綜合性實驗學時數10 學時。

（2）針對學生解決實際問題能力和對實驗認知程度的不同，采用開放式實驗教學法。即把每個實驗項目進行難度等級劃分，分解為2 或3 個子項目，子項目下設ABC三個難度層級（由A 向C 難度系數遞增），實驗成績由難度層級系數和完成情況折合而來。這樣既保證基礎薄弱同學完成基礎實驗，又可以提供部分學生項目更高難度項目挑戰的機會。表1 所示給出了數字信號處理課程的實驗項目的具體設置。

（3）針對工程認證背景下創新人才培養方案中，對學生實際工程問題解決和處理能力的培養要求，實驗項目中“綜合設計性”實驗采用項目驅動式實踐方法。主要方法如下：學生自由結組，一般5 ～8 人1 組，共同完成項目，組內推薦項目組長，小組討論生成任務分工，主要由方案設計、程序設計、仿真執行、過程控制和項目匯報等幾部分構成，學生可根據個人特長進行任務選擇。最終每組將實驗項目的結果以視頻的形式提交給指導教師，課上完成學生答辯、演示和教師總結。指導教師會將制作優良、設計完整，有代表性的實驗視頻上傳至網絡學習平臺，供全體學生交流學習。

（4）鼓勵學生課后完成對實驗的升級驗證和仿真測試。即在課上完成實驗內容基礎上，可利用課下時間完成更高難度實驗項目，并提升該學時實驗成績。

2.2.3 教改成效

通過項目驅動式實驗教改，實現了一般實驗與復雜實驗、驗證性實驗與綜合性試驗、課堂實驗與課后實驗的有機結合，實驗內容全面并有代表性，實驗形式趨于工程化，提升了實驗效果，滿足了人才培養目標的要求。

以我校電子信息科學與技術專業為例，在“有限長單位沖激響應（FIR）數字濾波器設計”實驗中，45%學生選擇了實驗卡A窗函數法設計FIR數字濾波器，35%學生選擇了實驗卡B 頻率采樣法設計FIR 數字濾波器，25%的學生選擇了實驗卡C 利用FIR數字濾波器消除音樂中的噪聲；課上完成率100%，課后50%的學生選擇了自學并完成高一層級難度的實驗卡，提高了實驗成績。

2.3 項目驅動畢業設計

2.3.1 教改提高畢業設計質量

我校目前畢業設計選題鼓勵教師把控、學生自擬生成畢業設計題目，因此每年畢業設計題目均以實際應用型為主，圍繞信號處理類子項目進行開發和設計，具體實施方法如下：

表1 數字信號處理課程的實驗項目

（1）將多個可行性綜合項目進行模塊化，劃分成相互獨立但有關聯的若干子課題，以此制定畢業論文（設計）題目。依據學生特點，進行題目分配和任務分工。往年課題如圖5 所示。

圖5 2019屆學生畢業設計選題截圖

（2）對畢業論文（設計）題目的技術分析，主要包含了項目的先進性和設計可行性，作出全面評估，并告知學生設計難點、創新點。

（3）畢業設計過程按項目制把控，做到時間節點規定明確，內容完成度要求清晰，定期進行答疑、探討和項目進度匯報，鼓勵一個綜合項目中各個子項目人員之間增加溝通。

通過上述方案，將畢業設計過程交由學生自主把控，提高了學生獨立解決工程問題的能力和積極性。教師負責全面把控流程，提供適時技術支持。

2.3.2 畢業設計反哺教改應用

將畢業設計中的優秀設計，納入實訓、實驗等實訓課程環節和理論教學環節，使學生對信號與系統和數字信號處理課程形成更加直觀、形象的認知，對整個培養環節形成更加深入的了解。

圖6、7 所示是2018 屆畢業生利用GUI 平臺設計的關于信號處理的實驗平臺。該同學主要設計和完成了“信號與系統仿真教學實驗平臺”的主界面和主菜單。該畢業設計的平臺在信號與系統課程教學中得到應用。

圖6 信號與系統可視化交互仿真設計

圖7 信號與系統可視化交互仿真平臺項目——連續信號的時域分析

圖8、9 所示分別是2019 屆畢業生設計的數字信號處理仿真平臺的主頁面和主菜單。該畢業設計的平臺在數字信號處理課程教學中得到應用，鑒于Matlab編譯器可以將m 文件直接編譯為可以獨立運行的.exe可執行文件，在理論教學中可以不用依賴于Matlab仿真環境，就可執行獨立的exe文件進行仿真，執行速度也優于原m 文件［14］，因此在課堂教學中將畢業生設計的GUI平臺進行文件打包發布，就可以進行仿真演示，因此教學效果較好。

圖8 數字信號處理仿真平臺設計

圖9 數字信號處理仿真平臺項目——離散信號分析

3 結 語

在以學生為中心的創新型人才培養目標下，將人才培養的模式從“獲得知識”改變為“培養能力”［15］。基于該目標，對信號處理類課程在教學內容上進行融合，在理論教學方法、實驗教學模式、畢業設計方式上進行“三層項目驅動”式教學改革和實踐。通過教學改革與實踐，大大提高了學生主動學習的積極性，調動了學生的參與性，激發了學生的團隊協作能力。“三層項目驅動”式教學改革方法為以學生為中心的創新型人才培養奠定了良好的基礎。