新工科背景下信號與信息處理課程群構建

王麗 王威 張楊梅

摘? 要：新工科的內涵及特征使得新工科專業課程體系改革和課程建設較其他專業而言難度更大、挑戰度更高，培養高素質復合型人才是新工科建設及發展的重要指標，對專業課程建設提出了新要求。在新工科背景下，文章對信號與信息處理課程群的內涵、理論教學內容優化、實踐教學內容優化、教學資源建設進行探討，以期將課程群建設應用到電子信息工程專業和通信工程專業的教學改革，提升人才培養質量。

關鍵詞：新工科;課程建設;課程群

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2021）08-0065-04

Abstract： The connotation and characteristics of the new engineering discipline make the reform of the new engineering professional course system and course construction more difficult and challenging than other majors. High-quality compound talents are an important indicator of the construction and development of new engineering disciplines， and new requirements are put forward for the construction of professional courses. Under the background of new engineering， the article discusses the connotation of signal and information processing course group， the optimization of theoretical teaching content， and the optimization of practical teaching content， and the teaching resource construction， in order to apply the construction of the course group to the teaching reform of electronic information engineering and communication engineering majors， and promote talents training quality.

Keywords： new engineering; course construction; course group

課程體系及其課程是人才培養的主要載體，是專業人才培養方案的核心內容，關系到人才培養目標的實現和專業培養標準的落實。新工科建設的目的是培養造就引領未來技術與產業發展的卓越工程技術人才，為我國產業發展和國際競爭提供人才保障[1]。在新工科背景下，課程建設應該與學科建設交叉滲透，利用課程群對課程體系進行優化，要充分考慮新工科專業的工程教育屬性，還要注重不同高校新工科專業建設的優勢和特色。在課程體系建設過程中，需要提升學生對課程的深入理解，充分考慮當前行業發展的變化，更要滿足未來行業發展的需求，培養創新型的高素質人才[2]。

電子信息工程專業和通信工程專業，面向現代電子技術、信息技術、通信技術產業，培養具備現代電子技術理論、通曉電子系統設計原理與設計方法，能在信息通信、電子技術等領域從事各類電子設備和信息系統的科學研究、產品設計的具有創新精神和實踐能力的高素質應用型人才。

在培養過程中，要求學生掌握基礎理論和基本能力，了解學科專業發展的趨勢，具有科學的思維方式和開拓精神。課程設置方面，主要核心課程均是信號處理內容，課程的聯系非常緊密。傳統的課程建設僅考慮單門課程的教學內容和教學效果，造成資源的重復建設和浪費，無法培養學生綜合運用的能力。因此，對課程資源進行整合優化，針對人才培養目標的需要，構建課程群將成為本科專業學科建設的基礎[3]。

一、信號與信息處理課程群內涵

課程群是由本專業或跨專業的若干門在知識、方法等方面有邏輯聯系的幾門課程構成的一個體系。與單門課程建設不同，課程群建設過程中，更多的是要考慮到不同課程在學生專業發展過程中所起到的作用。將不同課程的內容進行整合優化，減少不必要的重復內容，實現大課程建設的目的，培養學生系統學習的能力[4]。

針對電子信息類專業的信號與信息處理課程群建設，包括《信號與系統》《數字信號處理》《數字圖像處理》三門課程，這些課程對電子信息工程和通信工程專業學生的知識與能力培養具有重要的作用。表1給出西安某本科院校電子工程學院開設這三門課程的安排。從課程安排來看，這三門課程在教學時間上前后銜接，教學內容從信號分析基礎內容到信號處理算法研究，再到信號處理的圖像應用方面，層層遞進，對學生信號分析與信號處理知識架構的形成起到良好的作用。

《信號與系統》課程側重于連續時間信號和系統的分析，屬于信號分析類課程，且大量實踐教學的開展有助于學生對信號和系統的基本概念有系統的認識。《數字信號處理》課程側重于信號處理算法的研究，要求學生會使用MATLAB仿真軟件進行工程問題的簡單求解。《數字圖像處理》課程利用計算機對圖像實現去噪、增強、復原等，是信號處理的重要應用方面，為學生進行后續的科學研究奠定基礎。只有將這三門課程建設成為一個有機的整體，挖掘它們內在的聯系，才能夠有效發揮課程群建設的優勢[5]。

二、理論教學內容優化

課程群建設是對教學大綱和教學計劃的重新設計。針對這三門課程的講授內容和教學課時的不同，在課程群建設過程中，應該統一制定教學大綱。在教學大綱的統一制定過程中，要對各門課程的重點進行劃分，將每一個課程目標分解成相對獨立的標準點，明確不同課程在課程群中的定位，從而確定課程群中每門課程的目標。

在培養目標分解過程中，強調相對獨立的標準點的主要目的是避免各個課程內容的重復。在優化設計過程中，刪除重復部分，體現課程的遞進關系，使學生能夠在回顧過去內容的基礎上，對未來課程的重點有目標性的認識。

首先，《信號與系統》是先修課程，其前導課程是電路分析、高等數學、復變函數等內容。其重點講述的是線性時不變系統的分析方法，包括信號與系統的時域分析、頻域分析和復頻域分析，對高等數學、復變函數等數學基礎要求較高，重點是培養學生對工程實踐項目的認識，完成從數學建模、數學描述到系統分析的全過程，培養學生利用所學知識將工程項目用數學語言描述和分析[6]。

在《信號與系統》課程的最后，還包含離散時間信號與系統的時域分析、Z域分析等內容，培養的是學生將連續時間信號和系統抽樣構建離散時間信號和系統的轉換能力，讓學生從生活中的模擬信號過渡到計算機的數字信號。

相比其他兩門課程，《信號與系統》課程的課時較多，還包含1周的課程設計。在這些實踐課時中，應該更多地安排學生利用MATLAB軟件進行仿真實驗，弄清楚信號和系統在計算機中的描述方式，為后續課程的學習打下基礎。

其次，《數字信號處理》課程包含的內容是：離散時間信號與系統的分析、離散傅里葉變換及其快速算法，以及數字濾波器的設計，還有數字信號處理器的應用部分。

由于離散時間信號與系統的分析、離散傅里葉變換已經在《信號與系統》課程中學習過，不再作為此課程的重點內容。但是，要著重講述從模擬時間信號與系統到數字信號與系統的轉換過程，讓學生樹立起數字信號與系統分析處理的概念。

因此，《數字信號處理》課程的重點應該放在數字濾波器的理論和數字信號處理器的實踐內容。在講述數字濾波器的過程中，應該采用項目式的教學，對照工程實踐項目，以實現技術指標為目的，讓學生嘗試采用窗函數法、脈沖響應不變法、雙線性變換法等設計不同的IIR或者FIR濾波器，以體會不同設計方法在工程應用中的不同作用。特別是在實踐教學過程中，應該著重于培養學生利用MATLAB軟件和硬件實驗平臺，實現數字信號處理的基本算法[7]。

最后，《數字圖像處理》課程重點講述的是，利用數字信號處理的基本理論和方法，對圖像進行增強、變換、復原、壓縮、分割等操作，是信號處理的重要應用領域[8]。該門課程的概念多、內容抽象、入門較難，因此在選擇教材時，就應該選擇以實踐為導向，以實際應用為目標來介紹數字圖像處理的教材。

著重讓學生在理論學習的同時，進行實踐操作，采用MATLAB軟件作為輔助教學工具，既能提高學生的計算機編程能力，又能夠讓學生深刻理解和掌握圖像處理的理論和方法。通過實踐平臺的應用，能夠讓學生真正感受到數字信號處理算法和理論在工程實踐中的作用，提高學生的工程應用能力。

綜上所述，通過分析《信號與系統》《數字信號處理》《數字圖像處理》等三門課程的教學內容，對其教學內容進行一定程度上的優化，對其課程大綱進行統一修訂。雖然每門課程仍然獨立授課，但是通過教學內容的優化，建立起三門課程的緊密聯系，對學生知識架構的形成起到良好作用，信號與信息處理課程群教學內容分布圖如圖1所示。

三、實踐教學內容優化

重理論輕實踐仍然是目前我國高校在工程教育上存在的普遍問題。在現有的教學過程中，課程體系充滿理論課程，理論學習效果不佳;實踐環節課時不足，學生實踐創新能力難以達標。因此，在新工科專業課程體系建設過程中，要注重理論課程與實踐課程的結合，提高理論課程學習效果，提升學生的工程實踐能力。

在獨立的授課計劃中，《信號與系統》《數字信號處理》《數字圖像處理》有各自的實驗教學內容，三門課程之間相互獨立，沒有對學生的實踐能力進行系統的培養。在課程群建設過程中，我們也需要對實踐教學環節進行優化。在完成每門課程的教學任務后，應該有綜合性實驗或相關實踐環節，以促進課程群中各門課程理論知識的交叉融合。

同時，創新能力培養是衡量一所高校人才培養質量的關鍵因素，新工科專業人才建設培養更應注重培養學生的創新能力。創新能力是現代社會對人才的普遍要求，在課程群建設過程中，要根據各課程與前導課程、后續課程的邏輯關系，明確本課程在學生創新能力培養中應該起到的作用，努力從多個角度為學生展示科學技術發展的進程，為學生創新能力的培養貢獻力量。

在課程群建設過程中，根據三門課程的邏輯關系，按照基礎、綜合到創新設計的思路，建立遞進的實踐教學體系[9]。實踐教學以MATLAB為軟件工具，以TMS320F2812為實踐教學平臺，將課程群內各實踐教學內容分類為基礎實驗、綜合實驗和創新實驗[10]，如圖2所示。

基礎性實驗主要是《信號與系統》和《數字信號處理》課程的主要教學內容，以驗證性實驗為主，讓學生對信號、系統、圖像等的計算機描述進行直觀感受，實現可視化教學，提高學生對抽象概念學習的興趣，為學生利用實驗平臺進行工程實踐操作奠定基礎。

綜合性實驗主要是《數字信號處理》和《數字圖像處理》的主要教學內容，以應用性實驗為主，利用基本的數字信號處理算法對濾波器進行設計和對圖像進行簡單處理。學生能夠觀察到語音信號或者二維圖像經過處理后的變化，而且能夠將所學內容與工程項目聯系起來，看到所學的理論知識內容在社會生活中的作用，提高學生對學習的熱情。

創新性實驗涵蓋三門課程，主要內容是采用信號、系統的基本算法，對工程項目進行實踐操作，從數學描述、數學建模、信號處理、系統輸出等方面，模擬數字信號處理類工程實際問題，找尋問題的解決方法，培養學生的綜合實踐能力和創新能力。

四、教學資源建設

教學資源建設是課程建設的必要條件和重要環節。教學資源建設主要包含教材建設、網絡資源建設等。

教材不僅是對教學方法和教學經驗的總結，更是教學所依賴的重要輔助材料。它是根據教學大綱和實際需要，為師生教學應用而編寫的材料等，它是衡量學校教學和科研水平的重要標志。教材與教學質量有著非常緊密的聯系。教材建設對信號與信息處理課程群的建設非常重要。首先，教材應該針對電子信息工程專業和通信工程專業的學生進行編寫，在確保完整的課程體系的同時，要注重對基本概念和原理的描述[10]。

在《信號與系統》教材中，若已經包含了離散時間信號與系統的時域分析和Z域分析，則《數字信號處理》教材就將重點放在模擬信號系統到數字信號系統的轉換，不再贅述具體的信號與系統處理的內容，以保證教學內容的銜接和優化。在《數字信號處理》教材的實踐應用部分，應該提及圖像處理的案例分析，讓學生明確數字信號處理在圖像處理中的應用，從而建立起與《數字圖像處理》的連接。

教材與MATLAB軟件結合，以簡單直觀的方式來講解知識點，能夠提高學生對基本概念的理解。另外，教材的每一章節后都應該附有綜合性的理論習題和上機習題，讓學生將理論知識和實踐緊密結合在一起。在教材的最后，還應該附上一些工程實踐類題目，讓學生通過調研、查閱資料，找到問題的解決方案，培養學生獨立自主實踐的能力[11]。

建設網絡教學資源在課程群建設過程中占有非常重要的位置，能夠將現代教育理念與思想進行實現。在制作網絡教學資源時，不能僅僅將教學課件上傳到網站，必須要注重不同課程之間的關聯性。網絡教學資源的建設可以按照“課程——課程群”的方向來逐漸擴展[13]。

首先，我們要開發形成每門課程獨立的資源網站，從教學課件、網絡課程等資源對象中提取出優秀的素材。在資源內容的選擇上，要重點設計和制作能夠結合教學需要、促進學習效果的資源;在資源的存儲上，要方便學生和教師快捷檢索和查詢。最重要的是，要注意資源的開放性，就是要允許其他教師對教學資源進行設計制作，以滿足不同學生的需要。

其次，我們要根據課程群建設的需要，通過利用教育技術手段，應用現代教學方法，對不同課程資源進行整合優化。不同課程資源之間要進行資源共享，增加課程銜接的相關內容，構建良好的教學與學習環境，促進教師與學生的互動，構建教學研一體的網絡教學平臺。在此過程中，不同課程的任課教師要形成教學團隊，共同探索教學資源的組織實施，破解教學難題，增強教學效果，有效調動學生自主學習的積極性。

五、結束語

信號與信息處理課程群建設是一個長期系統的工作，本文對《信號與系統》《數字信號處理》《數字圖像處理》三門課程進行分析，對其理論教學內容和實踐教學內容進行整合優化，并對教學資源建設進行了探討。后期將該項探索應用于教學實踐，以期能夠提升教學效果和學習效果，培養適應新工科人才要求的具有行業背景知識及工程實踐能力的應用型技能型人才。

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