新工科背景下信號處理類課群體系改革與實踐

陳純鍇，湯春明，李秀艷，關雪梅

（天津工業大學 電子與信息工程學院，天津 300387）

隨著人工智能技術發展，對智能信息處理技術人員需求量增加，對信號處理相關專業的教學水平和人才培養質量的要求也不斷提高.天津工業大學電子信息工程專業自 2000 年成立以來積極開展信號處理相關課程群的建設工作，按照學科特點和專業優勢，在信號檢測、圖像處理、計算機視覺等方向進行教學改革與實踐[1-2].同時，根據計算機、電子電路以及圖像處理技術特點，優化專業培養方案結構，最重要的是進行課群改革，取得了顯著的人才培養特色.目前，電子信息工程專業開設信號與系統、數字圖像處理等信號處理類課程，它們都是核心課程.厘清課程間的前后關系、開設學期及對應實驗實踐課設置都很重要，所以在專業建設與課程建設中間增加了課群建設，信號處理課程群改革對本專業建設、學科特色的凝練都起到了積極的促進作用，取得了一些成績，同時對其他高校類似的教學改革與實踐也有重要參考價值[3-5].

1 基于新工科的信號處理類課程群體系

1.1 課程群體系構建

隨著現代科學技術發展，新產業、新工科以及學科交叉日益增大，為適應國家倡導的創新創業的要求，高教司大力推動新工科建設，逐步形成“復旦共識”“天大行動”“北京指南”新工科建設的“三部曲”，在工程教育方面形成了具有中國特色的新工科新建設模式[6-8].2020年學校進行了新一輪的培養方案修訂，根據電子專業特色及新工科建設新機遇，積極進行修訂并確定了電子系統設計及應用、智能信息處理2個專業的培養方向.課程群建設是當前課程改革和建設的熱點，隨著學科的相互滲透和交叉，對原有課程建設進行改革，重新構建課程體系結構，從一門課程建設向課程群建設轉變，電子信息工程專業課程體系由三大課程群組成（見圖1）.

圖1 電子信息工程專業課程體系

專業學生主要學習信息處理方面的基本理論，以信號處理與模式識別技術為核心，以電路理論與計算機為主要工具，探索對圖像、語音、視頻等信息進行處理、分類、理解.受到信息處理方面的基本訓練，在信息處理及智能儀器、機器視覺及人工智能等領域深入研究，培養具有新工科為背景的新時代高級工程技術人才.在課程體系中以電路與場課群、計算機課群為兩翼，信號處理課群為核心，形成了硬件+軟件+算法的新課程體系，新體系中的信號處理課群無疑是建設的重中之重.

1.2 課程群建設目標

本次課程群體系改革根據新工科特點，對電子信息工程專業相關課程設置進行改革，將現代信號處理技術增加到原來舊的專業培養方案中.在培養模式上需要有一定的理論創新，形成以智能信息處理為方向，以圖像處理、視頻圖像檢測與識別為特色的人才培養模式，增強學生理論分析能力和實踐動手能力，從而提高創新創業水平，獲得高質量就業.以新工科模式對原來本專業課程重新組合，通過凝練特色，形成3個課程群.通過教學改革研究，以科研促進教學改革，加強高水平人才引進，打造一流教師隊伍.以新工科建設為契機，做好人才與隊伍培養工作，提升科研實力，打造一支動手能力強的高水平學術隊伍.結合線下教學與線上教學，改革工程人才培養的新方法，在根本上撼動單向灌輸的陳習，倒逼教師將更多的精力用于教學[9-12].

1.3 關鍵問題

CDIO 工程教育模式是2000 年后發展起來的，由構想、設計、實施和運作4個部分構成.根據工程教育模式構造了立體的信號課程群體系，修改課程內容，梳理課程相互關系，研究新的教學方法和評價方式.信號與系統課程以模擬信號分析求系統響應，采用三大變換方法進行變換域分析，利用系統分析工具、零極點圖和梅森公式解決系統分析問題；數字信號處理課程側重點在離散信號的分析，以離散傅里葉變換為核心，FFT 快速傅里葉變換進行算法分析和計算，IIR 和FIR 濾波器進行數字濾波的設計和計算，其中IIR 濾波器設計包括脈沖響應不變法和雙線性變換法，FIR 濾波器則采用窗函數和頻率采樣法來設計；隨機信號分析課程完成隨機信號時域和頻域分析；數字圖像處理課程側重二維空間信號圖像預處理、圖像增強、圖像分割和圖像檢測等基本原理和處理方法.這樣，在全局上進行設計，在課群組統一協調，可以避免知識點的缺失和重疊多次出現在不同課程的現象.

理論和實踐教學分配上，打破各自界限，理論課與實踐課教師必須一人完成，增加實踐教學學時比例.按照課群整體優化的思路，對原有教學內容調整、更新和整合而成，從而做到在教學時數有較大幅度壓縮的情況下，更好地滿足培養學生理論基礎扎實、知識面寬、能力強的要求.

2 課群建設方法

2.1 建設思路

課堂教學中，按照遞進式進行理論內容的介紹，從簡單到復雜的規律進行講解.知識點之間有承上啟下的描述，內容有由此及彼的歸納.在數學上定義，在物理上闡述性質，在工程上延伸應用.以理論知識為載體，在介紹基本理論中增加復雜工程問題的范例，鍛煉學生思考分析問題能力和解決工程問題能力，提高科研和創新能力.根據這樣課群建設思路，側重優化課程內容和結構，提高教師授課水平以及增強學生工程分析和創新能力，發揮教師在課堂上的主導作用和學生的主體作用，改革教學方法，線上線下結合，加強教師和學生的互動與交流，并在機制上和評價上進行跟蹤.依托科研、教學團隊，提高教師科研教學水平.科研團隊與教學團隊可交叉融合但定位職責要清晰，做到教研相長[13-15].

2.2 CDIO 模式課群平臺

CDIO 模式課群平臺見圖2，第1層是基礎平臺層，具體有信號與系統、數字信號處理和隨機信號分析3門課程；第2層是專業核心層，包括數字圖像處理、機器視覺、模式識別；第3層是特色模塊層，包括人工智能導論、云計算、機器學習與大數據處理、語音識別.針對信號處理類課群的課程內容既需要深而多的數學知識，又與具體工程聯系緊密的特點，按照課群整體優化的思路，對原有教學內容調整、更新和整合而成，從而做到在教學時數有較大幅度壓縮的情況下，更好地滿足培養學生理論基礎扎實、知識面寬、能力強的要求.在2020 年培養方案制定中，按照CDIO 理念重新修訂教學大綱.對聯系緊密課程知識進行整理，避免知識交叉，課程組教師講授課程不少于3門，并且3年一輪換，既增強教師的理論水平，又使得教學改革進一步深入.在教學過程深入融入CDIO 工程教育理念：構想、設計、實施和運作，加強大學生思考能力、全局分析能力、創新設計能力和實際動手能力.

圖2 CDIO 模式信號處理課群平臺

2.3 按知識點模塊形式梳理教學內容

致力于：信號處理+案例庫、信號處理+思政元素、信號處理+應用實踐3 種模式.案例庫來自課程組教師的科研以及指導學生的各類電子設計競賽題目，按照3個知識模塊進行分類，包括單片機信號處理，圖像檢測與識別信號處理以及語音信號處理；課程思政是近年來國家倡導的，在教學過程中對大學生的世界觀、人生觀進行引導，增加教學中科學家科學精神和堅毅攻關能力培養，構建了每門課程的思政元素案例庫，教學中潛移默化引導和潤物無聲帶入和教育；應用實踐是改革的重點，按照上述構建的課程平臺，增加實驗比例，以科研促進教學，提高學生動手實踐能力.

3 實踐教學實施與效果

（1）2020 級培養方案已經實施，得到了學生和專家的廣泛好評.國網電力科學天津研究院電源技術中心、天津天堰醫教科技開發有限公司、天津易而速機器人公司等10 家企業的專家，同時天津大學、天津師范大學、河北工業大學相關專業教授對我校電子信息工程專業培養方案進行了評議，對該培養方案給予了認可與好評.

（2）面向工程需求，培養實踐創新能力強的應用型人才.不斷引進具有工程應用背景的綜合性、設計性實驗項目，創建了機器視覺實驗室、天津工業大學-Xilinx 信號傳輸與處理聯合實驗室、飛思卡爾MCU/DSP 及應用實驗室、物聯網系統聯合實驗室4 個與現代電子信息技術相適應的先進聯合實驗室.這些實驗室成為了學生創新實踐基地.借助良好的實驗條件，以培養學生創新能力為目標，本專業學生參加電子設計競賽取得優異成績.2020 年以來，在全國電子設計競賽、機器人大賽、全國大學生生物醫學電子競賽、全國物聯網競賽中獲得優異成績.

（3）本專業和相關電子公司、圖像處理公司建立實習實踐合作，已有500 多名學生到企業進行了實習實踐，企業反映學生動手能力強，基本功扎實，校外實習質量較高.專業教師前往天津經濟技術開發區對多家高新企業進行了調研和參觀，并與企業專家進行了廣泛而深入的交流，加強了校企聯合科技創新，促進智能信息處理技術產學研合作，為智能信息處理相關領域的產學研合作提供了新思路.

4 結語

本文以天津工業大學電子信息工程專業為例，介紹了以能力培養為主線、分層次的信號處理課群體系及其關系，提出了信號處理課群新體系、建設思路、理論實踐教學結合新模式，按照信號處理+案例庫、信號處理+思政元素、信號處理+應用實踐3種模式組織教學，實施理論實踐結合，提升學生工程能力和創新能力.通過2年的實踐，信號處理課群建設與改革取得良好效果.