“信號處理與系統設計實驗”課程實踐教學探索

付洪威 喬柱 于泓

摘? ? 要：文章針對“信號處理與系統設計實驗”課程存在的實驗模式單一、實驗內容與理論課重復、脫離實際應用、實驗學時較少等問題，明確了該門實踐課程在信號處理課程群中承上啟下的作用，并引入面向工程實踐的教學理念，采用項目導學的教學方法，從課程的特點出發，在實驗內容和實驗方法上進行改革，以綜合型實驗為例探究培養具有工程素養的應用型人才的課程改革方法。

關鍵詞：信號處理與系統設計實驗;項目導學;語音端點檢測;實踐教學

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）07-0045-03

隨著互聯網和人工智能行業的蓬勃發展，通信工程專業在就業方面受到很大沖擊。如何培養符合企業需要的應用型人才是高校制訂教學計劃時必須考慮的重要因素。應用型人才是面向行業或企業的高級應用技術人員，不僅要掌握較強專業理論知識和技能，還要具有利用專業知識學習和創新的能力。2017年教育部正式發布了《新工科研究與實踐項目指南》（以下簡稱“指南”），“指南”規劃出的新工科研究與實踐項目有新理念、新結構、新模式、新質量、新體系5個部分共24個選題方向。筆者結合“指南”提出的工程教育改革創新的理念和思路與多學科交叉融合的工程人才培養模式，在北京科技大學通信工程專業教學計劃的框架下，參考“工程教育專業認證”“CDIO工程教育模式”和“課程群建設”的理念，對“信號處理與系統設計實驗”課程的實踐教學進行改革[1-3]?！靶盘柼幚砼c系統設計實驗”課程作為信號處理類課程群的重要實踐環節，在相關專業課程中起到承上啟下的作用。同時，借助學院豐富的人工智能、計算機和物聯網專業的教學資源，實驗內容包含多學科交叉項目。此次實踐教學改革充分調動了學生自主學習的興趣，開拓了其跨平臺視野和思路，提高了他們的創新能力，為培養具有工程素養的應用型人才奠定了基礎，同時也帶動教師在多學科交叉教學方面投入更多精力，為學科發展帶來生機。

一、“信號處理與系統設計實驗”課程的特點

“信號處理與系統設計實驗”是北京科技大學通信工程專業的必修課，開設在第五學期。此時，學生已經修完“信號與系統”與“數字信號處理”課程，掌握了實驗課程所需要的理論知識基礎。這兩門先修課程各占48學時，課內沒有安排實驗學時，課堂涉及的理論知識抽象，公式推導占比大，各種信號的變換易混淆，內容枯燥，學生理解起來有難度。“信號處理與系統設計實驗”作為“信號與系統”和“數字信號處理”的銜接課程，開設目的是幫助學生理解理論知識，掌握信號處理的應用。

首先，實驗課程內容涉及信號處理的奈奎斯特采樣定律、傅里葉變換、經典濾波器設計等知識，需要學生具有扎實的理論基礎。其次，實驗課程采用的是硬件開發模式，需要學生具有在硬件開發平臺上的Python編程能力。再次，實驗課程中的綜合型實驗涉及到算法的設計與實現，需要學生具有查閱文獻及科研能力。最后，實驗課程采用項目導學方式，需要學生具有團隊合作能力。綜合上述特點，學生通過“信號處理與系統設計實驗”課程實現了實驗結果驗證理論知識、理論知識解決實際問題的良性循環。

二、“信號處理與系統設計實驗”課程內容的改革

信號處理是一門技術發展迅速、應用領域廣闊的學科，無論是芯片的更新換代，還是算法和應用場景的升級，實驗內容的一成不變必然會導致其落后于時代的發展，影響教學效果。“信號處理與系統設計實驗”課程主要存在以下幾個問題。第一，實驗模式單一，學生使用Matlab對信號處理的理論知識進行簡單驗證，無法真正理解算法的含義，不能進行深入探究。第二，實驗內容抽象，學生對實驗內容不理解，缺乏直觀感受，學習興趣不高。第三，實驗采用仿真方式，學生處理的為理想狀態下的信號，無法應用到實際工程中，這樣的實驗內容不利于應用型人才的培養。

為了解決上述問題，筆者對課程和實驗內容作出相應改進：第一，將Matlab驗證算法內容放在理論課堂，結合圖形和動畫幫助學生理解卷積和頻域變換等知識，但不作為實驗內容。第二，從學生熟悉的多媒體信號處理入手，分析時域信號、頻域信號的性質，應用IIR濾波器和FIR濾波器設計，采用Python語言編程實現部分算法，提高學生興趣和動手能力。第三，從Github網站下載開源項目，將知網文章、科研項目轉化為實驗內容，搭建動態項目庫，跟蹤最前沿技術，鼓勵學生參加競賽，激發學生的探索精神和求知欲。

“信號處理與系統設計實驗”課程一共16學時，包括驗證型實驗、設計型實驗、綜合型實驗，在難度上是逐漸增加的，具體學時安排如表1所示。綜合型實驗是基礎知識和基本技能的綜合應用，實驗內容涉及多個知識點，在驗證型實驗和設計型實驗內容的基礎上，側重于知識點的關聯性和系統性。學生可以根據自身的興趣、能力選擇音頻信號或視頻信號作為輸入信號，對應不同的實驗內容。音頻信號處理實驗中，音頻采集實驗使學生掌握采樣頻率對信號的影響，音頻信號分析幫助學生直觀地感受頻域特征，合成音樂實驗使學生了解頻率與音調的關系[4]。制作伴奏音樂實驗幫助學生理解通過硬件錄制音頻和通過文件讀取音頻對應的數據存儲方式的區別，提高學生解決實際工程問題的能力。語音信號端點檢測實驗涉及語音信號特征提取、語音端點分割、語音識別等內容，幫助學生了解語音信號的頻率特征，提高他們查閱資料、設計算法的科研能力。圖像信號處理實驗中，面部識別實驗和圖像邊緣檢測實驗涉及到人工智能、Laplacian算子和Canny算子等內容，虹膜定位實驗鍛煉學生對上述算子的綜合應用能力。學生通過綜合型實驗的訓練，對信號處理的理論知識有了實際應用，為將來的知識擴展奠定了基礎。實驗內容難易結合，覆蓋信號處理的主要知識點，包括采樣、時域頻域分析和經典濾波器等內容。EA98CD88-AC7D-4F78-B8A5-43AD3BCB0B54

三、“信號處理與系統設計實驗”課程的教學方法

（一）硬件開發平臺

實驗設備采用片上資源豐富的FPGA開發板PYNQ-Z2，PYNQ全稱Python Productivity for Zynq，即在原有Zynq架構的基礎上，添加了對Python的支持，具有易上手性、可移植性、可擴展性以及便攜性等優勢。PYNQ借助Python語言本身易學易用、擴展庫豐富的特性，有效降低學生的Zynq嵌入式系統的開發門檻，PYNQ將ARM處理器與FPGA器件的底層交互邏輯通過Python封裝起來，執行import命令，加載對應的模塊名稱即可導入對應的硬件模塊，完成底層到上層數據的交互。學生應用Python 進行信號處理類編程實踐，并結合FPGA 和嵌入式系統開發的技術，可以提高軟硬件協同綜合設計的效率，非常適合學時短的實驗教學。PYNQ-Z2開發板體積小便于攜帶，學生可以將實驗設備借出使用。教師采用翻轉課堂的方式，提前錄制微課課件，撰寫詳細的實驗指導書，為學生提供技術文檔，學生可以在課前進行基礎知識的學習，實驗學時主要用于討論和解決問題[5]。翻轉課堂有效地打破了時間和空間的限制，更能激發學生的學習興趣。

（二）項目導學方法

綜合型實驗在“信號處理與系統設計實驗”課時安排中占比過半，實驗內容需要推陳出新，從而激發學生的學習熱情，使學生由被動接受知識轉變為主動和互動獲取知識，通過查閱資料來解決實際問題[6]。為了培養學生的工程素養，實驗教學加強與科研、工程和生產實際的結合，設計出可供學生多角度、多途徑、多方法進行思考和探究的實驗項目[7]。由于綜合型實驗內容覆蓋的知識點多，尤其需要學生具有綜合應用能力，所以教師在教學上采用結合CDIO工程教育思想的項目導學方法，搭建的項目導學實驗教學框架如圖1所示。

以語音端點檢測實驗為例，項目導學實驗教學方法中各個環節對應到項目管理的關系如圖2所示。第一階段，學生在動態項目庫中選擇語音端點檢測實驗作為實驗項目，自由組隊后，小組人員自主分解任務——這個環節對應項目立項。第二階段，學生閱讀相關技術文章，明確實驗目的，經過教師審核通過后制定實驗進度表——這個環節對應項目策劃。第三階段，學生分析語音采集方法和語音特征，研究短時特征雙閾值檢測方法、過零率及能量譜密度的含義[8-9]。學生通過對比分析雙門限算法、梅爾頻率倒譜系數的優缺點以及分析采集語音的噪聲特征，論證后確定設計方案——這個環節對應項目設計。第四階段，學生按照分工進行模塊開發，分別實現實驗中的算法——這個環節對應項目實施。第五階段，學生將軟件程序在硬件平臺上聯調，測試不同噪聲環境下的語音端點檢測結果，測試不同閾值產生的實驗結果——這個環節對應項目測試。第六階段，學生對實驗數據進行分析，論證雙門限算法的優缺點，完成答辯和撰寫實驗報告——這個環節對應項目驗收。實驗內容涉及到采樣、快速傅里葉變換FFT、FIR濾波器、短時能量譜密度、語音信號特征等信號處理知識。學生完成實驗后，可以在實驗項目的基礎上進一步拓展，參加SRTP大學生科研訓練計劃、ICAN大學生創新創業大賽等。綜合型實驗引入項目導學方法，使得學生、項目、教師三位一體，為學生就業或是從事科研工作打下堅實的基礎。

（三）多維度考核方式

考核方式將平時成績和過程性成績相結合，其中過程性考核成績占比80%。平時成績由課堂出勤率、課堂回答問題情況及課堂實驗參與情況進行評定，過程性考核成績由實驗內容完成情況、團隊合作情況以及實驗報告完成情況綜合評定。教師綜合考察小組的任務完成情況、各個學生的表現以及學生對實驗過程中的問題總結情況、各個學生在任務中發揮的作用，并加入小組內互評環節，增加學生團隊合作意識。

“信號處理與系統設計實驗”課程改革著眼于信號處理核心課程群，采用項目導學與翻轉課堂相結合的教學模式，通過搭建動態項目庫為學生提供多層次、多學科交叉的實驗內容。教師以學生為中心開展教學，秉承著“以人為本”的教育理念，遵循以學生為本，注重以互動式教學為核心的教學觀念，構建有利于增強求知欲和創造力的課程教學模式。筆者下一步將繼續在科研成果轉化、工程應用領域方面以及交叉學科方面探索有利于培養應用型人才的實驗內容，以適應行業新需求。

參考文獻：

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[2]羅向龍，李晗，傅攀峰，等.新工科背景下通信工程專業信號處理課程群建設[J].教育現代化，2019（A4）.

[3]李愛華，晉剛.基于應用型人才培養的教學模式實踐——以“數字信號處理”課程為例[J].科教文匯，2020（4）.

[4]易婷.基于音頻處理的“數字信號處理”課程實驗設計[J].電氣電子教學學報，2020（1）.

[5]王艷芬，張曉光，張林，等.以“數字信號處理”課程為例進行漸進混合式教學模式的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2020（12）.

[6]李艷鳳，陳后金，黃琳琳.新時代背景下的數字信號處理課程改革[J].教育教學論壇，2020（22）.

[7]李敏，劉俊.“信號處理”課程群實驗實踐教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2020（23）.

[8]費宇泉，王英健，夏愉樂.語音端點檢測算法研究[J].自動化技術與應用，2017（8）.

[9]孫慧芳，龍華，邵玉斌，等.基于過零率及頻譜的語音音樂分類算法[J].云南大學學報（自然科學版），2019（5）.

收稿日期：2021-12-21

作者簡介：付洪威（1978—），女，黑龍江海倫人，北京科技大學計算機與通信工程學院工程師，主要從事信號處理研究。

基金項目：北京科技大學本科教育教學改革項目“基于應用型人才培養的‘信號處理與系統設計實驗課程群教學改革研究”（JG2020M29）EA98CD88-AC7D-4F78-B8A5-43AD3BCB0B54