案例引導(dǎo)的信號(hào)處理課程群協(xié)同教學(xué)模式實(shí)踐探索

趙 地

玉林師范學(xué)院物理與電信工程學(xué)院 廣西玉林 537000

一、概述

隨著工業(yè)4.0的出現(xiàn)、“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施，工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展之間的聯(lián)系更為緊密、其間的相互支撐更加迫切，教育部推出的“新工科”計(jì)劃也對(duì)本科教育提出了更高要求?！靶鹿た啤毕碌娜瞬排囵B(yǎng)，應(yīng)該注重對(duì)其在學(xué)科知識(shí)融合技能方面的培養(yǎng)，注重創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力培養(yǎng)。作為人工智能和大數(shù)據(jù)時(shí)代排頭兵的電子信息類專業(yè)，應(yīng)致力于課程體系改革，教學(xué)與實(shí)踐資源優(yōu)化整合，不斷強(qiáng)化應(yīng)用創(chuàng)新與實(shí)踐能力，切實(shí)提升學(xué)生綜合素質(zhì)及能力。信號(hào)處理課程群，作為電子信息類專業(yè)核心課程，其教學(xué)模式的改革研究與創(chuàng)新實(shí)踐對(duì)推動(dòng)新工科教育改革創(chuàng)新具有重要意義。

信號(hào)處理類課程已逐步成為自動(dòng)控制、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等學(xué)科的重要必修或者選修課程。針對(duì)電子信息類專業(yè)的信號(hào)處理課程群包括“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”“DSP原理及應(yīng)用”以及“數(shù)字圖像處理”共4門(mén)課，這些專業(yè)課程理論與應(yīng)用并重，與實(shí)際工程聯(lián)系緊密，對(duì)學(xué)生的知識(shí)與能力培養(yǎng)具有舉足輕重的作用。

信號(hào)處理課程群內(nèi)部各課程之間具有重疊知識(shí)點(diǎn)與相當(dāng)程度的相通之處，但又具有各自顯著的側(cè)重點(diǎn)。傳統(tǒng)教學(xué)模式存在以下明顯問(wèn)題：(1)各門(mén)課程獨(dú)立授課，忽略了課程內(nèi)容間的連貫性和銜接性。課程之間、知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)薄弱，加上信號(hào)處理類課程理論性強(qiáng)，知識(shí)要點(diǎn)繁多且抽象，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法將知識(shí)有效貫通、學(xué)習(xí)效果不理想，不求甚解，學(xué)習(xí)興趣降低。(2)重理論知識(shí)傳授，對(duì)實(shí)踐應(yīng)用能力關(guān)注不夠，忽視了課程與實(shí)際項(xiàng)目工程的緊密聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生普遍存在理論聯(lián)系實(shí)際不足、原理和方法與應(yīng)用脫節(jié)等問(wèn)題。且各門(mén)課程實(shí)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(shí)踐環(huán)節(jié)，加大了學(xué)生理解難度，且應(yīng)用意義不明確，教學(xué)效果不理想。(3)教學(xué)內(nèi)容更新相對(duì)新技術(shù)發(fā)展嚴(yán)重滯后。傳統(tǒng)受限于課堂教學(xué)手段、教師的專業(yè)及科研能力等因素，相關(guān)領(lǐng)域的新知識(shí)、新技術(shù)和前沿科技成果不能及時(shí)增補(bǔ)進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，致使學(xué)生能力培養(yǎng)滯后于社會(huì)需求。

因此，本文研究提出案例引導(dǎo)的信號(hào)處理課程群協(xié)同教學(xué)模式，該教學(xué)模式的主要思路為：設(shè)計(jì)貫穿課程群多門(mén)課程的典型應(yīng)用案例，將其嵌入課程群教學(xué)過(guò)程；案例的實(shí)現(xiàn)過(guò)程對(duì)應(yīng)課程群內(nèi)課程知識(shí)要點(diǎn)的教學(xué)過(guò)程，促進(jìn)各課程教學(xué)內(nèi)容間的協(xié)同規(guī)劃和緊密銜接；案例的引入、研究、解決過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)興趣引導(dǎo)、強(qiáng)化理解、驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新為目的，可幫助學(xué)生將課本知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，建立完整的知識(shí)體系。

二、案例引導(dǎo)的信號(hào)處理課程群課程體系

圖1 案例引導(dǎo)的信號(hào)處理課程群課程體系框架

本文所研究的信號(hào)處理課程群包含“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”“DSP原理及應(yīng)用”和“數(shù)字圖像處理”4門(mén)專業(yè)課程。本課程群的課程體系如圖1所示，其中，“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”緊密關(guān)聯(lián)，同為核心基礎(chǔ)課程，組成課程群的基礎(chǔ)，是“數(shù)字圖像處理”“DSP原理及應(yīng)用”的前續(xù)課程；“DSP原理及應(yīng)用”著重于數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，而“數(shù)字圖像處理”著重于圖像處理的方法及應(yīng)用，則是“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”課程的應(yīng)用實(shí)踐。信號(hào)處理課程群的教學(xué)過(guò)程以理論教學(xué)和應(yīng)用實(shí)踐教學(xué)兩條線索交叉貫穿始終，兩大線索互為支撐，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的綜合能力。

三、優(yōu)化整合理論教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)課程群教學(xué)協(xié)同規(guī)劃

按照本文所研究的案例引導(dǎo)的信號(hào)處理課程群協(xié)同教學(xué)模式的構(gòu)建思路，首先對(duì)課程群內(nèi)的課程內(nèi)容進(jìn)行整體規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化和整合。

(1)剔除重復(fù)的知識(shí)內(nèi)容，依課程體系邏輯及知識(shí)要點(diǎn)屬性重新規(guī)劃課程教學(xué)內(nèi)容。例如，“信號(hào)與系統(tǒng)”的核心教學(xué)內(nèi)容涵蓋了連續(xù)信號(hào)及系統(tǒng)的時(shí)域分析、頻域分析和復(fù)頻域分析，離散信號(hào)和系統(tǒng)的時(shí)域分析、頻域分析和z變換等；而“數(shù)字信號(hào)處理”的核心教學(xué)內(nèi)容也包含有離散信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域、頻域和z變換。此部分在兩門(mén)課程存在重復(fù)，可考慮大規(guī)?？s減或剔除其在“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中的課時(shí)安排，在“數(shù)字信號(hào)處理”課程中對(duì)離散信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域、頻域分析和z變換進(jìn)行深入講解。這樣一方面有利于確保知識(shí)要點(diǎn)屬性統(tǒng)一，更易于學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受和掌握，另一方面有利于精簡(jiǎn)學(xué)時(shí)，提升教學(xué)效率。

(2)強(qiáng)化課程群內(nèi)課程的融合關(guān)聯(lián)，突出貫穿各模塊、各課程的主要知識(shí)線索，注重核心知識(shí)點(diǎn)的深入講解。例如，頻譜的概念及頻域分析，該核心知識(shí)點(diǎn)貫穿“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”與“數(shù)字圖像處理”三門(mén)課程。在“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”核心基礎(chǔ)課程中對(duì)于該知識(shí)點(diǎn)的講授，可將學(xué)生可見(jiàn)的圖像頻譜引入課堂教學(xué)當(dāng)中，生動(dòng)形象，減少理論知識(shí)部分的枯燥性和乏味性，通過(guò)提前給學(xué)生引入應(yīng)用場(chǎng)景，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。在應(yīng)用課程，即“數(shù)字圖像處理”課程中對(duì)于該知識(shí)點(diǎn)的講授，則應(yīng)當(dāng)基于圖像頻譜特性增加回顧相關(guān)基礎(chǔ)概念及關(guān)鍵理論，深化對(duì)支撐理論的理解，強(qiáng)化知識(shí)掌握。

四、案例引導(dǎo)課程群課程展開(kāi)協(xié)同教學(xué)

案例引導(dǎo)，要求案例貫穿課程群多門(mén)課程，涵蓋各課程關(guān)聯(lián)的重要知識(shí)要點(diǎn)。協(xié)同教學(xué)，要求課程群各課程的教學(xué)過(guò)程有效銜接、互為呼應(yīng)、知識(shí)線索清晰明了。因此，重點(diǎn)在于提煉貫穿課程群的主要知識(shí)線索，圍繞核心知識(shí)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)和步驟明晰、便于分解、對(duì)應(yīng)知識(shí)要點(diǎn)及脈絡(luò)清晰的典型案例。案例還要依托真實(shí)工程背景，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，便于學(xué)生靈活運(yùn)用、舉一反三。

在具體教學(xué)過(guò)程中，可首先從案例的具體應(yīng)用場(chǎng)景中形象化引入，激發(fā)學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，提升課堂理論教學(xué)效果；逐步上升至理論，以理論為基礎(chǔ)研究解決案例中的實(shí)際問(wèn)題，直觀感受理論與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，并在應(yīng)用中強(qiáng)化對(duì)理論的理解；再用理論歸納、指導(dǎo)一類實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的解決方法，增強(qiáng)對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力，驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新能力培養(yǎng)?？稍O(shè)計(jì)較為綜合復(fù)雜的項(xiàng)目案例，也可用于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以項(xiàng)目為牽引，提升學(xué)生的工程認(rèn)知水平，促進(jìn)并夯實(shí)理論基礎(chǔ)。

以案例“圖像去噪”為實(shí)例，以下詳解教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)。此案例主要涵蓋“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”和“數(shù)字圖像處理”三門(mén)課程。該案例選取一幅實(shí)景圖像(如校園風(fēng)光)，對(duì)其添加噪聲干擾，模擬受噪聲污染的含噪圖像。案例與課程教學(xué)主要相關(guān)對(duì)應(yīng)要點(diǎn)為：

(1)主要知識(shí)線索——信號(hào)的頻域分析。

(2)涵蓋核心知識(shí)要點(diǎn)——一維連續(xù)傅里葉變換及性質(zhì)(“信號(hào)與系統(tǒng)”課程)、卷積定理(“信號(hào)與系統(tǒng)”課程)、離散傅里葉變換及性質(zhì)(“數(shù)字信號(hào)處理”課程)、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)(“數(shù)字信號(hào)處理”課程)、圖像信號(hào)的頻率特性(“數(shù)字圖像處理”課程)。

(3)實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)——對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行二維離散傅里葉變換，轉(zhuǎn)換至頻域空間；分析圖像頻率特性；設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行去噪；對(duì)比理解圖像空域?yàn)V波與頻域?yàn)V波。

(一)從案例的具體化應(yīng)用場(chǎng)景引入理論學(xué)習(xí)，激發(fā)興趣

按照課程群的課程教學(xué)順序，學(xué)生首先學(xué)習(xí)的是“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”這兩門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，因而接觸的與案例相關(guān)的知識(shí)要點(diǎn)是信號(hào)的一維連續(xù)傅里葉變換及其性質(zhì)、一維離散傅里葉變換及其性質(zhì)。這部分知識(shí)理論性強(qiáng)、涉及大量公式推導(dǎo)及計(jì)算，雖物理意義明確卻抽象難懂。因此，以案例引導(dǎo)的教學(xué)操作中，理論講解前先給學(xué)生展示圖像的去噪效果，形象具體，以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，且借助圖像生動(dòng)的表現(xiàn)方式及顯著的效果有助于學(xué)生了解傅里葉變換的實(shí)際應(yīng)用，直觀上建立理論與實(shí)踐的聯(lián)系。

(二)多課程協(xié)同指導(dǎo)案例實(shí)現(xiàn)，理論與應(yīng)用雙向促進(jìn)

在“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”課程中已深入講解一維連續(xù)傅里葉變換、一維離散傅里葉變換的基礎(chǔ)上，首先由學(xué)生自己查閱資料、拓展學(xué)習(xí)二維離散傅里葉變換，為在“數(shù)字圖像處理”課程中學(xué)習(xí)圖像的頻域分析做好預(yù)備。圖像的二維離散傅里葉變換的講解應(yīng)避免單純公式推導(dǎo)計(jì)算的枯燥講授，要注重課程間融合與關(guān)聯(lián)，從一維傅里葉變換的意義及性質(zhì)推廣延伸，結(jié)合圖像的生動(dòng)展示，引導(dǎo)學(xué)生理解圖像在頻域中的幅頻、相頻特性，結(jié)合定義與性質(zhì)分析圖像的頻率分布特性?？衫肕atlab進(jìn)行仿真演示，例如，選取校園風(fēng)光的一幅圖像，對(duì)其進(jìn)行二維離散傅里葉變換，讓學(xué)生實(shí)際觀察變換后的結(jié)果，包括頻域中能量分布特點(diǎn)，不同頻率成分所對(duì)應(yīng)的圖像成分等(邊緣、細(xì)節(jié)、噪聲是圖像中的什么成分？對(duì)應(yīng)頻域中的什么頻率成分？頻域中的低頻成分對(duì)應(yīng)何種圖像成分)。

實(shí)現(xiàn)案例中的去噪任務(wù)，先進(jìn)行引導(dǎo)啟發(fā)式教學(xué)。以分組討論、代表發(fā)言等互動(dòng)方式發(fā)揮學(xué)生思考、學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性：需要濾除的噪聲在圖像中有何特點(diǎn)？它在頻域中如何表現(xiàn)？在頻域中如何去除噪聲？使用我們“數(shù)字信號(hào)處理”課程中學(xué)過(guò)的一維濾波器可以實(shí)現(xiàn)嗎？教師進(jìn)行進(jìn)階式發(fā)問(wèn)，學(xué)生進(jìn)行進(jìn)階式思考與探索，共同梳理出頻域中圖像去噪的算法流程、低通濾波器的設(shè)計(jì)思想與方法。

基于案例對(duì)比理解圖像空域?yàn)V波與頻域?yàn)V波。提出問(wèn)題：圖像去噪可以在空域完成嗎?引出對(duì)已學(xué)重要知識(shí)要點(diǎn)——卷積定理的理解與運(yùn)用。觀察噪聲特點(diǎn)可知，噪聲在空域表現(xiàn)為圖像中像素灰度值的突變點(diǎn)；若要去除噪聲，應(yīng)沿減小灰度值起伏這一思路尋找方案——由此，空域圖像去噪可使用平滑濾波器實(shí)現(xiàn)。整個(gè)案例的實(shí)現(xiàn)，以信號(hào)的頻域分析為知識(shí)線索，將傅里葉變換及性質(zhì)、卷積定理、濾波器設(shè)計(jì)、信號(hào)頻率特性等關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)全覆蓋，在案例推進(jìn)中層層深化，融會(huì)貫通。

結(jié)合圖像仿真效果的演示分析，反過(guò)來(lái)引導(dǎo)學(xué)生深入理解傅里葉變換的公式、意義及性質(zhì)，深化對(duì)支撐理論的理解，強(qiáng)化知識(shí)掌握。多課程協(xié)同，知識(shí)點(diǎn)銜接融合，有助于學(xué)生建立完整知識(shí)體系，提升解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的運(yùn)用能力。

(三)案例分解小任務(wù)，分步自主實(shí)現(xiàn)促進(jìn)實(shí)踐能力提升

案例貫穿課程群，案例實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)分解，因此，分解后的每個(gè)小任務(wù)用于強(qiáng)化對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，且任務(wù)量適中，難度適宜。課堂上首先進(jìn)行理論講解與分析，然后進(jìn)行分組，由學(xué)生自行進(jìn)行組內(nèi)分工、任務(wù)分解分配，按約定時(shí)間完成后小組匯報(bào)完成情況及結(jié)論，最終由教師點(diǎn)評(píng)、總結(jié)。案例引導(dǎo)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生求知欲，鍛煉自學(xué)及思考能力，教學(xué)效果良好。

五、效果分析與思考

案例引導(dǎo)的信號(hào)處理課程群協(xié)同教學(xué)模式下，案例先于單純理論引入課堂，豐富課堂生動(dòng)表現(xiàn)形式，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；通過(guò)案例促進(jìn)課程群各課程的有效銜接和深度融合，提升知識(shí)教授效率，多課程融合強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果，有助于鞏固學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)；分組互動(dòng)研討的方式豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有助于激發(fā)求知欲，增加學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

與此同時(shí)，案例引導(dǎo)的信號(hào)處理課程群協(xié)同教學(xué)模式也為教師及學(xué)生提出了更高要求：要求教師有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)及良好的專業(yè)素養(yǎng)，對(duì)于課程群涵蓋的各門(mén)課程相當(dāng)熟悉，具備關(guān)鍵知識(shí)線索、核心知識(shí)要點(diǎn)的提煉、歸納、總結(jié)、綜合運(yùn)用及設(shè)計(jì)的能力；要求學(xué)生具備學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，踏實(shí)打好專業(yè)基礎(chǔ)，能夠及時(shí)查漏補(bǔ)缺。此外，傳統(tǒng)信號(hào)處理類課程的教學(xué)內(nèi)容更新相對(duì)新技術(shù)發(fā)展嚴(yán)重滯后，教學(xué)仍局限于對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的講授，致使學(xué)生能力培養(yǎng)滯后于社會(huì)需求。因此，授課教師要把握學(xué)科研究熱點(diǎn)和方向，促進(jìn)科研與教學(xué)的雙向互動(dòng)，在教學(xué)中適時(shí)適量的引入人工智能、機(jī)器視覺(jué)等前沿理論及科技的研究成果，使得教學(xué)與時(shí)俱進(jìn)，一方面豐富課程本身的廣度和深度，另一方面有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和科學(xué)探索精神。

結(jié)語(yǔ)

本文論述了案例引導(dǎo)的信號(hào)處理課程群協(xié)同教學(xué)模式實(shí)踐探索，以“圖像去噪”為實(shí)例，詳細(xì)介紹了課程群教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)，具有借鑒意義。該教學(xué)模式重新統(tǒng)籌規(guī)劃信號(hào)處理課程群各課程的教學(xué)進(jìn)程，優(yōu)化整合理論教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)聚焦核心知識(shí)要點(diǎn)，貫穿課程群的典型案例。從案例的具體化應(yīng)用場(chǎng)景引入理論學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣；課程群多課程協(xié)同指導(dǎo)案例實(shí)現(xiàn)，理論與應(yīng)用雙向促進(jìn)；案例分解小任務(wù)，學(xué)生分步自主實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)實(shí)踐能力提升。該模式可幫助學(xué)生建立完整的知識(shí)體系，提高學(xué)生對(duì)信號(hào)處理類課程的理解以及工程實(shí)踐操作的能力，提升綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，達(dá)到創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。