軍校研究生“數字信號處理”課程改革

胡永江，王永川，馬曉琳

(軍械工程學院，河北石家莊050003)

“數字信號處理”課程是軍隊工科院校電子類、控制類及信息類等專業研究生的一門不可或缺的學位課，與最優控制、故障診斷和人工智能等多門學科緊密相關[1-3]。在多年的教學實踐中發現，該課程基礎起點高，內容抽象，理論較深且實踐性強[4-5]。但是軍隊工科院校研究生來源復雜，知識結構差異較大[6];學生課題研究對數字信號處理具有多樣化要求。我們針對這些特點，對課程進行了改革。

1 課程教學實施中的問題

1)對教學工作有很高要求

“數字信號處理”課程要求數學基礎較高，內容比較抽象，需要使用數學語言對問題進行描述，缺少直觀性。但因聯系工程實踐緊密，這些特點向教學工作提出了嚴峻的挑戰，很容易出現“講不清，學不明，用不上”的情況。

2)生源參差不齊

我院每年招收的碩士研究生主要來自地方院校(國防生類)、相關專業系(軍校生類)以及部隊干部(在職干部類)，學生的知識背景、知識結構、理論基礎、理解能力和實踐能力差別很大，系統地學習過全部專業課程的學生很少。統計表明，在我院2011年至2013年選修“數字信號處理”課程的研究生中，有近42%的研究生沒有學過信號與系統或自動控制原理，有近36%的研究生缺乏如積分變換、概率理論和復變函數等重要的數學基礎知識，給教學工作的有序進行帶來較大困難。

3)欠缺工程背景

數字信號處理技術有很強的實踐性，軍校類和國防生類研究生都缺乏扎實的工程實踐背景，對Matlab和DSP等相關仿真實踐基礎知識缺乏，導致學習過程和實踐環節非常被動。

4)課程內容豐富與課時較少矛盾突出

“數字信號處理”課程內容十分豐富且涉及面廣，學習過程難度增加，但分配的學時有限，內容豐富和學時較少的矛盾突出，不但給掌握知識帶來障礙，而且給教學過程帶來不便。

5)課題研究需求給內容選擇帶來挑戰

由于我院研究生課題主要是針對具體武器裝備展開研究，各專業武器裝備技術差異大，需針對具體信號在處理算法的理論和實踐上進行拓展，以滿足不同專業研究生的課題需求，如何合理選擇教學和實踐內容，直接關系到教學內容的完整性、系統性和實用性。

6)創新能力培養給內容設計提出高要求

根據軍隊院校研究生培養目標要求[6]，培養研究生的自主學習、工程實踐、科研創新、論文寫作以及團隊協作等能力，都需要在課程內容頂層規劃時，有針對性地進行設計。

2 課程教學內容設計與實施

我們結合課程特點，針對課程教學實施中存在的問題，將課程教學內容進行整合設計，形成基礎理論、實驗項目和拓展專題三個相輔相成的課程教學體系，分別占總課時的65%、25%和10%。在基礎理論體系中，重點解決課程內容過多、內容抽象過難和學生缺少專業知識等問題;在實驗項目體系設計中，重點解決學生缺少工程背景知識，著力提高學生工程實踐、論文寫作和團隊協作等能力;在拓展專題體系設計中，重點解決學生課題研究需求多樣化難題，著力提高學生自主學習和科研創新等能力。

2.1 基礎理論體系設計與教學

(1)精心組織教學內容，仔細講解重要知識點。首先是補充部分信號與系統知識，解決學生專業知識薄弱的難題，保證學生能夠正常入門;然后講述如何獲取數字信號(即抽樣定理)及存在問題(即量化誤差分析);再講述如何認知數字信號或系統的特性(即頻域分析與變換理論);然后講述如何處理含噪或受擾數字信號(即濾波器理論與設計);最后講述如何根據要求設計一個數字系統(即信號參數估計與建模)。以問題為牽引，形成一條數字信號獲取、分析與處理及系統綜合設計實現的精簡理論知識鏈。同時在教學實施過程中，縮減一些繁瑣陳舊的理論推導，注重理論數學性與物理性的對應關系，強調結論的物理意義和工程應用。

(2)與時俱進，引入學科專業前沿知識。采用對比法進行講解學習，如針對奈奎斯特抽樣定理的局限性，可引入帶限信號的欠抽樣定理;針對傅立葉變換譜分析的缺陷，討論短時傅里葉分析等理論;針對經典濾波器的缺點，適當擴展維納濾波、自適應濾波和卡爾曼濾波等知識;針對經典譜估計和建模的不足，引入參數譜估計、非參量譜估計以及高階譜估計等知識。這些前沿知識的引入，既拓展了學生的知識面，又與學院各類武器裝備所用信號處理知識息息相關，滿足各學科對數字信號處理的理論知識需求。

2.2 實驗體系設計與實施

實驗研究是培養研究生應用能力的重要環節，我院按照“厚基礎”和“強綜合”的原則，基于Matlab軟件和DSP開發工具箱，形成“數字信號如何采集獲取，如何進行譜分析，如何變換以及如何濾除雜波”的一條與理論相呼應的實驗體系。

(1)與基礎理論體系相對應，形成數字信號采集與抽樣、傅立葉變換與譜分析、濾波器設計與實現和功率譜估計與信號建模等四個基礎實驗專題，重點解決仿真軟件運用和理論與實踐相結合的問題。

(2)按照數字信號采集、分析和處理的設計思路，在控制、通信、雷達、機械以及測試領域設置了五個綜合實驗項目，重點解決綜合設計和運用中出現的難題。根據實驗項目要求，由2-3名學生按五個綜合方向分成若干個小組，分工協作，通過編寫仿真代碼、演示仿真結果和撰寫實驗報告等方式，開展實驗研究和探索，切實提高研究生的工程實踐能力和論文寫作能力。

2.3 拓展專題的設計與實施

我們根據每個研究生研究方向，參照基礎理論體系和實驗項目體系，設立控制信號處理、通信信號處理、雷達信號處理、機械振動信號處理、測試信號處理、圖像信號處理和語音信號處理等七個拓展專題。在教學實施過程中，學生可自主選題并組成2-3人興趣研究小組，采用分組自主學習、撰寫研究報告和課堂交流相結合的方式，在相互學習、共同提高的同時，保證了每個學生都有一個與自身專業相關的拓展專題。

3 課程考核與效果評估

1)課程考核

為了評估課程整合設計后的教學效果，課程考核采用理論考試、實驗匯報和專題交流相結合模式。

理論考試主要考核基礎理論，120分鐘閉卷模式，成績占40%;實驗匯報依據綜合實驗專題，采用主題報告、現場演示和回答質疑相結合的方式，成績占40%;專題交流依據拓展專題，撰寫研究論文，在課堂討論時現場報告和討論交流，成績占20%。

2)效果評估

學院2011年至2013年選修“數字信號處理”課程的考核成績統計如圖1所示。

圖1 2011年-2013年考核成績統計圖

其中成績A表示在85分以上，成績B在85分至75分之間，成績C表示在75分至60分之間。通過三年“數字信號處理”課程的教學實踐和考核評估，可以發現:在課程內容整合初期(2011年)，學生對基礎理論掌握很好，但在實驗匯報和專題交流兩個方面不夠理想;在教學內容整合中期(2012年)，采用減少理論講解、增加實驗指導，雖然基礎理論掌握情況有小幅度回落，但學生的實驗匯報環節成績有了大幅度的提高，;在教學內容整合后期(2013)，學生在理論考試、實驗匯報和專題交流方面都有很大幅度提高。

實踐表明，基礎理論、實驗項目和拓展專題的課時分別為50%、35%和15%時比較合適。根據近三年學生反饋意見來看，學生對課程內容體系的設置非常滿意，基礎較好的學生表示在迅速掌握基礎理論的同時，可以花更多精力在實驗項目和拓展專題上，拓展自己的能力;基礎較薄弱的學生表示通過團隊協作，使自己在薄弱環節得到提高。

4 結語

本文根據軍隊院校研究生培養目標要求，結合我院研究生特點和學科發展需求，對“數字信號處理”課程內容進行了整合設計。整合設計是課程教學的重要環節，也是針對課程目標、授課對象和課程特點進行高度融合的教學需要。除了使學生掌握了數字信號處理的基礎理論知識，還鍛煉了學生的自主學習、工程實踐、科研創新、論文寫作以及團隊協作等應用創新能力，達到了課程教學改革的主要目的。針對理論前沿和拓展專題較難的問題，下一步將這兩個部分采用MOOC方式，化繁為簡、化難為易、化大為小，讓學生在課余自主學習，真正的讓學生帶著興趣學，帶著問題學，切實提高其應用創新能力。

[1]胡學友，王穎，胡云龍.“數字信號處理”教學改革與實踐[J].南寧:高教論壇，2007.6(3):67-69

[2]藍會立，廖鳳依，文家燕.“數字信號處理”課程教學改革與實踐[J].北京:中國電力教育，2012(3):86-87

[3]莊陵，曹建玲，朱聯祥.基于建構理論的“數字信號處理”課程教學模式探索[J].北京:中國電力教育，2010(2):61-62

[4]何玲松.兩年制碩士研究生課程教學改革探索-“工程數字信號處理算法與實踐”課程改革實踐[J].北京:學位與研究生教育，2008(7):26-29

[5]楊會成，王世芳.項目教學法在信號處理課程教學中的實踐與探索[J].北京:中國電力教育，2012(29):50-51

[6]李加勇，白永生，葉和明，劉潔.新形勢下提高軍校研究生創新能力的策略分析[J].北京:中國電力教育 ，2012(14):61-63