“信號處理”課程群實驗實踐教學改革與實踐

李敏 劉俊

[摘 要] 該文旨在為解決現有信號處理課程群實驗實踐教學中存在的問題與不足，針對“MATLAB技術及應用”“信號與系統”“數字信號處理”“DSP原理及應用”和“數字圖像處理”五門課程構成的信號處理課程群實驗實踐教學環節，從實驗實踐教學體系、教學方法、教學質量監控三方面進行了改革和實踐。制定“模塊化、層次化、相互銜接、整體統一”實驗實踐教學體系，形成了“自主式、合作式、結合式”實驗實踐教學方法，建立一套完整的實驗實踐質量監控體系。通過實踐檢驗，教學成效明顯。

[關鍵詞] 信號處理課程群;實驗實踐教學體系;教學方法;教學質量監控

[基金項目] 2016年度重慶大學教改項目（2016Y16）;2017年度重慶大學實驗教改項目（2017S26）

[作者簡介] 李 敏（1978—），女，四川人，重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室高級工程師，主要從事傳感器技術、嵌入式系統與信號處理、實驗教學與創新研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）23-0156-03? ? [收稿日期] 2019-11-05

一、引言

課程群是以單門課程為基礎，整合兩門或以上內容相關聯或程度逐步加深的課程組成一個結構合理、層次清晰、課程間相互連接、相互配合、相互照應的連環式課程群體。課程群通過對課程的重新規劃、設計填補原先課程間的空白，刪除原先課程間的重復內容，體現群內一門課程對另一門課程的意義，并使學生更好地把握一門課程與其他課程以及整個課程群的關系，從而達到整體大于部分之和的效益[1-3]。

筆者所在的學院開設與“信號處理”相關的課程有“MATLAB技術及應用”“信號與系統”“數字信號處理”“DSP技術及應用”和“數字圖像處理”五門課程，“MATLAB技術及應用”是信號處理的主要工具軟件技術，“信號與系統”和“數字信號處理”是三個專業重要的基礎課，“DSP技術及應用”和“數字圖像處理”是專業選修課。根據培養計劃，上述五門課程都安排有學時不等的實驗實踐教學環節，但都是課程內實驗，獨立開設，沒有形成統一的實驗實踐教學體系，實驗內容的安排也沒有考慮到課程之間的聯系和知識點的重疊與交叉，主要存在以下幾個問題。

1.學生在可以選修“MATLAB技術及應用”課程時，并不清楚MATLAB技術對學習“信號與系統”“數字信號處理”等信號處理課程的重要性，即便選修了，學習目的也不明確，導致收效甚微。

2.“信號與系統”和“數字信號處理”兩門實驗課的內容主要是用MATLAB軟件對連續和離散信號進行處理和分析，礙于實驗課時，實驗內容和方法較為陳舊且各自應用重點不突出。

3.由于五門課程沒有形成整體統一的實驗實踐教學體系，實驗內容沒有做到承上啟下，普遍存在工程概念薄弱、理論聯系實際不足、原理和方法與應用脫節等問題，加大了學生理解難度而且應用意義又不明確，教學效果并不理想。

基于以上問題，結合筆者所在學校專業課程設置特點，將“MATLAB技術及應用”“信號與系統”“數字信號處理”“DSP原理及應用”和“數字圖像處理”五門課程構成信號處理課程群的實驗實踐教學環節進行優化，從課程群實踐教學體系、教學方法、教學質量監控三方面進行了研究和實踐[4-5]。

二、制定“模塊化、層次化、相互銜接、整體統一”的實驗實踐教學體系

按照“加強基礎、拓寬專業、強化實踐、突出能力、注重創新、體現個性”的教育理念，進一步加重實驗實踐教學內容在整個人才培養方案中的比重，完善本課程群實驗實踐教學內容，滿足學生主動獲取知識的需要。針對信號處理數學分析量大、工程性強的特點，在深入分析課程理論內容及組成結構的基礎上，結合適應素質教育和工程教育對電子信息類專業人才培養的要求，依托測控儀器與光電技術重慶市實驗教學示范中心，以培養學生探索創新能力為目標，構建多層面階梯式實驗實踐教學模式，并融入CDIO工程教育模式的理念，建立包括軟件工具實驗模塊、基礎實驗模塊、課程群系統綜合實驗模塊和創新研究型實驗模塊的多模塊、多層次的信號處理課程群實驗實踐教學體系，圖1為該實驗實踐教學體系的結構示意圖。

1.軟件工具模塊。在軟件工具模塊平臺上，完成信號處理課程群實驗實踐教學所需的軟件工具技術的實驗實踐教學，主要有MATLAB軟件技術實驗、C程序設計實驗。

2.基礎實驗模塊。在基礎實驗模塊平臺完成單門課程基礎實驗，主要開展驗證性、設計性和綜合性三個層面的實驗內容。在基礎實驗室平臺完成的一般是指一些傳統實驗，多數是驗證性實驗，設計和綜合實驗較少。

3.課程群綜合實驗模塊。利用課程群綜合實驗模塊平臺將信號處理課程群多門課程的知識綜合在一起，實施綜合性設計制作實驗實踐。即在該平臺實現第四層面的課程群系統綜合設計實驗。根據信號處理課程群的特點，這五門課程基本上都要用到信息處理仿真語言MATLAB，因此首先設置基于軟件編程的綜合實驗，在此基礎上增加開拓學生創新能力的DSP硬件與軟件相結合的綜合設計性實驗。例如，基于DSP的心電信號頻譜分析和雷達信號處理的設計制作等。即圍繞信號處理這個核心，突出MATLAB軟件仿真和DSP系統硬件實現的兩條主線，并貫穿在整個實驗實踐環節。

4.創新研究實驗模塊。利用創新研究實驗模塊平臺完成課外創新實驗，這是一種更高層面（第五層面）的實驗。通過課外指導學生參加各種學科競賽、教師科研課題和企業實習等形式，將課程群的建設延伸到課外，加強學生對專業應用能力、工程推理能力和解決問題能力的培養以及團隊協作能力、創造性能力的培養。

三、改革實踐教學方法，突出以學生為中心

改進實驗教學方法，注重科學性與趣味性相結合，建立以育人為本、以學生為主體、以知識掌握為基礎、以創新能力培養為核心、以綜合素質提高為目標的實驗教學方式，提高實踐中發現問題、分析問題、解決問題的能力，形成了自主式、合作式、研究式及結合式的實驗教學方法[6-8]。

（一）自主式

根據“以學生為本、以能力培養為核心”的教學理念，信號處理課程群實驗教學都采用采取開放式管理，發揮學生的主觀能動性，主要體現在：一是可以在實驗大綱總的要求下在題庫里面自主選擇實驗項目。二是可以自主選擇實驗方案和實驗儀器，對于綜合性設計性實驗項目，學生可以自主選擇實驗方案和所需的實驗儀器。三是可以自主選擇實驗時間，實驗教學計劃只規定完成實驗項目的時間段，實驗室全天面向學生開放，學生可以在規定的時間范圍內根據實驗內容和自己的學習計劃自由選擇做實驗的時間。

（二）合作式

針對有一定難度且工作量較大的部分綜合設計型和研究創新型實驗，要求學生3～4人一組，共同擬定實驗方案，集體完成實驗項目并寫出總結報告。培養學生查閱文獻、綜合設計、團隊協作、總結歸納等能力。采用合作方式進行，先將題目內容要求按照總體設計方案分成若干子模塊，組內學生協商選擇不同的子模塊，按照進度要求協作完成，通過組員協同努力，合作完成整體設計并寫出設計報告。

（三）結合式

打破實驗教學與理論教學之間的界限，探索理論教學與實驗教學相結合的新方法。改變過去那種教師先講、學生再做、“抱著學生走”的教學方法。將有些實踐性較強的理論教學內容，直接放在實驗過程中講授，利用實驗室多媒體條件邊講授邊實驗，實現理論與實踐結合，十分直觀。另一方面，在理論課中也結合實驗內容進行講授有助于理解。學生們拿到實驗項目，首先是自己去分析，然后在做相應實驗時，再去驗證，看自己的分析是否正確。通過這樣的方式，不僅使學生對理論有了深刻的理解，同時又促進學生在實驗中帶著問題去做，去驗證自己對理論理解的正確性，加強了理論聯系實際的能力。

四、建立實驗實踐教學質量監控體系

所有實驗教學手段的目的都是希望提高教學質量。為了進一步提升教學質量，有必要針對實驗實踐環節建立一套完整的質量監控體系。教學質量監控體系是全員參與的、對教學全過程和影響教學質量的各個方面實施的監控。其全員性要求所有與教學相關的人員，都參與教學質量的監控;全過程是指對影響實踐教學質量的每一環節、每個階段實施監控，以階段性目標的達成保證高質量結果的實現;全面性要求對影響實驗實踐教學質量的各個方面，如師資隊伍、教學管理、課程建設等進行監控。

以考核學生實驗項目成績為例，在實驗考核方法上，采用多元考核辦法進行綜合評定，注重考評方式的多樣化和考評指標的規范化，以保持對學生學習成績和教師教學效果檢驗的客觀公正性。主要考核內容包括：實驗出勤率、實驗操作、實驗方案正確性（設計型實驗）。全方位、多元考核體系有助于激發學生實驗參與積極性和加強實驗教學的規范化管理。通過實驗實踐教學質量監控體系的實施達到如下成效：

1.教師的教學積極性提高明顯。教師更加注重每一個實驗實踐教學環節的質量標準，實驗課前準備更充分、課中輔導更仔細、課后報告批改和教學資料總結更加規范、詳細。

2.學生學習主動性明顯加強，動手實踐能力明顯提高。學生更加重視實驗實踐教學環節，上課的積極性和主動性明顯提高，實現從“被動學習”向“主動學習”的轉變。

3.教學信息收集、整理和反饋效率明顯提高。通過對實驗實踐類課程各環節的全面監控，及時發現和解決實驗實踐教學過程存在的問題，保證教學各環節處于良性循環狀態和持續改進狀態。

五、實施效果

利用學院“光、機、電、算”交叉學科優勢，以培養學生的實踐能力和研究創新能力為目標，在實驗實踐教學內容、教學方法、教學質量監督等方面進行了優化。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，改造了傳統的實驗實踐教學方法，激發了學生探究學習的欲望。在管理模式上，建立教師指導下的學生自主管理的實驗室運行模式與全開放運行機制，為學生自主學習、自主實踐提供了支撐平臺。強化了創新意識和工程教育理念，激發了學生學習的主動性和創造性，提高了實驗實踐教學水平和質量，取得了顯著效果。

參考文獻

[1]蔣俊正，劉慶華，歐陽寧.信號處理課程群多層次實驗教學體系建設和教學方法改革[J].教育觀察，2014，25（3）：47-49.

[2]李秀梅，董文，賈中云.地方院校信號處理課程群的建設與探索[J].大學教學，2016（8）：169-171.

[3]李文杰，張曉鳴.電類學科信號處理課程群實驗教學體系構建[J].中國現代教育裝備，2015（217）：106-109.

[4]王連明，陳菊芳，黃繼鵬，等.電子信息類專業實驗課程體系改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2018，37（3）：147-149.

[5]張曉光，湯文豪，王艷芬，等.數字信號處理案例教學法研究與實踐[J].實驗技術與管理，2018，35（5）：214-2187

[6]楊智明，彭元熹.數字信號處理課程實踐型教學方法研究[J].實驗室科學·實驗室研究與探索，2014，33（9）：180-183.

[7]王典，劉財，劉洋，等.數字信號處理課程分類和分層教學模式探索[J].實驗技術與管理，2013，30（2）：31-32.

[8]趙希文，楊海，韓瑩，等.基于項目的研究性學習組織體系的研究與實踐[J].實驗技術與管理，2016，33（6）：10-12.

Reform and Practice of Signal Processing Course Group Experimental Practice Teaching

LI Min，LIU Jun

（Key Laboratory of Optoelectronic Technology and System of the Education Ministry of China，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Abstract：In order to solve the problems and shortcomings of the experimental practice teaching in Signal Processing course group，including MATLAB Technology and Applications，Signals and Systems，Digital Signal Processing，DSP Principles and Applications and Digital Image Processing，reform and practice have been carried out from three aspects：experimental practice teaching system，teaching method and teaching quality monitoring.The experimental practice teaching system of "modular，hierarchical，mutual connection，and overall unification" is formulated;the experimental practice teaching method of "autonomous，cooperative，combined" experimental practice teaching method is formed;a complete set of experimental practice quality monitoring system is established.And the teaching effect is obvious through the practice test.

Key words：Signal Processing course group;experimental practice teaching system;teaching method;teaching quality monitoring