地方院校信号处理课程群的建设与探索

[摘 要]信号处理课程群在电子工程专业人才培养中具有重要的作用。从分析目前信号处理课程群教学中存在的主要问题入手，通过信号处理课程群的课程体系建设，网络教学平台及虚拟实验室建设，基于“讲、读、议、练”对分课堂的教学模式建设，实践教学体系建设等手段，有效完成了地方院校信号处理课程群的建设与探索。

[关键词]信号处理；课程群；课程体系；教学模式；讲、读、议、练

[中图分类号] G643.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）08-0169-03

信号处理类课程是电子信息工程专业的核心课程，是信号与信息处理学科和硕士点建设发展的基础支撑课程。其中信号与系统、数字信号处理课程是学生考取信息处理类专业硕士研究生的主要专业课程。可以说，没有信号处理类课程的建设，便没有信号与信息处理学科的建设。由于信号处理类课程之间关联度较高，可采用信号处理课程群的模式对其进行建设。[1] [2] [3]

我校信号处理类课程包括信号与系统、数字信号处理、DSP原理与应用、数字图像处理四门课程，组成信号处理课程群。上述四门课在教学时间安排上前后顺接（后两门课程可以安排在同一学期并行），且在内容上承上启下，相互关联。其中信号与系统课程要求学生掌握信号与系统分析的基本原理与基本方法，理解信号处理的数学概念、物理概念及工程概念，是信号分析的基础课程，为后续的数字信号处理、DSP原理与应用、数字图像处理等课程的学习打下良好的理论基础。数字信号处理课程主要针对离散时间信号，采用数值计算的方法完成对信号的分析和处理。DSP原理与应用是将数字信号处理的基本理论和算法付诸硬件实现，是理论联系实际的硬件平台。数字图像处理则是将信号从一维分析上升到二维分析，是信号处理理论和实践的具体应用。上述课程既相互交叉重复，互不相同，却又具有不可分割的内在联系。

一、目前信号处理课程群教学中存在的主要问题

（一）各课程间相对独立，融合度不够

在上述信号处理类课程的讲授过程中，为保证每门课程体系的完整性，知识点的重复性和不相关性问题比较严重，授课内容缺乏统筹安排，各课程主讲人授课内容缺乏系统性，既浪费了学时，又加重了学生学习负担。

（二）信号处理类课程理论性较强，较抽象难懂

由于信号处理类课程中数学公式和推导较多，仅仅通过课堂上的讲授，学生无法较好地消化和理解课程中的概念与理论，从而也导致对课程的学习丧失兴趣和信心。比如信号与系统容易被当成数学课来教学，体现不出课程在学科中的意义。

（三）课程以教师课堂讲授为主，学生参与性较差

目前信号处理课程群课堂教学中，多采用传统的教学方式，即教师以多媒体或板书等形式进行课堂讲授，偏重于对概念与理论的讲授。因而，学生参与性较差，很难能调动其学习的主动性与积极性，从而影响了学生对课程的掌握和理解程度。

（四）实践教学体系不完善，实践教学模式单一

目前信号处理类课程群中每门课程的实践环节只是针对本门课程，没有形成循序渐进、前后有机衔接、系统贯穿的专业技能培养链条，没有树立工程意识，培养学生工程素质和创新能力的环境不完善；实践教学内容设计以验证性实验居多，综合性、设计性实验较少，学生多在模仿中被动接受知识学习和技能训练。

二、信号处理课程群建设

针对上述问题，考虑到信号处理课程群的特点，以优化课程体系建设、推进课堂教学模式改革、提升学生的学习主动性和积极性为目标，我们采用了如下的实施方案和方法，将“自主、协同、互动”的教学理念具体落实。

（一）信号处理课程群的课程体系建设

在深入研究信号处理课程群中课程的相互联系及实践环节的前提下，在确保课程群体系完整性和系统性的同时，从信号处理基本内容出发，对课程内容重新规划、设计，删除课程间内容的重复，实现课程内容的优化整合，从而达到节约课时、提高教学效率的目的。如信号与系统、数字信号处理两门课程中都包含离散信号与系统的时域、Z域分析，可以把这部分内容归到数字信号处理课程中，避免重复授课。在课程群建设过程中，经过课程群内容重新定位与整合，整合后各课程的学时及基本内容如下：

信号与系统课程共48学时，本课程主要在时域、频域、复频域（三个域）针对连续时间信号和连续时间系统（两个对象）进行分析，要求学生掌握最基本的信号与系统理论及分析方法。

数字信号处理课程共64学时，本课程主要针对离散时间信号和系统，利用傅里叶变换、离散傅里叶变换、Z变换等方法进行分析，以及利用IIR和FIR数字滤波器等手段进行信号处理。课程安排中包括了16个学时的实验，主要利用Matlab进一步深化课堂上学到的有关数字信号处理的基本概念、基本原理以及基本的信号处理操作及滤波器设计方法，帮助学生加深对相关理论和方法的理解。

DSP原理与应用课程共48课时，以美国TI公司的16位定点处理器TMS320C54x系列DSP为对象，讲授DSP的原理、结构及开发应用，掌握DSP开发工具的使用及DSP汇编语言及C语言编程方法，熟悉TMS320C54x的硬件设计等。

数字图像处理课程共48课时，要求学生掌握数字图像的概念、类型，掌握数字图像处理的基本原理和基本方法：图像变换、图像增强、图像编码、图像的复原和重建，并利用Matlab实验帮助学生加深理解数字图像处理的基本原理。

（二）信号处理课程群的网络教学平台及虚拟实验室建设

建设课程群网络教学平台，实现课程群资源共享，为学生自主学习提供平台。网络教学平台中主要包含课程理论教学大纲、实验教学大纲、电子课件、教学录像、例题及习题解答等，同时设有自我检测、自由讨论等功能，帮助学生进行自主学习和自我评价，并通过这种互动、探究的学习过程，提高学生的学习效率，提升学习效果。

同时针对信号处理课程群理论性较强，较抽象难懂的特点，利用Matlab和Labview等工具，构建可视化GUI演示系统，通过交互式演示，帮助学生更好地理解信号处理课程群中抽象的概念、原理及分析方法。目前，我们已初步完成基于Matlab的信号处理课程群GUI演示系统[4]，包括信号的基本运算、连续信号的卷积积分运算、离散信号的卷积和运算、连续时间及离散时间线性时不变系统分析、采样定理、周期信号的傅里叶级数展开、滤波器设计等内容。同时我们利用Labview实现了信号处理虚拟实验系统，主要包括基本信号的产生、信号的运算、采样定理、图像处理、声音采集以及滤波器设计等信号处理课程相关的实验。[5]

（三）基于“讲、读、议、练”对分课堂的教学模式建设

“讲、读、议、练”对分课堂教学模式，是在“读、议、练”教学模式[6] [7]的基础上，根据学生的实际情况进行了改进，将“读、议、练”放在教师的“讲”之后，采取对分课堂的形式[8]，以教师为主导，以学生为主体，强调学生对知识的内化和吸收，将课堂的一部分时间分给学生进行讨论，构建有利于学生自主学习和师生互动的教学模式，把教师课堂教学和学生课外自主学习有机结合，培养和增强学生学习的自主性和探究性，提高学生对课程学习的投入时间。

在“讲、读、议、练”对分课堂教学模式中，首先教师按照课程大纲和课程进度的安排，采取多媒体课件与板书相结合的方式，对课程的相关知识点内容和重点进行讲解，以理清知识体系为主，侧重对重点难点的讲解。教师完成讲授以后，将与所讲授课程内容相关的阅读材料告知学生，并指导学生进行有效阅读。“读”还包括借助现有的MOOC平台，如Coursera、Udacity、EDX等平台；以及5-10分钟内就一个知识点进行针对性讲解的音频或视频，即微课；另外还有一些微视频，如TED、Khan、MITX等网站提供的微视频等。这些新的教学平台和手段，都可以让学生在“读”的阶段去进一步接触和消化教师所讲的知识点。在学生“读”的基础上，将学生按一定的人数进行分组，开展课堂讨论，通过抽签的方式确定一组学生进行讲解，其他各组学生进行提问，由学生相互讨论解答一些问题，其他共同的问题则由教师给出解答，进行生生互动、师生互动。最后是“练”，包括课堂练习如口头回答和书面练习，以及课后练习如实验操作和综合性作业，撰写读书报告等。

（四）信号处理课程群的实践教学体系建设

根据为学生规划的工程项目以及具体的工程技术要求，根据课程群内课程的特点，建立系统贯穿的多层次实践教学体系，有目的的设计各层次的实践教学内容，使学生能力的培养有一个循序渐进的过程，逐步达到工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面的锻炼目标。

信号处理课程群包括信号与系统、数字信号处理、DSP原理及应用、数字图像处理课程，除此之外，实践体系还把学科竞赛、学生开放实验室项目、短学期的课程设计包括进来，根据课程特点，将整个体系分成三个层次：第一层次为工程认知训练层，第二层次为综合技能训练层，第三个层次为创新训练层。对于工程认知训练层，合理设计验证性试验项目，增大设计性试验项目比例，如信号的基本运算、采样定理等；综合技能训练层的实践教学内容是整个工程项目的核心组成部分，在教学环节设计上充分利用好两周时间的短学期做好课程设计，进行图像处理、语音处理等综合性的实验，积极组织学生申请学生开放实验项目，系统规划信号处理类课程的实践教学内容；创新训练层是学生个人能力、工程意识、人际团队能力以及创新能力培养的最终体现，因此其重点落在学生综合素质的培养上，使学生能利用所学过的信号处理课程群的知识，运用创新性思维，解决实际生产生活应用中所出现的问题。

三、信号处理课程群建设的特色之处

（一）课程体系优化

在确保课程群体系完整性和系统性的同时，以培养学生的分析应用能力为目标，从信号处理基本内容出发，协调各门课程的教学内容与重点，实现课程体系的优化，充分体现课程群的相关性和整合性。

（二）理论问题可视化

通过网络教学平台、GUI演示系统、虚拟实验室建设，将信号处理类课程群学习中理论性较强、数学推导较多的问题可视化、形象化，提高学生对这些问题的理解和掌握，调动学生学习积极性和主动性。

（三）教学模式多样化

通过“讲、读、议、练”对分课堂的教学模式，借助MOOC、微课、微视频平台，引导学生主动参与、独立思考，鼓励学生自主学习，培养学生的钻研问题和探究创新的兴趣和能力。

（四）实践教学体系工程化

建立完善的、阶梯式前进的、符合工程素质与创新能力培养规律的实践教学体系，形成完整的实践技能培养链条，规划实践教学内容，改变实践教学内容，为学生工程素质、创新能力培养建立良好的实践教学平台。

四、总结

本文通过信号处理课程群的建设与探索，完善了信号处理课程群的课程体系建设，解决了现有课程教学中各课程彼此割裂、部分内容相互重叠的问题；通过网络教学平台、虚拟实验室建设，解决学生在信号处理类课程学习中因理论性较强、数学推导较多而使学生学习的积极性和主动性不够的问题；通过“讲、读、议、练”的教学模式，利用MOOC、微课、微视频等平台，解决目前课程教学中以教师为主体、采用课堂讲授这一单一教学组织方式的问题，引导学生主动参与、独立思考，培养学生的自主学习、钻研问题、探究创新的兴趣和能力；通过建立完善的、阶梯式前进的、符合工程素质与创新能力培养规律的实践教学体系，解决课程之间实践环节脱节、没有形成完整的实践技能培养链条、不利于培养工程意识的问题。

[ 注 释 ]

[1] 欧阳缮，欧阳宁，刘庆华.信号处理课程群的建设与改革实践[J].大众科技，2008（11）：185-186.

[2] 李素文，王凤随，邵芬，杨一军.电气信息类专业信号处理课程群的建设[J].淮北煤炭师范学院学报（自然科学版），2010（4）：80-82.

[3] 周小微，金宁，胡建荣.信号处理课程群教学改革的实践与探索[J].中国电力教育，2011（1）：86-87.

[4] 李秀梅，董文，贾中云.基于Matlab的信号与系统课程GUI演示系统[J].大学教育，2014（9）：78-79.

[5] 吴湖青，李秀梅，孙晨林.基于Labview的信号处理虚拟实验平台[J].杭州师范大学学报（自然科学版），2014（13）：669-672.

[6] 何菊芳，季诚钧.“读、议、练”教学模式：基于应用型人才培养的财政学课程教学改革[J].中国大学教学，2011（9）：59-60.

[7] 李秀梅，贾中云，董文.“读、议、练”教学模式在“数字信号处理”课程中的应用[J].工业和信息化教育，2014（5）.

[8] 张学新.对分课堂：大学课堂教学改革的新探索[J].复旦教育论坛，2014（5）：5-10.