“信号与信息处理”课程群教学改革研究

摘要：课程群建设是当前课程改革和建设的热点。基于课程群内涵界定原则探讨了“信号与信息处理”课程群教学改革研究。以“数字信号处理”课程为核心，在横向上将“信号与系统”、“数字信号处理”和“DSP技术与应用”三门本科学历教育课程有机整合，建立新的教学体系，并形成与之配套的教学模式及方法，使学生打牢宽广扎实的信号处理基础知识。在纵向上，改革建设“数字信号处理（本科）”、“数字信号处理（硕士）”和“现代数字信号处理”课程，使学生知识体系向纵深拓展，培养高端研究型人才。

关键词：信号与信息处理；课程群；课程改革

作者简介：欧阳华（1978-），女，湖北仙桃人，海军工程大学电气工程学院，副教授；杨忠林（1978-），男，江西九江人，海军工程大学电气工程学院，讲师。（湖北 武汉 430033）

基金项目：本文系海军工程大学2013年教育科研课题的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）19-0070-02

按照高等院校教育模式转型的要求，人才培养模式正在由单专业岗位型向厚基础宽口径型转变。为了适应这种转变，高等院校的课程设置也应该进行相应的调整与改革。课程群教学方法正是对教学过程中的教育思想、课程体系、教学内容、教学方法等进行全面改革，对于培养21世纪高素质的新型人才具有重要而深远的影响。

在海军工程大学电气电子类专业信号与信息处理类课程的本科、硕士、博士系列教学实践中存在如下问题：部分课程内容有重叠，衔接不流畅，如“信号与系统”、“数字信号处理”课程均用较多的篇幅讨论了z变换和抽样定理；课程理论推导多，应用实例少，学生对课程的实用性产生疑惑；部分电气类研究生在信号处理基础知识的掌握上有欠缺，影响了后续学术研究的深度。基于以上教学过程中的实际问题，以学科专业的优化、课程体系的构建和学生知识结构的形成为目标，课题组进行了“信号与信息处理”课程群教学改革研究，在教育思想、课程体系、教学内容等方面取得了初步成效。

一、课程群内涵研究

课程群是与单门课程相对应的一种课程建设模式，国内高校进行课程群建设至今已有十多年的历史。1990年，北京理工大学基于“在课程建设中应当以教学计划的整体优化为目标”，提出要注重“课群”（课程群的早期称谓）的研究与建设之后，一些高校陆续开展了虽名称相同或相似但差异较大的课程群建设的实践。为达成共识，提高课程群建设的质量，国内各高校教学管理人员及教师对课程群的内涵进行了理论探讨。[1]一般认为，课程群是以单门课程为基础，整合两门或以上内容相关联或程度逐步加深的课程组成一个结构合理、层次清晰、课程间相互连接、相互配合、相互照应的连环式课程群体。课程群具有两大属性：一是关联性。课程群虽以课程间的知识、方法、问题等逻辑联系为结合点，但在课程群建设未实施前，这一关联尚属内隐。伴随课程群建设，这一关联不断外化，并在实际教学中促使学生的认知迁移达到贯通。二是整合性。课程群通过对课程的重新规划、设计填补原先课程间的空白，删除原先课程间的重复内容，体现群内一门课程对另一门课程的意义，并使学生更好地把握一门课程与其他课程以及整个课程群的关系，从而达到整体大于部分之和的效益。

基于课程群内涵界定原则，需要建设“信号与信息处理”课程群。通过对课程的重新规划、设计填补原先课程间的空白，删除原先课程间的重复，体现群内一门课程对另一门课程的意义，并使学生更好地把握一门课程与其他课程以及整个课程群的关系，从而达到少学时的整体教学效果大于多学时分散式多课程的教学效果。具体而言，课程群以“数字信号处理”课程的基本理论为核心，在横向上将“信号与系统”、“数字信号处理”和“DSP技术与应用”三门本科学历教育课程进行有机整合，优化实验课程内容，建立新的教学体系，并形成与之配套的教学模式及方法，使学生打牢宽广扎实的信号处理基础知识，并从理论学习上升到实际应用，形成完整的系统概念，掌握便捷的分析与设计方法，有效培养学生获取新知识、应用新知识的能力，从而全面提高学生的素质。纵向上，改革建设“数字信号处理（本科）”、“数字信号处理（硕士）”、“现代数字信号处理（博士）”和“DSP技术与应用”课程，使学生知识体系向纵深拓展，培养高端研究型人才。课程群结构框图如图1所示。

图1“信号与信息处理”课程群结构框图

二、课程体系的改革

1.本科学历教育的横向课程建设

设计的课程群的本科阶段包含“信号与系统”、“数字信号处理”和“DSP技术及应用”三门课程。“数字信号处理”是信息科学的重要组成部分，是工科专业的共同基础。“信号与系统”是“数字信号处理”课程的前导课，也是连接信息处理领域理论与应用的重要基础课程。“DSP技术与应用”讲授数字信号处理器的软硬件开发，属于实践与应用课程。三门从理论学习上升到实际应用，形成相互连接与照应的整体。

根据授课对象的不同进行有针对性的体系建设。海军工程大学“信号与信息处理”课程群的本科授课对象有两类：一类是电子、通信类专业；一类是电气、控制类专业。电子、通信类专业信号处理的对象主要是弱电信号，对理论深度的要求比较高，因此分别开设了70学时的“信号与系统”课程和50学时的“数字信号处理”课程，课程设计时注重理论计算法的深入探讨，更新、增加应用实例（例如调制解调），加强在通信、雷达、声纳等传统信号处理领域中的应用分析，拓宽学生视野。“DSP技术与应用”课程以TI公司的C5000系列芯片为对象，以语音处理的实现为实践内容，讲授DSP的应用。

电气、控制类专业属于强电领域，信号处理在该领域的应用属于交叉学科，对信号处理的理论深度要求稍低，在课程设置时没有将“信号与系统”作为先导，同时将“数字信号处理”扩充为60学时。首先用16个学时给学生补充信号分析与系统分析的相关基础知识，并适当降低知识点的理论深度，注重实际应用（如滤波器设计中直接讲授滤波器设计指标和MATLAB设计方法，略去理论分析）。另外，电气控制类专业涉及的强电信号频率相对较低，信号幅值较高，而且多为缓变信号，对信号的采用频率、算法的精度、实时性要求不高。在实际讲授中，着重强调傅氏变换在频率测量方面的应用，略去拉氏变换在电路求解方面的应用，加强数字部分，将状态空间移至”自动控制原理”课程讲授。为改革课程使之更切合电气控制类专业，编写了适合该类专业的信号处理入门基础课程教材《数字信号处理》，[2]并于2011年5月由机械工业出版社正式出版，目前已经在两届学生中使用，学生反映教材深入浅出，理论联系实际效果好。相应的“DSP技术与应用”课程以TI公司的C2000系列芯片为对象，以马达控制的实现为实践内容，讲授DSP的应用。

2.本科及研究生教学的纵向课程建设

现代数字信号处理是一门发展迅速的前沿交叉性学科，它在经典的数字信号处理的理论和算法方面进一步扩展，其基本内容一般分为硕士和博士两个阶段讲授。硕士讲授内容一般为最小二乘滤波器、自适应滤波器、功率谱估计和同态信号处理，博士讲授内容一般为高阶谱估计、短时傅里叶变换、小波变换、维格纳分布和多速率信号处理。

同样地，由于学科发展的历史原因，现代数字信号处理大部分教材在内容、深度以及联系实际应用等方面基本上以通信、电子类专业研究生为研究对象，而极少以电气自动化和机械工程专业研究生为对象。为满足电气自动化和机械工程类专业研究生（硕士、博士）对现代信号处理技术的需求，编写了《高等数字信号处理》教材，[3]作为硕士研究生“数字信号处理”和博士研究生“现代信号处理”的教材。该教材为普通高等教育电气工程与自动化类“十一五”规划教材，以研究生水平的数字信号处理内容为主，适当兼顾与本科数字信号处理内容的衔接，并导论性地介绍信号处理技术的最新发展成果，使学生既打牢基础又有发展空间。

三、实验体系建设

基于“信号与信息处理”课程群建设的总体计划和建设目标考虑，学校在2007年建设了“信息处理基础实验室”，以该实验室为实验平台，将“信号与系统”、“数字信号处理”和“DSP技术及应用”三门课程的实验内容整合，并编写了《信号分析与处理实验》讲义。实验体系的建设实现了基本原理与工程应用的有机结合，软件仿真与硬件实现的有机结合。实验内容的设置围绕信号分析与处理、系统分析与设计、信号处理综合应用和信号处理软硬件实现四个层面展开。软件实验基于MATLAB仿真环境，作为“信号处系统”和“数字信号处理”课程实验内容，侧重于信号处理算法的仿真和系统的模拟，以加强学生对基本概念的理解，初步培养学生利用信号处理理论分析和解决实际问题的能力。硬件实验基于TI公司的TMS320C5x和TMS320C2x开发环境，作为“DSP技术及应用”课程实验内容，侧重利用DSP系统资源实现信号实时分析和处理，培养学生数字信号处理系统的开发应用能力。

四、与时俱进，改革教学内容

在教学内容改革上，理论上以当代信息科学的观点讲授经典理论；实践上突出工程应用软件的应用，突出信号处理技术在电气电子工程中的应用。课程教学内容的改革经验主要表现在如下方面：

1.考虑专业的特点，既精选内容避免重复又注意内容的衔接

离散信号的z变换、抽样定理在两门理论课程均有体现，内容重叠且深浅不一致。根据电气、电子专业对理论深度要求的差异，在教学中合理安排该内容在相关课程出现的位置和学时，并注意和前后内容的连贯。

2.拓宽知识面，增加授课信息量，注重经典理论与现代技术的结合

课程教学效果成败的关键不在于学生认识和记忆了多少定义、定理的条文，而应注重正确引导学生运用数学工具分析典型的物理问题。[4]随着信息科学理论与实践研究的迅速发展，对于许多经典理论的认识需要补充、修正或以新的观点来审视。在刚开始建立信号传输概念时，从全球定位系统、个人通信技术和国际互联网等实例引入，营造了当代信息科学飞速发展的浓厚气氛。又如，按照传统的观念，带通滤波器的作用主要是针对频移信号的检测。这种系统按需要设计之后无需改动频率参数。而从当代信息科学的观念来看，必须以窗函数理解各种带通的作用，而且许多带通问题要求频率参数随时可以灵活调节，小波变换即是这种应用实例。对于电气专业，增加介绍信息流、能量流、管理流互动的智能电网的概念，实现电气电子的交叉融合。

3.理论联系实际，注重培养学生解决问题的能力

注重讲清基本概念和方法，介绍信号处理技术的应用，而不是过分强调数学公式的推导和证明。例如，在讲解相关分析部分时介绍其在噪声消除中的应用；介绍频谱分析时，注重其在频率测量、谐波检测、故障诊断中的应用。教学内容中介绍了用MATLAB语言实现信号处理算法，培养学生解决实际问题的能力。

五、结束语

结合学校课程设置实际和多年的教学经验提出了“信号与信息处理”课程群的研究内涵，突破了以往课程建设多以本科同层次课程组合的模式，建立了本科-硕士-博士不同层次课程的综合优化衔接的纵向模式。课程群既包含密切相关、相承、渗

透、互补性的三门本科课程组合而成的有机整体的横向课程，又包含层次清晰，课程间相互衔接的深入拓展的三门纵向课程。

课程改革与建设是一个需要持之以恒而又与时俱进的工作，其间总会产生新的问题，形成新的看法，以后将进行进一步研究讨论，做好教书育人工作。

参考文献：

[1]马赛，李方能，吴正国，等.《信号与系统》课程群的建设与教学改革探索[J].高等教育研究，2010，33（1）：102-103.

[2]尹为民，欧阳华，钱美.数字信号处理[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3]吴正国，尹为民，侯新国，等.高等数字信号处理[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4]郑君里.教与写的记忆——信号与系统评注[M].北京：高等教育出版社，2005.