面向“卓越工程師”的課程教學研究與探索

董慶賀,殷賢華,李 偉,許川佩

(桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004)

為貫徹落實《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》的重大改革項目，教育部于2010年6月正式提出了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”(簡稱“卓越計劃”)，旨在培養(yǎng)一大批創(chuàng)新能力強、適應經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才。卓越計劃遵循“行業(yè)指導、校企合作、分類實施、形式多樣”的原則，重點是培養(yǎng)學生的工程實踐能力、分析能力、創(chuàng)新能力和溝通能力[1-2]。作為處于教學一線的教師，唯有從自己講授的課程著手，改變教學觀念，更新教學手段，完善知識體系，使學生從被動式學習轉(zhuǎn)為主動式探索，全面提高學生自身素質(zhì)。

信號處理是電子信息類專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)必修課，傳統(tǒng)教學主要以理論為主，強調(diào)公式和性質(zhì)的推導及其熟練應用，以做習題的形式來強化學生的運算能力，忽略了自我學習能力的培養(yǎng)，學生普遍感到枯燥無味，不知所學何用，嚴重制約了教學效果[3-4]。為改善這種教學狀況，分別從課堂教學形式、實驗教學、知識拓展和課程體系的合理構(gòu)建等方面進行研究，以達到對學生分析問題、解決問題和自主學習能力的培養(yǎng)。

1 課堂教學改革

課堂教學是學生獲取理論知識的主要渠道，教師的工作就是點燃學生學習的熱情。因此，要擯棄教學形式單一和滿堂灌的現(xiàn)象，教師應根據(jù)所教授的知識點采取靈活多變的教學形式，將灌輸式教育向啟發(fā)式教育進行轉(zhuǎn)換，讓學生主動地參與進教學之中，調(diào)動學生學習的積極性。結(jié)合多年的教學經(jīng)驗，嘗試采取以下方法，并取得了良好的教學效果。

(1) 淡化數(shù)學運算，強調(diào)數(shù)學概念和工程概念。比如“信號處理”中講解離散傅里葉變換DFT時，不能簡單地僅介紹其公式和性質(zhì)的表達式，而是要讓學生理解為何用DFT，而不是用其他傅里葉變換CTFT、CTFS、DTFT、DFS對模擬信號進行頻譜分析。由于模擬信號在時域和頻域上均是連續(xù)信號，而計算機僅能處理數(shù)字信號，因此必須要對連續(xù)信號進行離散化處理。通過圖形對比的形式(如圖1所示)，利用“一個域的離散化必然造成另一個域的周期延拓”的結(jié)論，介紹所學過的幾種傅里葉變換對之間的聯(lián)系和區(qū)別[5]，從而能從本質(zhì)上理解利用DFT對模擬信號進行頻譜分析時所造成的混疊誤差、柵欄誤差和頻譜泄露的原因，以及數(shù)字角頻率、離散頻率、模擬頻率(Hz)、模擬角頻率(rad/s)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[6]。

圖1 幾種傅里葉變換之間的關(guān)系對照圖

(2) 以提出問題或案例分析的形式啟發(fā)學生進行思考和討論。學習的目的在于運用，教學中要注重對學生分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)。比如講授頻譜分析時，要求學生對頻率為6 500 Hz、7 000 Hz和9 000 Hz的正弦疊加信號進行頻譜分析[7]。首先，指導學生如何將一個應用問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學問題，xa(t)=cos(2π×6 500t)+cos(2π×7 000t)+cos(2π×9 000t)；然后，利用Matlab自帶函數(shù)DFT時，DFT的輸入?yún)?shù)為：離散信號x(n)和抽樣點數(shù)N。那么，如何將連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為離散信號？采樣頻率fs和抽樣點數(shù)N又如何確定？分析問題之后，留一定的時間給學生進行思考，然后當場利用Matlab編程畫出頻譜圖，根據(jù)圖形結(jié)果再次提出問題：改變fs和N后頻譜圖會發(fā)生何種變化？修改參數(shù)給出具體圖形，并思考：為什么會有這樣的變化，原因是什么？通過這樣層層發(fā)問、學生回答的形式，誘使學生不斷地思考，不僅可以有效地將學生融入課堂之中，扭轉(zhuǎn)了被動接受知識的現(xiàn)象，并在潛移默化中提高了學生綜合運用知識分析、解決問題的能力。

(3) 有效地使用教學仿真軟件。課堂教學時間有限，合理使用教學仿真軟化對改善教學效果具有很好的輔助作用。除教學生使用Matlab信號處理箱的仿真工具FDATool、SPTool和Wvtool[8]之外，根據(jù)授課需要自行開發(fā)了基于Matlab GUI的信號處理課程仿真軟件，在講解DFT的應用時，除對正弦疊加進行進行頻譜分析外，還可對音頻信號進行頻譜分析(如圖2所示)。實時調(diào)入音頻文件，可以對其添加不同類型的噪聲[9]，直接觀察前后時域波形和頻譜圖，并播放音頻文件，聆聽前后聲音的變換。實踐表明，在教學中采用現(xiàn)代化教學手段，借助圖形、聲音等形式，可大大觸動學生的視覺和聽覺系統(tǒng)，活躍課堂氣氛，很好地調(diào)動學生學習的興趣，并進一步加深學生對理論知識的理解和應用。

圖2 教學仿真軟件之音頻信號的頻譜分析界面

2 實驗教學與理論教學的融合

目前實驗教學和理論教學大部分都處于孤立狀態(tài)，各有不同的教師負責[10]，實驗也大多是驗證性實驗，學生根據(jù)要求得出結(jié)果即可，對于為什么結(jié)果是這樣鮮有考慮。因此雖然開設了許多實驗環(huán)節(jié)，但基本上都流于形式，學生也是應付了事，抄襲現(xiàn)象嚴重。要解決這些存在的問題，首先就要打破理論教學與實驗教學的界限，理論教師走進實驗室。根據(jù)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)理論課教師親自帶實驗時：

(1) 學生更重視實驗，更活躍，遇到問題更愿意主動向教師尋求幫助，實驗過程中也更加積極認真，抄襲現(xiàn)象大幅減少；

(2) 驗收時不光看結(jié)果，更關(guān)注學生通過實驗對于理論知識的理解和掌握，能有效地指導學生將實驗與相關(guān)理論進行結(jié)合；

(3) 對實驗過程中出現(xiàn)的問題能及時有效地進行總結(jié)和講解，從中發(fā)現(xiàn)學生的知識薄弱點，促使教師在理論教學中進行相應的改進和加強，實驗和理論教學相互促進，形成良性循環(huán)；

(4) 實驗是小班制教學，一次30人以下，有助于教師根據(jù)學生知識掌握的情況進行因材施教，設置難度不同的實驗項目。

實踐表明，理論教師親自帶實驗的做法，受到了學生的普遍歡迎，學生學習的興趣高漲，對知識的掌握也更好、更牢固，在考試中取得的成績，相比之下也要更好。

3 自我學習能力的培養(yǎng)

在當今信息爆炸的年代，學習能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，古語說“授人以魚，不如授之以漁?！币幻麅?yōu)秀的教師，不能僅限于傳授課本知識，還要教會學生自學的方法，那么首要問題就是掌握如何在知識的海洋中獲取自己所需的有用的知識。

知識的搜索目前學生只會使用Baidu、Google搜索引擎，這是遠遠不夠的。我校具有非常豐富的電子資源，如超星、方正、書生電子圖書，以及中國知網(wǎng)、維普科技、萬方、IEEE Electronic Library等期刊論文數(shù)據(jù)庫，但本科生鮮有使用。在教學中要注意引導和培養(yǎng)學生使用電子資源庫。比如關(guān)于濾波器的優(yōu)化設計方法有很多，如模擬退火算法、蟻群優(yōu)化算法、粒子群算法、遺傳算法等，但教科書上甚少涉及。為拓展學生視野，可以此為作業(yè)內(nèi)容促使學生去查閱資料。首先，教學生使用電子資源庫的方法，包括查詢、下載、閱讀、追蹤，然后讓學生自己查詢閱讀，并寫一篇綜述，在課堂上介紹自己查閱的內(nèi)容，教師進行點評和總結(jié)。這樣不僅大大拓寬了學生的知識面，為學生提供了利用計算機學習的另外一種用途，而且培養(yǎng)了學生的自我學習能力和溝通能力。

4 課程交互，構(gòu)建持續(xù)式學習

信號處理算法需要借助于硬件平臺來實現(xiàn)工程應用。硬件實現(xiàn)即利用通用或?qū)Ｓ玫腄SP芯片(或FPGA芯片)來完成信號處理的方法，利用其進行開發(fā)和設計對培養(yǎng)學生的工程實踐能力非常重要[11]。我校開設了“DSP原理及應用”和“EDA技術(shù)及應用”這2門課程，但在講授時只是介紹硬件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)及芯片開發(fā)工具和軟件編程，缺乏實際應用開發(fā)，與專業(yè)基礎(chǔ)課基本處于孤立的狀態(tài)，內(nèi)容缺乏交互融合，使得學生仍不知道如何將理論知識從工程實踐角度具體去實現(xiàn)。

工具只是是一種手段，關(guān)鍵在于如何利用工具去解決工程實際問題。大學課程的設置大都遵循由基礎(chǔ)課到專業(yè)課、由理論到軟硬件實現(xiàn)，再到具體應用，課程之間更應注重先后銜接、前后呼應及知識的交互融合，從而構(gòu)建循序漸進的、持續(xù)式學習[12-13]。為此，這2門課程應添加相應的工程設計題目，或者在課程設計中增加采用DSP(或FPGA)進行信號處理和分析方面的訓練，從而培養(yǎng)學生的綜合應用能力和動手能力。

5 結(jié)束語

理論教學是基礎(chǔ)，實踐教學是理論教學的延伸，通過課程之間的交互融合，可促進對理論知識的深入研究，反過來又能更好地解決工程實踐中的問題。學生永遠是學習的主體，不管采取何種教學形式，目的都是要調(diào)動學生學習的積極性，引導學生不斷思考，指導學生逐步學會獨立獲取知識、綜合利用知識分析解決問題的能力。

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