電子信息專業(yè)信號(hào)處理系列課程實(shí)踐教學(xué)研究

摘要：結(jié)合河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院電子信息專業(yè)信號(hào)處理系列課程教學(xué)的實(shí)際情況，基于日常的教學(xué)實(shí)踐與探索，對(duì)信號(hào)處理系列課程體系的構(gòu)建及實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)進(jìn)行了分析和總結(jié)。在加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的過(guò)程中，改進(jìn)設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)裝置，優(yōu)化了實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，滿足了對(duì)不同層次學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的需求。

關(guān)鍵詞：信號(hào)系列課程；實(shí)踐教學(xué)；課程設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)裝置

作者簡(jiǎn)介：劉翠響（1973-），女，河北辛集人，河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，副教授；王寶珠（1962-），女，河北三河人，河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，教授。（天津 300401）

基金項(xiàng)目：本文系河北工業(yè)大學(xué)2012年教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目“探索課程設(shè)計(jì)新型模式加強(qiáng)創(chuàng)新能力培養(yǎng)”、河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目“電子信息類專業(yè)信號(hào)處理系列課程體系與實(shí)踐教學(xué)模式研究”的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）05-0170-02

高等教育大眾化意味著學(xué)術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、人才培養(yǎng)規(guī)格的多樣化，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不斷完善，科技文化的快速發(fā)展，社會(huì)各行業(yè)需要不同層次的人才。在探索城市學(xué)院教學(xué)中，教師應(yīng)該不斷更新教育觀念，逐步確立本科應(yīng)用型人才的教育觀、質(zhì)量觀，逐步確立起一套富有城市學(xué)院特色的本科應(yīng)用型人才培養(yǎng)新模式。城市學(xué)院教學(xué)模式、教學(xué)要求一直沿用本科的教學(xué)模式，為探索更加適合城市學(xué)院長(zhǎng)足發(fā)展的特色教育之路，在應(yīng)用型人才培養(yǎng)上有所創(chuàng)新，[1]加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和蓬勃向上的進(jìn)取心，開(kāi)展信號(hào)處理系列課程實(shí)踐教學(xué)改革勢(shì)在必行。

一、構(gòu)建電子信息類專業(yè)的本科應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式和信號(hào)處理系列課程體系

信號(hào)的獲取與處理是電子信息類學(xué)生主要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，涉及的課程包括：“信號(hào)與線性系統(tǒng)”、“數(shù)字信號(hào)處理”、“DSP技術(shù)”、“數(shù)字圖象處理”等。信號(hào)處理系列課程在電子信息類專業(yè)教學(xué)中具有重要的作用，[2]是“通信原理”等課程的重要理論基礎(chǔ)，其教學(xué)水平的整體提高對(duì)專業(yè)建設(shè)、應(yīng)用型人才培養(yǎng)具有重要意義。

“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程是電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是本系列課程的主要理論基礎(chǔ)。但是“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程的內(nèi)容較為抽象，學(xué)生能獲取的直觀感性認(rèn)識(shí)很少，理解和掌握課程內(nèi)容往往面臨一些困難?！皵?shù)字信號(hào)處理”與“信號(hào)與線性系統(tǒng)”在課程內(nèi)容上聯(lián)系非常緊密，前者是后者的進(jìn)一步深化與拓展，但仍然是以抽象的理論分析為主?！皵?shù)字圖像處理”課程是“信號(hào)與線性系統(tǒng)”、“數(shù)字信號(hào)處理”等理論基礎(chǔ)的典型應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展?！癉SP技術(shù)”課程則主要學(xué)習(xí)信號(hào)分析與處理的相關(guān)理論、方法在數(shù)字信號(hào)處理等應(yīng)用領(lǐng)域的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)。然而，這些后續(xù)課程的學(xué)習(xí)對(duì)于增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)、加深對(duì)“信號(hào)與線性系統(tǒng)”、“數(shù)字信號(hào)處理”等先修課程理論基礎(chǔ)的理解與掌握，也具有重要的促進(jìn)作用。因此，有效整合本系列課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，[3]加強(qiáng)理論與實(shí)踐之間的聯(lián)系，既能提高學(xué)生運(yùn)用相關(guān)理論知識(shí)分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力，也能促進(jìn)對(duì)課程內(nèi)容的理解與掌握，對(duì)于提高教學(xué)水平、培養(yǎng)應(yīng)用型人才具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)信號(hào)處理系列課程涉及知識(shí)面廣、理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)且學(xué)時(shí)少的特點(diǎn)，并且各門(mén)課程從內(nèi)容上具有一定的重疊性，對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃綜合并形成有機(jī)的整體，使其形成教學(xué)內(nèi)容相互貫通、相互融合的課程群；結(jié)合專業(yè)的特點(diǎn)與共性，尋找共同的知識(shí)平臺(tái)，建立層次化、模塊化的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在該體系下，理論教學(xué)注重基礎(chǔ)理論和方法的學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重基本技能和方法的培養(yǎng)，創(chuàng)新應(yīng)用教育注重創(chuàng)新意識(shí)和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。總之，通過(guò)不斷的探索與實(shí)踐，構(gòu)建了信號(hào)處理系列課程“理論內(nèi)容融合互補(bǔ)，實(shí)踐手段軟硬結(jié)合，技能訓(xùn)練循序漸進(jìn)，創(chuàng)新應(yīng)用思維不斷深化”的系列課程教學(xué)體系。

二、改革實(shí)踐教學(xué)手段，搭建實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

根據(jù)信號(hào)處理系列課程體系結(jié)構(gòu)以及課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性的特點(diǎn)，為培養(yǎng)和提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力和實(shí)踐操作技能，[4]課題組從改革實(shí)驗(yàn)的方式和內(nèi)容入手，在實(shí)驗(yàn)形式上采用軟硬件相結(jié)合的方法，注重基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)充綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，增設(shè)集中課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。實(shí)踐教學(xué)各層次之間具有內(nèi)在的邏輯關(guān)系，既相對(duì)獨(dú)立，又相互聯(lián)系，并具有連續(xù)性、遞進(jìn)性、交叉性等特點(diǎn)。每個(gè)層次具有不同的教學(xué)目的，包含不同的實(shí)踐內(nèi)容。在實(shí)踐教學(xué)中形成了合理的實(shí)踐教學(xué)體系，建立了實(shí)踐教學(xué)和理論課程緊密銜接，理論教學(xué)、工程應(yīng)用和研究能力相互補(bǔ)充，綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力逐步提高的信號(hào)處理實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

具體內(nèi)容包括以下四個(gè)方面：一是基本實(shí)驗(yàn)。用于教學(xué)中基本理論的驗(yàn)證，基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ挠?xùn)練。二是綜合實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)性試驗(yàn)。用于對(duì)教學(xué)中幾部分內(nèi)容銜接緊密且形成一定的知識(shí)鏈路的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合訓(xùn)練，提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的能力。三是軟件、硬件相互結(jié)合的實(shí)驗(yàn)。課程總體內(nèi)容偏理論、多數(shù)學(xué)，為了通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)加強(qiáng)對(duì)其理論的理解與掌握，并能有效應(yīng)用到工程實(shí)際，設(shè)置了軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)。四是集中課程設(shè)計(jì)。其目的是強(qiáng)化知識(shí)的綜合運(yùn)用、加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具軟件的實(shí)訓(xùn)、促進(jìn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，并且從單一課程內(nèi)容設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗾n程重要知識(shí)點(diǎn)的鏈接和融合。

三、加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)

優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，采用軟硬件相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，加強(qiáng)學(xué)生工程訓(xùn)練和設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)。將先進(jìn)的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和系統(tǒng)仿真工具融入實(shí)踐教學(xué)中，如信號(hào)與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)、DSP開(kāi)發(fā)平臺(tái)、MATLAB、LabVIEW等各種仿真軟件，提高學(xué)生在實(shí)際工作中的適應(yīng)能力。

在實(shí)踐教學(xué)中增加信號(hào)處理綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提升加強(qiáng)應(yīng)用能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的比重，引入融合系列課程內(nèi)容的課程設(shè)計(jì)。課程設(shè)計(jì)由最初針對(duì)單一課程，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿诤隙嚅T(mén)課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)的選題軟硬結(jié)合，內(nèi)容知識(shí)覆蓋面廣，組織形式打破班級(jí)界限，以選題為單位重新編組，有利于合作能力、協(xié)調(diào)能力的培養(yǎng)，有效提高了學(xué)生綜合理解、運(yùn)用知識(shí)的能力。

課程設(shè)計(jì)內(nèi)容分為自擬課題和參考課題兩種。學(xué)生自擬課題需要在課程設(shè)計(jì)開(kāi)始前兩周提交設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，經(jīng)由指導(dǎo)教師批準(zhǔn)，方可進(jìn)行。參考課題根據(jù)具體的教學(xué)條件，由課程組討論制定。以下課題可作為設(shè)計(jì)參考題目：模擬濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用；數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用；基于MATLAB軟件的調(diào)幅接收機(jī)原理設(shè)計(jì)與功能仿真實(shí)現(xiàn)；基于MATLAB軟件的調(diào)頻接收機(jī)原理設(shè)計(jì)與功能仿真實(shí)現(xiàn)；無(wú)失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；基于LABVIEW的語(yǔ)音信號(hào)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；基于LABVIEW的心電信號(hào)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；基于Multisim軟件的信號(hào)取樣與重構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真；基于Multisim軟件的掃頻信號(hào)源設(shè)計(jì)；基于EWB的高階模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；回波的產(chǎn)生與消除系統(tǒng)設(shè)計(jì)；基于單片機(jī)的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)與Protues軟件仿真；基于單片機(jī)的電子鐘設(shè)計(jì)與Protues軟件仿真；基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與Protues軟件仿真；城市噪聲信號(hào)頻譜分析儀設(shè)計(jì)；基于虛擬儀器技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；利用MATLAB實(shí)現(xiàn)信號(hào)的取樣與重構(gòu)仿真；基于MATLAB的語(yǔ)音信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

四、改進(jìn)信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)往屆學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的情況，結(jié)合教學(xué)需求，課題組成員設(shè)計(jì)了信號(hào)系統(tǒng)試驗(yàn)箱。信號(hào)與系統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該裝置采用硬件實(shí)驗(yàn)箱和計(jì)算機(jī)虛擬儀器/仿真平臺(tái)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，兩者之間通過(guò)信號(hào)采集和信號(hào)輸出模塊連接。硬件實(shí)驗(yàn)箱為可擴(kuò)展的拔插式結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)維護(hù)和后續(xù)的功能擴(kuò)充與更新。根據(jù)應(yīng)用方向，實(shí)驗(yàn)箱主要包括三大模塊：課程實(shí)驗(yàn)?zāi)K、課程設(shè)計(jì)模塊和創(chuàng)新訓(xùn)練模塊。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)箱設(shè)置了音頻輸入輸出接口，可以對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采集、分析和處理，并通過(guò)外接揚(yáng)聲器獲取直觀的聽(tīng)覺(jué)感受，這是對(duì)信號(hào)波形觀察視覺(jué)信息的一個(gè)有益補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)所需的信號(hào)源和測(cè)試儀器儀表均由基于PC機(jī)的虛擬儀器平臺(tái)提供。在PC平臺(tái)上，借助相關(guān)仿真平臺(tái)和軟件，還可對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行各種變換域的分析與處理，并將結(jié)果通過(guò)信號(hào)輸出模塊實(shí)時(shí)提供給硬件實(shí)驗(yàn)?zāi)K，從而解決硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本身難以實(shí)現(xiàn)變換域分析的問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)功能比較多。例如采用頻譜搬移模塊，基于上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以完成調(diào)制與解調(diào)的實(shí)驗(yàn)仿真，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、效果好，改善了以往單純借助軟件進(jìn)行虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)狀況。同時(shí)，同學(xué)們可以深入分析硬件電路的設(shè)計(jì)，采用軟件、硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方式，教學(xué)效果良好。

五、教學(xué)反饋總結(jié)

在教學(xué)中，依托實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，加強(qiáng)了學(xué)生的工程意識(shí)，拓展了學(xué)生的視野，提升了學(xué)生的理論水平。同時(shí)鼓勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生參加學(xué)術(shù)討論和研究，在提高應(yīng)用能力的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升理論知識(shí)水平。實(shí)踐教學(xué)證明，開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)改革和嘗試可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，對(duì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)大有益處。

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（責(zé)任編輯：孫晴）