電子信息類專業(yè)信號處理課程群建設與改革

徐望明，劉毅敏，李炳生（武漢科技大學信息科學與工程學院，武漢430081）

電子信息類專業(yè)信號處理課程群建設與改革

徐望明，劉毅敏，李炳生
（武漢科技大學信息科學與工程學院，武漢430081）

0　引言

電子信息類專業(yè)是培養(yǎng)具備信息的獲取、傳輸、處理、應用等方面專業(yè)知識和實踐能力，能夠從事信息科學與技術的研究、設計、集成及開發(fā)等方面工作的研究型及應用型人才的一類專業(yè)。隨著集成電路（IC，Integrated Circuit）技術和數(shù)字信號處理器（DSP，Digital Signal Processor）的飛速發(fā)展，信號處理技術已經(jīng)在電子、通信、自動控制、機械、醫(yī)學、生物等工程領域得到了廣泛、深入的應用，因此，學習信號處理的理論和方法、培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力已經(jīng)成為各大高校電子信息類專業(yè)本科生乃至研究生的迫切需要。

在教育部實行“質量工程”以來，課程建設作為高校教學建設的基本問題備受重視。對信號處理相關課程的建設，如《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《語音處理》、《數(shù)字圖像處理》、《DSP原理與應用》、《嵌入式系統(tǒng)及應用》等，過去各大高校往往只是關注培養(yǎng)計劃中某一門課程的建設，其努力目標是將其建設成為校級、省級甚至國家級優(yōu)質課程或精品課程，無疑這也取得了不錯的成績，為推動高校教學改革、提高教學質量起到了積極作用。但由于缺乏協(xié)調統(tǒng)一，使得專業(yè)培養(yǎng)計劃往往難以達到預期效果，而且課程重復建設、教學資源浪費的現(xiàn)象比較多見。

課程群建設是近年來高等院校課程建設實踐中出現(xiàn)的一項新的課程建設策略，其根本思想是把內容上聯(lián)系緊密、內在邏輯性強、屬同一個培養(yǎng)能力范疇的同一類課程作為一個“群組”進行建設，打破課程內容的歸屬性，從整體技能培養(yǎng)這個目標層次把握課程內容的分配、實施、保障和技能的實現(xiàn)?！缎盘柵c系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《語音處理》、《數(shù)字圖像處理》、《DSP原理與應用》、《嵌入式系統(tǒng)及應用》等課程，是電子信息類專業(yè)基礎課和專業(yè)課的主體和核心部分，它們均由“信號處理”這一核心所關聯(lián)，有的是關于基礎理論的課程，有的是關于具體應用的課程，有的是關于工程實現(xiàn)的課程。它們在教學內容上各有側重，但內在聯(lián)系卻非常緊密，有效地整合、優(yōu)化這些課程必將有助于形成培養(yǎng)電子信息類創(chuàng)新性應用型專業(yè)人才的強勁合力。目前，東南大學信息工程學院、桂林電子科技大學信息與通信學院、海軍工程大學電氣工程學院、中國礦業(yè)大學信電學院等在這方面做了一些有益的研究性工作，也取得了較好的改革效果［1～4］。本文針對我校該類課程在實際教學過程中存在的問題，采用基于課程群建設的教學理念，探討了信號處理課程群的內涵，并提出了相應的信號處理課程群建設改革措施，在實踐中取得了預期教學效果。

1　信號處理課程群的內涵

課程建設思路由單一型課程建設向綜合優(yōu)化型課程群建設轉化，充分發(fā)揮課程群結構整體功能，是適應當前時代背景下教育發(fā)展和變革的需要。關于課程群的內涵，主要體現(xiàn)在課程的“相關性”和“綜合性”兩個方面。課程群是由一些教學內容相互貫通、相互支撐，通過合理規(guī)劃、整合可形成有機整體的相關課程所組成；課程群建設不同于單門課程建設，需要對各門相關課程的教學內容進行全面整合和優(yōu)化，利用課程內容上的相關性進行相互支撐、滲透和強化，施行“大課程”建設。課程群建設實際上是對傳統(tǒng)課程知識體系的重組，是對傳統(tǒng)教學大綱和教學計劃的再次改革和優(yōu)化設計。

基于這一教學理念，可對電子信息類專業(yè)的信號處理相關課程進行整合、優(yōu)化，構建信號處理課程群。根據(jù)我校的教學實際，信號處理課程群主要包括《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《語音處理》、《數(shù)字圖像處理》、《DSP原理與應用》、《嵌入式系統(tǒng)及應用》6門課程，這些課程均是為了能使學生全面掌握信號處理的基礎理論、應用領域以及軟、硬件平臺的實現(xiàn)技術而設置的。如圖1所示，該課程群中各門課的聯(lián)系非常緊密，《信號與系統(tǒng)》和《數(shù)字信號處理》是信號處理具體應用和工程實現(xiàn)的理論基礎；《語音處理》、《數(shù)字圖像處理》是信號處理基礎理論的具體應用；《DSP原理與應用》、《嵌入式系統(tǒng)及應用》則突出信號處理基礎理論（算法）和具體應用實例的工程實現(xiàn)。

圖1　信號處理課程群的體系結構示意圖

2　信號處理課程群建設的主要措施

對于該課程群中的各門相關課程的教學，在傳統(tǒng)教學模式中，雖然也注意到各門課程之間的相互聯(lián)系，但授課時還往往是各自為政，造成課程教學內容之間的滲透和銜接不夠科學合理，學生也沒能把這種關聯(lián)性統(tǒng)一起來，常常處于將每門課進行單獨學習和掌握的狀態(tài)，因而無法將所學內容融會貫通，造成教學效果欠佳。

以我校目前的實際教學情況來看，這些課程在教學上主要存在的問題可以歸納為理論教學和實驗教學兩個方面：

（1）理論教學環(huán)節(jié)各門課程講授內容比較獨立，缺乏明確知識體系指導。課程間可能存在一些共同之處，當教學內容重復時，會造成有效學時緊張，一些最新技術和方面往往來不及講，而重復學習成熟的理論和方法無法激發(fā)學生學習興趣。各門課程的授課教師之間缺乏有效的交流和溝通，在教學模式上更偏向于理論，理論聯(lián)系實際不夠。如對于專業(yè)基礎課《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》以及專業(yè)課《語音處理》和《數(shù)字圖像處理》，這些課程理論性都比較強，授課教師在教學中往往突出數(shù)學分析，工程概念薄弱，使學生感到教學內容枯燥，像是在學習數(shù)學課，體現(xiàn)不出先修課程對后修課程的意義，也使學生對專業(yè)基礎課和專業(yè)課的關系認識不到位。

（2）實驗教學環(huán)節(jié)各門課程實驗項目相對單一，實驗學時安排不夠合理，基礎的驗證性實驗較多，而設計性、綜合性實驗較少，實驗內容的安排沒有考慮到相關課程的前后銜接，沒有用一個系統(tǒng)的觀念來設計整個課程群的實踐環(huán)節(jié)，因而學生的動手能力不能得以有效鍛煉，創(chuàng)造性不能得以有效發(fā)揮。其中，《語音處理》課程被設置為選修的純理論教學課程，沒有設置實驗教學內容，學生很難學以致用。

針對這些問題，采用基于課程群建設的教學理念，我校采取了積極有效的信號處理課程群建設改革措施，圍繞“信號處理”這個核心，結合信號處理的應用領域，大膽改革課程群內各門課程教學內容和教學手段，突出MATLAB軟件仿真和DSP、嵌入式系統(tǒng)硬件實現(xiàn)方法。

2.1整合優(yōu)化理論教學內容，建立全面的課程群教學體系

信號處理課程群中的各門課程在教學時間安排上前后連接，在內容方面承前啟后，相互關聯(lián)，逐步深入。其中，《信號與系統(tǒng)》是信號處理、分析的基礎，內容涉及連續(xù)時間信號、離散時間信號以及它們通過線性時不變系統(tǒng)的基本理論和分析方法，是《數(shù)字信號處理》課程重要的先修課程；《數(shù)字信號處理》則是在先修課《信號與系統(tǒng)》的基礎上重點學習離散傅里葉變換（DFT）、快速傅里葉變換（FFT）、數(shù)字濾波器（包括FIR 和IIR）設計等數(shù)字信號處理方法和技術，是《DSP原理與應用》的先修課程；《語音處理》主要學習處理日常生活中最常見的一類信號——語音信號的基礎知識、各種分析和處理方法、技術及其應用；《數(shù)字圖像處理》則將信號處理從一維信號處理推廣到二維信號處理，處理日常生活中最常見的另一類信號——圖像，涉及很多信息處理以及計算機視覺領域的熱門研究課題；《DSP原理與應用》和《嵌入式系統(tǒng)及應用》是實踐性很強的專業(yè)課程，可將《數(shù)字信號處理》的基本理論和算法在硬件平臺上加以編程實現(xiàn)，主要涉及DSP系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設計和應用系統(tǒng)的開發(fā)方法。

針對理論教學環(huán)節(jié)存在的問題，在課程群體系建設的基礎上實現(xiàn)這些課程教學內容的整合、優(yōu)化，利用各門相關課程內容上的交叉和銜接關系盡量壓縮其中重復設置的內容，從而適應當前的教學改革趨勢，適當減少課程教學學時數(shù)。例如，Z變換在《信號與系統(tǒng)》中已講，在《數(shù)字信號處理》課程中應在簡單回顧Z變換的基礎知識后加強DFT、FFT、FIR和IIR濾波器設計這幾個部分的內容。在后續(xù)的具體應用類課程和工程實現(xiàn)類課程中，對出現(xiàn)的信號處理基本理論也應只是簡單回顧而不要再次深入講解。同時，各門課程教學大綱應進行統(tǒng)一編寫，使課程群中各門課程所要講授的知識系統(tǒng)化，保持課程間的自然的邏輯順序，使其合理過渡和銜接，處理好理論與實踐的關系，以“重視基礎理論、突出具體應用、強化工程實現(xiàn)”為主線，建立一種縱向傳承、橫向互補的全面的課程群教學體系。

2.2整合優(yōu)化實驗教學內容，建立有效的課程群實驗教學模式

針對實驗教學環(huán)節(jié)存在問題優(yōu)化了實驗課程內容，重新修訂課程群中各門課程的實驗教學大綱。圍繞“信號處理”這一核心，突出基于MATLAB的軟件仿真和基于DSP、嵌入式系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)的兩條主線，并貫穿在整個實驗教學環(huán)節(jié)中。例如，《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《語音處理》、《數(shù)字圖像處理》等課程實驗均可在MATLAB軟件平臺仿真完成，而《DSP原理與應用》、《嵌入式系統(tǒng)及應用》課程實驗則分別在DSP實驗開發(fā)硬件平臺和ARM嵌入式系統(tǒng)實驗開發(fā)硬件平臺上完成。在此基礎上，不斷加強課程實驗之間的關聯(lián)性，實驗內容的安排也可考慮相關課程的前后銜接。例如，在高年級學生實驗教學過程中，可在硬件平臺上結合《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》課程的基礎理論，結合《語音處理》、《數(shù)字圖像處理》課程的特點，設置一些設計性和創(chuàng)新性實驗項目，或者完成課程設計和畢業(yè)設計相關課題等，彌補課堂純理論教學的不足，從而使學生的動手能力得到很好的鍛煉，創(chuàng)造性得到有效發(fā)揮。

另外，為有效解決實驗教學資源之不足、實現(xiàn)遠程實驗教學靈活性、推進實驗教學方式改革、提高實驗教學質量，研究、開發(fā)了相應的開放式網(wǎng)絡虛擬實驗室。該虛擬實驗室服務器端共享本地的虛擬實驗室模擬軟件平臺，接受客戶端發(fā)送的實驗請求，分析和處理實驗參數(shù)，經(jīng)過計算模擬最終將結果返回客戶端。整個系統(tǒng)不涉及具體的實驗儀器硬件設備，只是利用軟件模擬實驗的過程。

3　結語

電子信息類專業(yè)信號處理類課程內容聯(lián)系緊密，結合我校專業(yè)課程設置特點，針對先前在理論教學和實驗教學方面存在的實際問題，提出將《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《語音處理》和《數(shù)字圖像處理》、《DSP原理與應用》、《嵌入式系統(tǒng)及應用》等6門課構成信號處理課程群，進行整合、優(yōu)化建設，以“重視基礎理論、突出具體應用、強化工程實現(xiàn)”為主線，建立了全面的課程群教學體系，突出了基于MATLAB的軟件仿真和基于DSP、嵌入式系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)相結合的實驗教學模式，有利于電子信息類專業(yè)創(chuàng)新型及應用型高素質人才的培養(yǎng)。從理論教學到實驗教學，信號處理課程群建設內容非常豐富，包括教學內容、教學方法、教學手段等，是一個長期實踐與反饋的過程，不可能一蹴而就。鑒于各高校實際情況的差異，這一課題還有待進一步深入研究。

［1］歐陽華，楊忠林，李輝．信號與信息處理課程群教學改革研究［J］．中國電力教育，2013（19）：48～49

［2］歐陽繕，歐陽寧，劉慶華．信號處理課程群的建設與改革實踐［J］．大眾科技，2008（11）：185-186

［3］王艷芬，張劍英，張曉光，蔡利梅．信號處理課程群實驗教學體系的構建［J］．實驗室研究與探索，2013，32（4）：132～134

［4］鄧莉，孫山林，李歐迅．通信工程專業(yè)信號處理課程群教學改革研究［J］．教育與教學研究，2014，28（12）：67～70

Signal Processing；Course Group；Theory Teaching；Experimental Teaching

Construction and Reformation of Signal Processing Course Group for Electronic Information Majors

XU Wang-ming，LIU Yi-min，LI Bing-sheng
（College of Information Science and Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081）

1007-1423（2015）10-0026-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.10.007

徐望明（1979-），男，湖北武漢人，博士，高級工程師，研究方向為信號與信息處理

劉毅敏（1973-），女，湖北武漢人，碩士，副教授，研究方向為信號與信息處理

李炳生（1956-），男，湖北武漢人，高級工程師，主要從事實驗教學與管理工作

2015-03-03

2015-03-14

以電子信息類專業(yè)信號處理類課程的相關性和綜合性為基礎，針對我校該類課程在實際教學過程中存在的問題，采用基于課程群建設的教學理念，提出相應的信號處理課程群建設改革方案，主要包括理論教學內容的整合與優(yōu)化以及實驗教學的內容調整與模式創(chuàng)新，從而構建有效的信號處理課程群課程教學體系，有利于電子信息類專業(yè)創(chuàng)新型及應用型高素質人才的培養(yǎng)。

信號處理；課程群；理論教學；實驗教學

武漢科技大學教學研究項目（No.2009X071、No.2014Z034）、湖北省高校教學研究項目（No.2013233）

Based on the relationship and the integrality among the courses of signal processing for electronic information majors，and aims at several issues of these courses in practical teaching in our university，proposes a corresponding teaching reformation scheme on signal processing course group with the adoption of the teaching idea of course group construction，which mainly includes integrating and optimizing the theory teaching contents，adjusting the practice teaching contents and innovate in its mode.Then an effective teaching system on signal processing course group has been constructed which is beneficial to the cultivation of high quality talents with good practice ability and innovation ability for electronic information majors.