基于CDIO模式的研究生信號(hào)處理課程群的教學(xué)改革與實(shí)踐

索麗敏+富爽+邸國(guó)輝

摘要：隨著信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，信號(hào)處理技術(shù)已成為我國(guó)實(shí)施以信息化帶動(dòng)工業(yè)化戰(zhàn)略的橋梁，成為21世紀(jì)信息化時(shí)代打開電子信息科學(xué)的一把鑰匙，其地位和作用越來越突出。但由于信號(hào)處理類課程內(nèi)容理論性、邏輯性強(qiáng)，包含較多數(shù)學(xué)方面的知識(shí)，其概念理論較為抽象，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中不容易產(chǎn)生感官認(rèn)識(shí)，無法與工程實(shí)踐緊密相關(guān)。本研究從CDIO教育理念的視角對(duì)研究生信號(hào)處理課程群教學(xué)進(jìn)行改革，從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，使學(xué)生對(duì)信號(hào)處理理論的基本原理更加熟練地掌握，可以充分地在科學(xué)研究和工程實(shí)踐中應(yīng)用，培養(yǎng)實(shí)踐能力較強(qiáng)的高素質(zhì)研究生。

關(guān)鍵詞：信號(hào)處理技術(shù)；工程實(shí)踐；CDIO；研究生

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）16-0140-02

一、引言

隨著信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，信號(hào)處理技術(shù)已成為我國(guó)實(shí)施以信息化帶動(dòng)工業(yè)化戰(zhàn)略的重要橋梁。信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)成為眾多本科專業(yè)必修的一門課程，但信號(hào)處理類課程內(nèi)容理論性、邏輯性強(qiáng)，包含較多數(shù)學(xué)方面的知識(shí)，其概念理論較為抽象，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中不容易產(chǎn)生感官認(rèn)識(shí)，無法與工程實(shí)踐相聯(lián)系，而且目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于信號(hào)處理課程群的教學(xué)改革一般都集中在對(duì)本科教學(xué)的研究中，對(duì)于研究生信號(hào)處理課程群的教學(xué)研究較少。因此，對(duì)于研究生來說，從科學(xué)研究和工程實(shí)踐的角度理解掌握信號(hào)處理的基本原理，并在科學(xué)研究和工程實(shí)踐得以應(yīng)用顯得尤為重要。如何使學(xué)生更好地從工程的角度掌握信號(hào)處理的基本理論，并將其廣泛應(yīng)用于相關(guān)學(xué)科的科學(xué)研究和工程實(shí)踐，具有較大的研究?jī)r(jià)值。圍繞CDIO工程教育理念，修訂研究生信號(hào)處理課程群的教學(xué)和人才培養(yǎng)方案，有效落實(shí)教學(xué)和實(shí)踐計(jì)劃，有利于保障培養(yǎng)質(zhì)量，也有利于促進(jìn)人才培養(yǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及我國(guó)學(xué)位與研究生教育的健康發(fā)展。如何借鑒CDIO優(yōu)秀的工程教育模式，充分發(fā)揮其在研究生培養(yǎng)中的重大作用，對(duì)我國(guó)的研究生教育具有重要意義。

二、CDIO模式與國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

CDIO工程教育模式是近年來國(guó)際工程教育改革的新成果。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO的理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育改革的理念，更重要的是系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)測(cè)評(píng)的12條標(biāo)準(zhǔn)。CDIO實(shí)質(zhì)是“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”的集中概括和抽象表達(dá)，強(qiáng)調(diào)在課程教學(xué)和人才培養(yǎng)過程中利用專業(yè)知識(shí)解決工程問題的能力。CDIO已在國(guó)內(nèi)外工程領(lǐng)域人才培養(yǎng)中取得成功，為碩士生的教學(xué)和培養(yǎng)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

CDIO工程教育模式一經(jīng)提出，迅速發(fā)展。迄今為止，國(guó)外已有幾十所世界著名大學(xué)加入了CDIO組織，按CDIO模式培養(yǎng)的學(xué)生深受社會(huì)與企業(yè)歡迎。2011年12月“全國(guó)CDIO工程教育改革會(huì)議暨教育部CDIO高級(jí)研修班”在南京舉行。國(guó)內(nèi)已有39所高校成為機(jī)械類、電氣類教育部CDIO工程教育模式研究與實(shí)踐課題組試點(diǎn)工作組高校成員。目前，CDIO工程教育模式的研究和應(yīng)用主要集中在本科教育階段，在研究生的培養(yǎng)階段應(yīng)用CDIO模式的研究較少。

三、研究生信號(hào)處理課程的教學(xué)存在的問題

目前研究生信號(hào)處理課程的教學(xué)存在以下問題和不足：其一，信號(hào)處理類課程內(nèi)容理論性、邏輯性強(qiáng)，包含較多數(shù)學(xué)方面的知識(shí)，其概念理論較為抽象，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中不容易產(chǎn)生感官認(rèn)識(shí)，無法透徹學(xué)習(xí)、靈活應(yīng)用；其二，信號(hào)類課程的內(nèi)容整合銜接的不好，沒有形成一個(gè)有機(jī)的整體。具體來說“信號(hào)與系統(tǒng)”主要注重連續(xù)時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的分析，但其中穿插了離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的分析，比如Z變換這部分內(nèi)容，在“信號(hào)與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號(hào)處理”兩門課里都給予了介紹，內(nèi)容重疊，占用了有限的教學(xué)學(xué)時(shí)；其三，突出數(shù)學(xué)分析，工程概念薄弱，理論聯(lián)系實(shí)際不足，原理、方法與應(yīng)用脫節(jié)；其四，仿真和實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)薄弱；其五，對(duì)于非主干專業(yè)的研究生來說，往往沒有較多的信號(hào)處理理論相關(guān)基礎(chǔ)和專業(yè)背景，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)也參差不齊，在這些非主干專業(yè)研究生的教學(xué)過程中，對(duì)理論的實(shí)用性和學(xué)科間的交叉重視不足。

四、基于CDIO理念的信號(hào)處理課程教學(xué)改革與實(shí)踐

鑒于上述狀況，傳統(tǒng)的信號(hào)處理課程教學(xué)模式不能全面培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能、工程能力與創(chuàng)新能力，必須加以改革，制訂科學(xué)的教學(xué)方案。

1.引入MATLAB軟件，全面改善教學(xué)方法。MATLAB是一種功能強(qiáng)大、使用較為簡(jiǎn)單的工具軟件，應(yīng)用MATLAB可以很容易地進(jìn)行信號(hào)和系統(tǒng)的傅立葉分析、卷積運(yùn)算、濾波器設(shè)計(jì)、信號(hào)濾波、圖像處理等工作，在授課過程中可以實(shí)時(shí)地演示信號(hào)處理的結(jié)果，使抽象的概念和數(shù)學(xué)公式變得直觀、形象，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握，同時(shí)啟發(fā)學(xué)生思考。對(duì)于研究生來說，其直接算法的仿真實(shí)現(xiàn)也有助于對(duì)理論本身的深入研究，并將其迅速運(yùn)用到工程實(shí)踐中。

2.基于CDIO工程教育模式，增加工程模擬類實(shí)踐環(huán)節(jié)。對(duì)于信號(hào)處理課程群，結(jié)合研究生研究方向及院?？蒲许?xiàng)目情況，增加工程模擬類實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生以工程項(xiàng)目為導(dǎo)向，以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的周期為載體，讓學(xué)生主動(dòng)并有成效地進(jìn)行實(shí)踐環(huán)節(jié)。

3.引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，啟發(fā)思考。以學(xué)生為主體的互動(dòng)式教學(xué)是提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和教學(xué)效果的有效方法之一，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和思考的習(xí)慣和能力是素質(zhì)教育活的靈魂，對(duì)于研究生的教育更是如此。例如教師在講授微分濾波器時(shí)，可以讓學(xué)生思考一幅風(fēng)景圖像經(jīng)過該濾波器輸出會(huì)是怎樣的，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且讓學(xué)生用仿真軟件制作濾波器并觀察輸出結(jié)果。讓學(xué)生在這個(gè)過程中互相討論并解決問題，從而拓展思維。

4.做好不同課程間的銜接和交叉，構(gòu)建課程體系。在信號(hào)處理課程群中，很多理論相互重疊、交叉，又都有不同的側(cè)重點(diǎn)。如在“數(shù)字信號(hào)處理”的教學(xué)內(nèi)容中，離散信號(hào)與離散系統(tǒng)、Z變換等內(nèi)容在“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中已經(jīng)作了一定的分析。在教學(xué)過程中，對(duì)于重疊的內(nèi)容應(yīng)盡可能減少學(xué)時(shí)，以內(nèi)容回顧和補(bǔ)充的形式來安排這部分內(nèi)容，避免簡(jiǎn)單重復(fù)。endprint

對(duì)于不同的課程之間，應(yīng)建立起連接，構(gòu)建課程體系。比如：在“信號(hào)與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號(hào)處理”的教學(xué)中，其連續(xù)部分和離散部分的相應(yīng)變換和系統(tǒng)特性，雖然表達(dá)形式不同，但其本質(zhì)卻是相同的，構(gòu)建兩門課程之間的聯(lián)系，對(duì)照學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生充分了解信號(hào)與系統(tǒng)理論的本質(zhì)和精髓，以更從容靈活地將其應(yīng)用在工程實(shí)踐中。

5.充分利用多媒體教學(xué)手段。信號(hào)處理類課程教學(xué)內(nèi)容中大量的數(shù)學(xué)公式及推導(dǎo)，非常容易導(dǎo)致學(xué)生的恐懼和厭學(xué)心理，尤其是對(duì)背景知識(shí)較少、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求相對(duì)較低的其他學(xué)科的研究生來說。由于在研究生的課程教學(xué)中，更注重讓學(xué)生掌握分析問題的方法、思路，啟發(fā)思考，探索工程應(yīng)用和理論創(chuàng)新，因此，在進(jìn)行這些部分的授課時(shí)，應(yīng)先強(qiáng)調(diào)其物理概念，盡量使用畫圖、多媒體演示等方式形象地讓學(xué)生對(duì)公式和理論有感官認(rèn)識(shí)，再講解數(shù)學(xué)公式及推導(dǎo)部分，使學(xué)生能夠準(zhǔn)確深入地掌握信號(hào)處理的基本原理，掌握精髓，而不是面對(duì)一堆零散、復(fù)雜和抽象的公式。

6.改革考試形式。傳統(tǒng)的考試形式很難評(píng)定學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力以及將所學(xué)理論應(yīng)用于科學(xué)研究和工程實(shí)踐的能力，不符合研究生教育的培養(yǎng)目標(biāo)。所以要對(duì)考試形式進(jìn)行改革，例如題簽式考試，每個(gè)學(xué)生的題目不同，而且要考查學(xué)生的實(shí)踐能力。

五、結(jié)語

十余年中，信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)、地球物理等領(lǐng)域，而且已經(jīng)擴(kuò)展到電氣工程、機(jī)械工程、化學(xué)材料和航空航天等領(lǐng)域，甚至滲透到經(jīng)濟(jì)管理和交通工程等領(lǐng)域，對(duì)整個(gè)社會(huì)產(chǎn)生著重要影響。培養(yǎng)該方向具有高素質(zhì)的研究生顯得尤為重要?；贑DIO模式的項(xiàng)目教學(xué)在信號(hào)處理課程中的應(yīng)用，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、信息分析能力、創(chuàng)新能力、表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。而且在實(shí)踐過程中進(jìn)一步提高研究生的水平和實(shí)際應(yīng)用能力，使研究生具備完成一個(gè)項(xiàng)目所涉及的專業(yè)理論和專業(yè)技能。我們相信通過CDIO高等工程教育模式的改革，將會(huì)大大增強(qiáng)研究生的綜合能力，提高了研究生的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

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