信息處理類課程實踐教學(xué)體系研究

崔文超， 孫水發(fā)， 龔國強

(三峽大學(xué) 計算機與信息學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

信息處理類課程實踐教學(xué)體系研究

崔文超， 孫水發(fā)， 龔國強

(三峽大學(xué) 計算機與信息學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

本文針對目前信息處理類課程實踐教學(xué)中存在的問題，提出了“三線一體”的思路來改善教學(xué)環(huán)節(jié)，即以 “課時線”來合理安排實踐項目課時；以 “維度線”來循序漸進(jìn)提升信號處理維度；以“難度線”由淺入深提高實踐動手能力。教學(xué)實踐表明，新的教學(xué)模式能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生的科技創(chuàng)新能力，有效地提高學(xué)生的就業(yè)競爭力。

教學(xué)改革；實踐教學(xué)；課程體系；信息處理

0 引言

按照教育部與中興通訊就在本科高校共同建設(shè)“ICT產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地”簽訂的戰(zhàn)略合作協(xié)議，自2015年至2020年期間，中興通訊將為合作高校的每個創(chuàng)新基地捐贈平均500萬元設(shè)備，并且派專家團(tuán)隊與合作高校聯(lián)合制定人才培養(yǎng)方案、聯(lián)合開發(fā)教材、共建實踐教學(xué)平臺、聯(lián)合教學(xué)、聯(lián)合開發(fā)教學(xué)資源庫、提供就業(yè)支持等，同時中興通訊將市場需求轉(zhuǎn)化而來的企業(yè)研發(fā)項目引入基地，為基地提供研發(fā)與服務(wù)需求， 提升合作院校參與ICT行業(yè)科研的能力，推動應(yīng)用科研反哺專業(yè)建設(shè)[1]。

我校作為通信類、電子信息類、計算機類專業(yè)基礎(chǔ)較好的地方本科院校，積極爭取到了這一難得的發(fā)展機遇。于2015年7月，我校計算機與信息學(xué)院、科技學(xué)院與中興通訊正式簽約共建“2015-2020年教育部-中興通訊ICT產(chǎn)教融合三峽大學(xué)創(chuàng)新基地”，目前基地各項建設(shè)正在緊鑼密鼓地開展[2]。

在此背景下，為適應(yīng)ICT創(chuàng)新基地的發(fā)展要求，我校就通信工程、電子信息工程以及電子信息科學(xué)與技術(shù)三個專業(yè)相關(guān)的信息處理類課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了有針對性的優(yōu)化調(diào)整和改革，以解決目前該類課程實踐教學(xué)中存在的問題：①某些課程理論講解過多，課上列舉工程實例較少，導(dǎo)致學(xué)生對理論知識學(xué)習(xí)興趣不足；②某些課程之間存在重疊的內(nèi)容，相應(yīng)的實踐教學(xué)部分應(yīng)統(tǒng)一安排，以免出現(xiàn)重復(fù)設(shè)置；③注意課程之間的銜接性，以體系教學(xué)的形式制定人才培養(yǎng)方案，讓學(xué)生循序漸進(jìn)、由易到難系統(tǒng)地推進(jìn)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)；④綜合性實踐教學(xué)部分設(shè)置不足，影響了綜合性實踐教學(xué)的開展。

針對上述問題，我校信息處理類課程課題組提出了“三線一體”的思路來改善教學(xué)環(huán)節(jié)，即以“課時線”來合理安排實踐項目學(xué)時，以“維度線”來循序漸進(jìn)加深實踐項目難度，以“難度線”由淺入深提高學(xué)生的實踐動手能力。以下就此思路作具體的介紹。

1 信息處理類課程實踐教學(xué)體系改革

我校信息處理類課程主要根據(jù)信息處理的各個環(huán)節(jié)而設(shè)置:如“信號與系統(tǒng)”課程針對信息的獲取；“信息論與編碼”和“通信原理”課程針對信息的傳輸與通信技術(shù)；“數(shù)字信號處理”和“隨機信號分析”針對信息采集與處理技術(shù)；而對于信號的理解和識別開設(shè)了“數(shù)字圖像處理”和“多媒體技術(shù)”等課程；對于信息處理的硬件實現(xiàn)開設(shè)了“DSP原理及應(yīng)用”和“嵌入式項目開發(fā)”等[3]。為促進(jìn)這類課程的理論知識掌握，相應(yīng)的實踐教學(xué)包括課程實驗、課程設(shè)計、項目綜合實驗以及畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)都是必不可少的，為更加合理有效地安排實踐教學(xué)內(nèi)容，課題組擬從以下三個方面來開展實踐教學(xué)體系改革。

1.1以不同課時合理安排實踐項目

根據(jù)實踐教學(xué)內(nèi)容所涵蓋的知識點多少可分為課程實驗和課程設(shè)計兩大項。

課程實驗主要針對具體的理論原理進(jìn)行驗證型觀察，或者對具體的某一信號處理方法進(jìn)行仿真分析，以加強該部分的理論或方法學(xué)習(xí)。比如通信原理實驗通常利用專用實驗箱產(chǎn)生各種調(diào)制解調(diào)信號并用示波器觀察，以幫助學(xué)生理解整個調(diào)制解調(diào)過程信號的變化情況[4]；而數(shù)字信號處理實驗通常包含的FFT頻譜分析，能讓學(xué)生加深該方法在工程應(yīng)用中的實現(xiàn)[5]。這類課程實驗通常不超過16課時，如表1所示。

課程設(shè)計相比課程實驗，需要學(xué)生綜合利用所學(xué)的一門或多門課程，系統(tǒng)地完成一個工程項目實例，這類實踐項目需要集中一周時間來完成。比如，表1中的課程設(shè)計“Matlab與信號處理系統(tǒng)設(shè)計”，筆者曾給學(xué)生安排如下的選題：采集一段真實的語音信號，人為加入兩種單頻噪聲，觀察語音信號在時域和頻域的變化；并設(shè)計合適的數(shù)字濾波器處理加噪語音信號，還原清晰的語音信號，該實踐項目的模塊框圖如圖1所示。由于在前期的數(shù)字信號處理實驗中已經(jīng)分別進(jìn)行了關(guān)于信號頻譜分析、濾波器設(shè)計等方面的實驗，該課程設(shè)計旨在以語音信號處理作為切入點，讓學(xué)生從方案制定、可行性分析、仿真實現(xiàn)等方面完成多阻帶濾波器的工程應(yīng)用實例分析，能有效加強學(xué)生運用理論知識解決實際問題的能力。

另外還有一類實踐項目為畢業(yè)設(shè)計。畢業(yè)設(shè)計是教學(xué)過程的最后階段采用的一種總結(jié)性的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。要求學(xué)生花費3個月左右時間，針對某一課題，綜合運用本專業(yè)有關(guān)課程的理論和技術(shù)，做出解決實際問題的設(shè)計。通過畢業(yè)設(shè)計，學(xué)生對某一課題作專門深入系統(tǒng)的研究，鞏固、擴大、加深已有知識，培養(yǎng)綜合運用已有知識獨立解決問題的能力。表1也列出了部分課題組近兩年獲得的校優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計題目。

表1 信息處理類實踐教學(xué)項目分類

圖1 語音信號處理模塊框圖

1.2以信號維度逐漸加深實踐項目

依據(jù)信號處理類實踐項目所處理的信號可分為一維簡單信號、二維圖像信號和三維視頻信號。隨著信號維度上升，處理數(shù)據(jù)量加大，相應(yīng)的信號處理算法也變得復(fù)雜。再有，信息處理類工程應(yīng)用中大多處理的信號為圖像或視頻信號，因此課題組考慮按信號維度循序漸進(jìn)加深實踐項目。如圖2所示給出了典型的3類以信號維度設(shè)置的實踐教學(xué)項目。其中課程實驗中包含的數(shù)字信號處理實驗、數(shù)字圖像處理實驗和數(shù)字視頻處理實驗分別針對3種維度信號進(jìn)行基本的處理算法仿真，讓學(xué)生直觀感受待處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同。比如，對去噪算法，學(xué)生通過循序漸進(jìn)解決信號去噪、圖像去噪和視頻去噪，能較好地發(fā)現(xiàn)其中的異同，找出不同維度信號處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這在一定程度上也能促進(jìn)其它一維信號基本處理算法的二維或三維擴展，提高學(xué)生舉一反三、觸類旁通的能力[5～7]。圖2(b)(c)是分別針對DSP技術(shù)和FPGA開發(fā)設(shè)置的不同維度的實踐項目。兩者的一維信號處理項目都來自于課程實驗(表1所示)，相應(yīng)的二維和三維實踐項目來源于課程設(shè)計環(huán)節(jié)(表1所示)，列出的課程設(shè)計題目能清楚看到處理的信號分別為圖像和視頻信號。學(xué)生通過一維項目的強化訓(xùn)練和二、三維項目的實踐拓展，能有效促進(jìn)學(xué)生解決信息處理類工程應(yīng)用中出現(xiàn)的實際問題。

1.3以考查難度逐步提升實踐項目

依據(jù)實踐項目所要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)，課題組按“原理驗證-仿真設(shè)計-硬件實現(xiàn)”這條“難度線”來逐步提高學(xué)生的實踐動手能力。表2列出了以此分類的實踐項目的考查要求。

原理驗證型實踐項目只需要完成某一理論或方法的觀察性結(jié)果演示，因此能正確說明過程中涉及的理論知識點即可。比如，“通信原理”中的2PSK調(diào)制解調(diào)實驗，能正確繪出并解釋調(diào)制解調(diào)原理框圖，能用示波器清晰觀察到調(diào)制和解調(diào)信號并正確畫出各輸出結(jié)點波形即可[4]。

仿真設(shè)計型項目則需要完全理解信號處理算法原理，然后利用某種計算機語言完成算法仿真，能正確調(diào)試算法相關(guān)參數(shù)，得到理論算法結(jié)果。比如數(shù)字圖像的中值濾波去噪方法，若考慮利用Matlab語言實現(xiàn)，較簡單的實現(xiàn)方法是利用函數(shù)medfilt2( )實現(xiàn)，該函數(shù)已經(jīng)封裝好圖像中值濾波算法，因此采用該函數(shù)來實現(xiàn)只能算作原理驗證型。真正的仿真設(shè)計型項目應(yīng)該利用編程語句完成算法設(shè)計，這樣既可以促進(jìn)理論算法的理解，又能從中發(fā)現(xiàn)經(jīng)典算法的不足，從而為進(jìn)一步的改進(jìn)算法做探索性的嘗試，如文獻(xiàn)[8]所述。因此表2列出的仿真設(shè)計型項目考查要求明顯高于原理驗證型項目。

(a)課程實驗 (b) DSP技術(shù)

(c) FPGA開發(fā)

對硬件實現(xiàn)類實踐項目，因為已經(jīng)接近工程應(yīng)用中的產(chǎn)品化終端，需要學(xué)生同時掌握好硬件開發(fā)和軟件開發(fā)的技能，所以其考查要求最高，要求的動手能力最強。比如上述的圖像中值濾波，考慮利用FPGA設(shè)計實現(xiàn)，則要完成表2列出的相應(yīng)考查要求[9]。

2 實踐教學(xué)體系改革階段性成效

課題組按照“三線一體”改革思路，對信息處理類實踐項目進(jìn)行了一年多時間的調(diào)整和優(yōu)化，取得了一定的階段性成效：①學(xué)生的理論學(xué)習(xí)興趣有所提高，課程不及格率有所下降；②學(xué)生的科技創(chuàng)新動力得到激發(fā)，報名參加校級和全國性的電子設(shè)計大賽的人數(shù)增加，也取得了較好的成績。如2016年有5組學(xué)生分別獲得湖北省大學(xué)生電子設(shè)計“TI杯”湖北賽區(qū)二、三等獎；③考研過線學(xué)生在專業(yè)技能面試中通過率較往年有較大的提高，學(xué)生的實際動手能力得到考研學(xué)校的認(rèn)可；④最重要的就是學(xué)生畢業(yè)后就業(yè)率的提高，如表3所示列出了改革前后3個信息處理類相關(guān)專業(yè)的就業(yè)率情況，可以看到，改革前的2015年，3個專業(yè)的平均就業(yè)率為96.35%，低于所在學(xué)院的平均就業(yè)率96.42%，而改革后的2016年，全國的大中專畢業(yè)生達(dá)756萬之眾，比2015年多出16萬，就業(yè)的形式更嚴(yán)峻，但3個專業(yè)的就業(yè)率都高于學(xué)院平均就業(yè)率， 且平均就業(yè)率也高于2015年。這充分說明實踐教學(xué)體系改革后學(xué)生的就業(yè)競爭力增強。

表2 信息處理類實踐項目考查要求

表3 實踐教學(xué)體系改革前后的就業(yè)率對比

3 結(jié)語

本文介紹的信息處理類課程目前階段進(jìn)行的改革主要基于自身的實踐教學(xué)項目體系進(jìn)行的，“三線一體”的改革思路主要對現(xiàn)有的實踐項目進(jìn)行優(yōu)化整合，注重循序漸進(jìn)、由淺入深，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的科技創(chuàng)新熱情，一定程度上提高了學(xué)生的實際動手能力，增強了學(xué)生在就業(yè)市場的競爭力。

隨著后期中興通訊ICT三峽大學(xué)創(chuàng)新基地的建設(shè)完成，課題組將著手與中興工程師聯(lián)合制定人才培養(yǎng)方案、聯(lián)合開發(fā)教材、共建實踐教學(xué)平臺、聯(lián)合教學(xué)、聯(lián)合開發(fā)教學(xué)資源庫等。在這種校企合作的雙贏模式下，我校的信息處理類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量必將獲得更大的提高。

[1] 凡塔. 教育部-中興通訊共建本科“ICT產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地”[EB/OL].:搜狐教育, 2014-12-08: [online] http://learning.sohu.com/20141208/n406761406.shtml.

[2] 翟瑾. 三峽大學(xué)與中興通訊簽約共建教育部ICT產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地[EB/OL].:中國高校之窗, 2015-7-22: [online] http://www.gx211.com/news/2015722/n1598284104.html.

[3] 孫祥娥, 劉益成, 李永全等. 關(guān)于電子與信息工程專業(yè)信號與信息處理類課程體系設(shè)置的研究[J]. 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2004, 26(6): 27-29.

[4] 王福昌, 潘曉明. 通信原理實驗[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2007年5月.

[5] 張建平. 數(shù)字信號處理實驗教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2010年1月.

[6] 楊杰. 數(shù)字圖像處理及Matlab實現(xiàn)：學(xué)習(xí)與實驗指導(dǎo)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2010年7月.

[7] 唐權(quán)華, 雷金娥, 周艷等. 一種時空聯(lián)合的視頻去噪方法[J]. 北京：計算機工程與應(yīng)用, 2010,46(6): 163-165.

[8] 趙高長, 張磊, 武風(fēng)波. 改進(jìn)的中值濾波算法在圖像去噪中的應(yīng)用[J]. 西安：應(yīng)用光學(xué), 2011, 32(4): 678-682.

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ResearchonthePracticalTeachingSystemofInformationProcessingCourses

CUIWen-chao,SUNShui-fa,GONGGuo-qiang

(CollegeofComputerandInformationTechnology,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

To handle the problems existed in the practical teaching for information processing courses, an idea called “Three Lines, A System” is presented to improve the teaching processes. Specifically, the first “period” line is set up to arrange the reasonable periods for different practical projects; the second “dimension” line is built to gradually increase the signal dimension of the practical projects; the third “difficulty” line is constructed to step by step promote the problem-solving ability. The teaching practices show that this new teaching mode can not only motivate the learning interest, but also enhance the scientific innovation ability, resulting in effectively improving the employment competitiveness.

teaching reform; practical teaching; course system; information processing

2016-10-23;

2017-04-29

三峽大學(xué)高等教育研究項目“適應(yīng)ICT發(fā)展要求的信息處理類課程實踐教學(xué)體系研究”(編號：1546)

崔文超 (1979-)，男，博士，副教授，主要從事信號與圖像處理的教學(xué)和研究，E-mail: wenchao-cui@163.com

G642

A

1008-0686(2017)05-0134-04