信號處理類課程教學(xué)實驗改革之探討與實踐

陳姿羽　喻德曠　楊豐　黃靖

摘 要 文章針對生物醫(yī)學(xué)工程本科信號處理類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)難、學(xué)生興趣難以提升等問題，提出了相關(guān)的教學(xué)與實驗改革。首先，在理論課的教學(xué)安排上解決了“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”專業(yè)基礎(chǔ)課授課重復(fù)、學(xué)習(xí)枯燥、師生交流少等問題。其次，將實驗部分分三個學(xué)期進行，從最基礎(chǔ)的信號與系統(tǒng)實驗到最終的與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)相關(guān)的心音信號采集與處理綜合實踐，讓學(xué)生由淺入深并能學(xué)以致用，解決實際問題，充分發(fā)揮創(chuàng)造性。

關(guān)鍵詞 信號處理 教學(xué)改革 實驗改革

中圖分類號：G424 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.08.053

Discussion and Practice of Teaching Experiment Reform of

Signal Processing Course

CHEN Ziyu， YU Dekuang， YANG Feng， HUANG Jing

（Department of Electronic Technology， School of Biomedical Engineering， Southern Medical University， Guangzhou， Guangdong 510515）

Abstract In view of the difficulties in teaching signal processing related courses and raising interests for undergraduates of Biomedical Engineering， we proposed the relevant teaching and experimental reforms. First of all， in the arrangement of theoretical courses we solved the problems such as the repetition in courses of “Signal and System” and “Digital Signal Processing”， boring learning and less communication between teacher and students. Secondly， the experimental class was divided into three semesters. From the basic experiments of signal and system to the final comprehensive practice of the heart sound signal acquisition and processing， let students learning from the shallower to the deeper. To enable students to solve practical problems and give full play to creativity.

Keywords signal processing， educational reform， Experiment course reform

信號處理類課程是電子工程專業(yè)本科生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。為了使該類課程更適用于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的教學(xué)，我們在理論和實驗教學(xué)上進行了相應(yīng)的改革。

“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”是信號處理類課程里最重要的兩門專業(yè)基礎(chǔ)課。這兩門課程以“高等數(shù)學(xué)”、“線性代數(shù)”、“電路分析”等課程為基礎(chǔ)，同時也是后續(xù)信號類專業(yè)課的基礎(chǔ)，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用。現(xiàn)階段這兩門課程存在授課內(nèi)容重復(fù)，實驗內(nèi)容銜接不合理，并缺乏綜合性應(yīng)用實驗等問題。理論課方面，該兩門課程涉及到很多數(shù)學(xué)概念、物理概念及工程概念，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對于大量公式和理論推導(dǎo)感到吃力，很難從整體上把握住課程的實際意義和作用，也很難產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，因為難學(xué)而缺乏學(xué)習(xí)主動性。實驗課方面，原來的實驗內(nèi)容是嚴格對應(yīng)理論課而設(shè)計的上機操作，安排在對應(yīng)的理論課課程最后部分。雖然通過上機操作加強了學(xué)生對之前學(xué)過的理論知識的理解，但是由于沒有連貫性故無法更深入地學(xué)習(xí)，也難以學(xué)以致用解決實際問題。

針對信號處理類課程理論和實驗教學(xué)上面臨的問題，我們設(shè)計了一整套適合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的教學(xué)方法。后面將分別從理論教學(xué)和實驗教學(xué)兩個方面分別闡述具體教改過程。

1理論課教學(xué)改革

理論教學(xué)改革主要是針對“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”這兩門專業(yè)基礎(chǔ)課，改變傳統(tǒng)的公式推導(dǎo)、理論灌輸和大量課后習(xí)題為主導(dǎo)的教學(xué)方式。改革的目標(biāo)是為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，使學(xué)生學(xué)習(xí)完這兩門課程后能在宏觀上理解這兩門課程的實際意義，并牢固地掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識從而為后續(xù)課程和后續(xù)研究打下堅實的基礎(chǔ)。[1，2]

教學(xué)方法的改進主要有以下幾點：

（1）理論聯(lián)系實際從生物醫(yī)學(xué)工程方面收集應(yīng)用實例，結(jié)合課程相關(guān)理論知識在課堂上進行介紹，使學(xué)生由形入實地掌握知識以加深記憶。對于概念比較抽象的內(nèi)容通過制作小動畫清楚地演示其原理與計算過程，讓學(xué)生理解得更透徹。

（2）教學(xué)內(nèi)容上將“信號與系統(tǒng)”課程中與“數(shù)字信號處理”重復(fù)的內(nèi)容進行了調(diào)整?！靶盘柵c系統(tǒng)”課時數(shù)由原來的72學(xué)時改為64學(xué)時，將離散信號的頻域分析、離散時間系統(tǒng)的頻域分析等移到“數(shù)字信號處理”課程中講授?！皵?shù)字信號處理”由原來的64學(xué)時改為48學(xué)時。統(tǒng)一將原本接在該兩門理論課后的實驗課內(nèi)容調(diào)整到后面的學(xué)期統(tǒng)一進行。

（3）課后作業(yè)不僅僅是單調(diào)的作業(yè)題，我們還提供了一些輔助性的課外閱讀，尤其是與生物醫(yī)學(xué)工程相關(guān)的醫(yī)學(xué)信號方面的文章。讓學(xué)生對專業(yè)課程有宏觀上的了解，提高學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)習(xí)的主動性。

為了創(chuàng)造更好的學(xué)習(xí)氛圍，我們開設(shè)了一個網(wǎng)站服務(wù)器，[3]作為師生學(xué)習(xí)和交流的平臺。其功能首先是包含了布置作業(yè)和提交作業(yè)的系統(tǒng)，改善了之前批改作業(yè)需要收大量作業(yè)本的問題，提高了效率的同時也節(jié)省了空間。第二，該平臺還包含平時上課簽到系統(tǒng)，可以用手機連接服務(wù)器現(xiàn)場點名并直接記錄在系統(tǒng)中，方便教師統(tǒng)計到課率。第三，可以存儲課程相關(guān)的一些課外讀物以便學(xué)生自行登錄下載學(xué)習(xí)。

2實驗部分教學(xué)改革

實驗教學(xué)環(huán)節(jié)較之前改動比較大，主要分三個階段進行，由淺入深，讓學(xué)生從掌握理論知識逐步過渡到形成可以獨立解決實際問題的能力。

第一個學(xué)期的實驗內(nèi)容主要是將“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”課程的理論問題結(jié)合計算機應(yīng)用軟件matlab進行驗證學(xué)習(xí)。之前是將兩門課的實驗部分分別安排在相應(yīng)的課程結(jié)尾，現(xiàn)調(diào)整在一起作為“信號采集綜合實驗一”課程，總共64學(xué)時。我們自編了實驗教材，從信號的創(chuàng)建到系統(tǒng)的分析，讓學(xué)生學(xué)會使用matlab解決原本理論課教材中手算推導(dǎo)和分析的內(nèi)容。將兩門課的實驗內(nèi)容綜合在一起，還能讓學(xué)生充分體會連續(xù)信號和數(shù)字信號在使用計算機處理過程中的聯(lián)系與區(qū)別。[4，5，6]

第二個學(xué)期的實驗內(nèi)容主要是讓學(xué)生應(yīng)用學(xué)習(xí)到的理論知識結(jié)合matlab軟件中的simulink進行信號類相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，課程為“信號采集綜合實驗二”。要求每個學(xué)生選擇一個信號處理類小題目在老師的指導(dǎo)下使用simulink完成實驗，并上交最后的實驗報告。如WCDMA擴頻通信系統(tǒng)的仿真、調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)的建模與仿真、直流降壓斬波電路設(shè)計等等。學(xué)生通過親自仿真本來已經(jīng)比較成熟的信號處理類應(yīng)用，為今后的學(xué)習(xí)和實踐打下堅實的基礎(chǔ)。

第三個學(xué)期通過對心音信號的一系列分析實驗，使學(xué)生能夠應(yīng)用所學(xué)的相關(guān)知識解決稍復(fù)雜的實際問題，提高學(xué)生的動手和思考能力。[7]實驗的主要內(nèi)容分硬件和軟件兩個方向。硬件方向主要是實現(xiàn)心音傳感器的設(shè)計，采集人體心音信號，生成音頻文件并顯示出心音信號波形等信息。軟件方向是對采集到的心音信號進行去噪、特征參數(shù)提取等的處理進而實現(xiàn)心臟疾病的診斷。通過分組的方式讓學(xué)生們自由組隊，每組3人分工合作完成。每周進行一次進度匯報，各組在匯報的同時互相交流知識，老師現(xiàn)場指導(dǎo)并提出問題。期末以答辯的形式由各組演示匯報設(shè)計成果。這種設(shè)計性綜合實驗增加了學(xué)生自主研究的能力并強調(diào)團隊合作精神。實現(xiàn)目標(biāo)功能的方法有很多種，學(xué)生通過自行查找相關(guān)文獻資料，動手編寫程序和制作硬件等，增強了實踐動手能力，也充分發(fā)揮了自己的創(chuàng)造性。

3總結(jié)

經(jīng)過以上教學(xué)和實驗改革的實踐，這兩學(xué)年還是取得了比較滿意的效果。不僅讓學(xué)生對較為枯燥的理論知識產(chǎn)生了更多的興趣，并加深了理解，同時也讓學(xué)生的實際動手能力和創(chuàng)造力都有了提高，為將來的學(xué)習(xí)和就業(yè)打下了堅實的基礎(chǔ)。

整套課程的安排與設(shè)計還會隨著實踐中發(fā)現(xiàn)的問題而不斷改進。如課程服務(wù)器網(wǎng)站設(shè)計如何能讓學(xué)生按時提交作業(yè)的問題還需要改進，因為經(jīng)常有學(xué)生到下一章節(jié)結(jié)束才提交前幾章節(jié)的作業(yè)，沒有按進度學(xué)習(xí)勢必影響學(xué)習(xí)效果。所以，需要在系統(tǒng)中設(shè)計每次作業(yè)的最終上交時間，過期該次不可提交，不按時上交作業(yè)的那次記為0分，系統(tǒng)自動統(tǒng)計，按時關(guān)閉每次的提交申請。綜合實驗的內(nèi)容也將隨著經(jīng)驗的積累變得更豐富，現(xiàn)階段最后一學(xué)期的綜合實踐內(nèi)容是心音信號的采集與處理，今后可根據(jù)需要加入如心電信號或生物電信號等方向的內(nèi)容，使生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的本科生接觸和實踐更多生物醫(yī)學(xué)信號類相關(guān)研究。

參考文獻

[1] 謝啟，陳飛，朱培逸.“信號與系統(tǒng)分析”課程教學(xué)改革探索與實踐.中國電力教育，2014（2）.

[2] 樊玲.“數(shù)字信號處理”教學(xué)改革的探討.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012（4）.

[3] http：//122.114.172.81：8080/cms.

[4] 武紅玉.基于MATLAB的“信號與系統(tǒng)”實驗教學(xué)改革.科技信息，2012（11）.

[5] 艾煒華，湯建明，巫昌霖，肖森源，黃彬，曾慶寧.心音信號采集及自動識別系統(tǒng).科技視界，2015（34）.

[6] 聞紹飛，劉紀(jì)紅，孫宇舸.MATLAB在數(shù)字信號處理實驗教學(xué)中的研究.實驗室科學(xué)，2016（5）.

[7] 關(guān)成斌，王捷，張福，寶宋杰.Matlab在數(shù)字信號處理實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究.電腦與電信，2011（11）.

[8] 韋哲，李戰(zhàn)明，程自峰，李向偉，魏偉一.基于聲卡的心音信號采集與處理系統(tǒng)的實驗研究.中國醫(yī)療設(shè)備，2008（10）.