《信號檢測與估值》課程建設(shè)的探索

單潔 楊剛 王軍選 姜暉

摘 要：《信號檢測與估值》是通信、電子類相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，也是我校碩士研究生的一門核心學(xué)位課。該課程在實際教學(xué)中存在教學(xué)內(nèi)容重理論，教學(xué)手段單一，學(xué)生動手實踐環(huán)節(jié)缺失等問題，很難滿足研究生工程應(yīng)用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，文章通過對課程現(xiàn)有狀況的討論，提出了該課程建設(shè)的一些設(shè)想。

關(guān)鍵詞：信號檢測與估值；課程建設(shè)；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)手法；實踐教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）01-0053-03

Abstract： Signal Detection and Estimation is an important specialized course related to communication and electronics， and it is also a core degree course for graduates. In the practical teaching， there are some problems such as attaching importance to theoretical teaching， single teaching method and lack of practice， and so it is difficult to meet the training of graduate engineering application and innovation ability. Therefore， through the discussion of the existing course in this paper， some ideas about the course construction are put forward.

Keywords： Signal Detection and Estimation； Course construction； Teaching contents； Teaching method； Practical teaching

引言

《信號檢測與估值》是通信、電子類相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，主要介紹通信中的信號檢測處理、信號波形檢測、信號統(tǒng)計估計、最優(yōu)接收設(shè)計等知識[1]。由于本課程是極具專業(yè)特色、理論性較強的學(xué)科，且較多應(yīng)用于通信電子、自動控制、模式識別等多個領(lǐng)域，因此，《信號檢測與估值》也就成為了信息與通信工程學(xué)科高年級本科生與研究生的重點專業(yè)課[1]。

在西安郵電大學(xué)信息類專業(yè)中，《信號檢測與估值》是碩士研究生的一門核心學(xué)位課，其較強的理論性既是本課的特色，也是教學(xué)難點所在，學(xué)生常常被數(shù)學(xué)推導(dǎo)所難、不能準(zhǔn)確理解理論知識內(nèi)涵，對于理論聯(lián)系實際更是難上加難。而在實際課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，由于多種原因造成的理論與實踐、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用的脫節(jié)，更加突出了該課程的實際教學(xué)效果與課程預(yù)期目標(biāo)的巨大落差[2]。因此，如何解決豐富的教學(xué)內(nèi)容與有限的教學(xué)時間的矛盾，如何優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法、提高授課質(zhì)量、增強學(xué)生的工程應(yīng)用能力，已成為本門課程亟待解決的問題。

一、課程現(xiàn)狀

根據(jù)近些年在實際教學(xué)環(huán)節(jié)中暴露出的種種問題，教學(xué)團(tuán)隊教師進(jìn)行深刻分析，總結(jié)當(dāng)前課程的發(fā)展現(xiàn)狀：

問題一：教學(xué)內(nèi)容晦澀難懂，重理論缺實踐，學(xué)生往往知其然卻不知其所以然，更不知如何將理論知識解決實際工程問題。例如，課本第三章信號的統(tǒng)計檢測理論中，介紹了貝葉斯準(zhǔn)則以及幾個派生貝葉斯準(zhǔn)則，其中包括最小平均錯誤概率準(zhǔn)則、最大后驗概率準(zhǔn)則、極小化極大準(zhǔn)則和奈曼-皮爾遜準(zhǔn)則[1]，實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)多部分學(xué)生對這些基本知識點的理解膚淺或不完整，采用死記硬背公式的學(xué)習(xí)方式，因此更無法對其進(jìn)行靈活運用。

問題二：教學(xué)內(nèi)容陳舊，涵蓋知識面廣且重點不突出，難以激勵學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，開拓學(xué)生的思維[2]。目前，本校使用的教材為清華大學(xué)出版社2005出版的《信號檢測與估計理論》，教學(xué)內(nèi)容十年不變，不能及時跟隨當(dāng)前信息科技領(lǐng)域的最新發(fā)展。一成不變的理論知識和教學(xué)手法不僅使學(xué)生失去了學(xué)習(xí)的興趣，而且不利于學(xué)生開放性思維培養(yǎng)，最終導(dǎo)致學(xué)生科研能力培養(yǎng)的不良發(fā)展。因此，優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容和采用多種形式相結(jié)合的教學(xué)手段，將學(xué)科發(fā)展的最新動態(tài)、趨勢以及教師的科研成果融于教學(xué)過程，借鑒兄弟院校課程建設(shè)和教學(xué)改革的成功案例等一系列的措施，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性，從而培養(yǎng)其工程應(yīng)用能力，提高學(xué)生的動手能力和解決復(fù)雜工程問題的能力，是本課程建設(shè)和教學(xué)改革的一個重點環(huán)節(jié)。

問題三：教學(xué)手段單一，仍以教師講授為主，輔以少量課后作業(yè)，學(xué)生缺乏實驗、設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)，很難深刻全面的理解課內(nèi)知識點[2]，因此學(xué)生學(xué)習(xí)積極性低，教學(xué)效果不好。近年來由于研究生擴(kuò)招等原因造成的教育質(zhì)量下滑，而研究生教育更強調(diào)創(chuàng)新、實踐能力的培養(yǎng)，因此，如何提高研究生教育質(zhì)量、滿足研究生的科研能力培養(yǎng)目標(biāo)要求，如何豐富教學(xué)手段方法、改革教學(xué)模式，培養(yǎng)研究生的研究興趣，則是本課程建設(shè)與改革的關(guān)鍵。

二、《信號檢測與估值》課程建設(shè)的設(shè)想與措施

《信號檢測與估值》是西安郵電大學(xué)2016年研究生課程建設(shè)重點項目之一，借助這次經(jīng)費資助的契機，擬經(jīng)過三至五年時間逐步打造一支學(xué)歷、學(xué)緣、資歷結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，學(xué)術(shù)思想活躍、實踐經(jīng)驗豐富的教學(xué)隊伍，并結(jié)合教師的科研方向，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容的組織，建設(shè)一批通信應(yīng)用特色的教學(xué)案例庫和課程配套實驗。通過本次課程建設(shè)的研究和實踐，使得該課程呈現(xiàn)系統(tǒng)化、特色化的風(fēng)格，更能充分發(fā)揮課程在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的支撐作用。

圖1展示了《信號檢測與估值》課程建設(shè)的研究內(nèi)容及實踐途徑。

（一）課程教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)

如今，科技高速發(fā)展，如果我們的教學(xué)還停留在傳統(tǒng)的教與學(xué)，大量的數(shù)學(xué)公式上，很難再吸引學(xué)生的關(guān)注。但是信號檢測與估計理論要求大量數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，涉及隨機過程、矩陣論、數(shù)理統(tǒng)計等知識，課程自身的這一特點在教學(xué)環(huán)節(jié)又無法逾越，在有限的教學(xué)時間內(nèi)，我們該如何將復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論和生動的工程應(yīng)用相結(jié)合，如何將知識點做到面面俱到而又重點突出等等，這樣的難題不可回避的擺在任課教師的面前，如同一座座大山。

借鑒兄弟院校課程建設(shè)的經(jīng)驗，教學(xué)團(tuán)隊采用將基本原理的“普適性”和通信應(yīng)用"特殊性"相結(jié)合，對教學(xué)內(nèi)容重新組織安排，突出重點理論，淡化其他數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，強化工程應(yīng)用性，使本課程的教學(xué)內(nèi)容更加層次化、合理化。例如，課程前兩章即概論和基礎(chǔ)知識兩個部分，課時壓縮到4課時；突出第三、五章信號統(tǒng)計檢測理論和統(tǒng)計估計理論兩個部分內(nèi)容，課時增加至30課時[1]；其他章節(jié)內(nèi)容也略有改動，但總體上保持原樣，這樣在課堂教學(xué)中可以突出重點。

另外，為了加深學(xué)生對知識點理解，教學(xué)團(tuán)隊將學(xué)生公認(rèn)的難點、重點的知識點，增加了Matlab仿真或者引入實例說明，將枯燥的內(nèi)容形象化展現(xiàn)出來。不少學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中認(rèn)為基礎(chǔ)概念很難理解清楚，例如，輸入、輸出空間、判決空間等，教師根據(jù)基本理論給定的模型，借助Matlab仿真構(gòu)造出不同的空間結(jié)構(gòu)[3]，幫助學(xué)生直觀、深刻的理解概念。

又如，每級學(xué)生都對信號的統(tǒng)計檢測、統(tǒng)計估計理論這兩部分中眾多的檢測、估計方法理解不清。在授課過程中，團(tuán)隊增加里Matlab仿真結(jié)果，來輔助學(xué)生理解這些知識點。例如，為了直觀對比最大似然估計和最大后驗估計的性能，教師通過Matlab仿真得到結(jié)果圖，學(xué)生就可以清晰的看出，在已知待估參數(shù)分布的情況下，最大后驗估計優(yōu)于最大似然估計[3]。

（二）教學(xué)方法手段的創(chuàng)新

教師的課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，從理論教學(xué)環(huán)節(jié)的教、學(xué)、考等各個方面，靈活運用項目驅(qū)動、應(yīng)用特色案例教學(xué)、科技報告等方法手段，優(yōu)化教學(xué)效果[5]。例如，引導(dǎo)學(xué)生將信號檢測的幾種方法進(jìn)行分析、對比和總結(jié)，注重其間的關(guān)聯(lián)性，突出知識點之間的相同點以及不同之處。

為適應(yīng)學(xué)校研究生人才培養(yǎng)定位，從理論教學(xué)及實踐教學(xué)兩個環(huán)節(jié)出發(fā)，將教師的科研成果融入理論教學(xué)中，依托學(xué)校各類實驗平臺及具有通信特色的其他實踐教學(xué)平臺，借鑒案例教學(xué)的思想，充分利用現(xiàn)代各類網(wǎng)絡(luò)手段，開發(fā)以通信為背景具有工程應(yīng)用性的教學(xué)案例。使教學(xué)內(nèi)容具有工程應(yīng)用性，做到因材施教，更好的契合我校研究生的培養(yǎng)定位。教學(xué)案例的特點及編寫步驟如圖2所示；

有了好的教學(xué)案例，如何高效的投入教學(xué)環(huán)節(jié)，就是一個關(guān)鍵點。團(tuán)隊擬建設(shè)一個基于云技術(shù)的信號檢測與估值理論案例庫，可以方便師生學(xué)習(xí)使用。

（三）實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革

動手能力的培養(yǎng)應(yīng)該是創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)中最為重要的部分。經(jīng)過多次研討確定在總課時48不變的條件下，適當(dāng)增加實踐環(huán)節(jié)課時，目前至少保證8課時的學(xué)生上機實驗。實驗內(nèi)容設(shè)置以“驗證+綜合”的思路，選取了課程中重點知識點。為了加深學(xué)生對統(tǒng)計估計理論認(rèn)識，例如，如何對比最大似然估計和最大后驗估計的異同，教師在課堂上通過Matlab程序演示結(jié)果來直觀對二者進(jìn)行對比。同時，學(xué)生上機實驗可以進(jìn)一步驗證在最優(yōu)估計存在時，二者的估計方差與克拉美-羅限（即Cramer-Rao，CR）的關(guān)系[3]。

借鑒兄弟院校的經(jīng)驗以及與學(xué)生的交流總結(jié)，團(tuán)隊達(dá)到一致共識，即在教學(xué)過程中盡可能的多融入一些直觀的方法，例如Matlab仿真等，來幫助學(xué)生理解晦澀難懂的數(shù)學(xué)理論，并且提出將授課內(nèi)容中的難點、重點知識，借助Matlab仿真實現(xiàn)，形象的呈現(xiàn)在學(xué)生面前。實踐形式采取多樣化，較難的部分可以教師獨立完成；較簡單的部分可以教師學(xué)生合作完成，課堂教學(xué)時間有限，可以以報告形式布置給學(xué)生上機或者課后完成，等等?？傊畧F(tuán)隊教師希望采用多元的實踐方法，幫助學(xué)生深刻、準(zhǔn)確理解課程理論。

另外，在條件允許的情況下，課程實踐環(huán)節(jié)可以加入一些專用硬件設(shè)備，例如信號檢測儀或估計儀等，加強學(xué)生對理論的感知。舉例，我們在課堂上介紹了維納濾波器，但是學(xué)生無法從眾多的數(shù)學(xué)公式和大堆的圖表中直觀、形象的認(rèn)識什么是維納濾波器。雖然軟件仿真也可以一定程度上幫助學(xué)生了解，但是如果我們采用DSP、FPGA等硬件設(shè)備來解決算法問題[4]，并建立一個實際的信號檢測和估計系統(tǒng)，真實的檢測或者估計一個受噪聲污染的實際信號，那么學(xué)生一定會對這些理論有更加深刻、直觀，且生動的理解。

（四）微課程錄制的探索

微課程給我們帶來的并不僅僅是一種新的教學(xué)模式，也展示了一種更快捷的學(xué)習(xí)途徑和方法。借鑒“可汗學(xué)院微課程”模式，運用建構(gòu)主義方法，把信號檢測與估值理論的重點難點錄制成視頻，按照學(xué)生最便捷的接受知識的方式，形成PPT式、講課式、板書式或多種形式結(jié)合的微課程模式。信號檢測與估值是理論性強、概念更抽象、課后題型多樣，涉及面廣，有一定深度。對于習(xí)題的講解，很多學(xué)生不習(xí)慣PPT的講授方式，其快速的切換影響了學(xué)生思維的過渡。多數(shù)學(xué)生更傾向于教師用板書的形式進(jìn)行，但是傳統(tǒng)的板書有不可復(fù)制的缺點。如果把對習(xí)題的講解錄制成微課程視頻，一題一課，可以賦予傳統(tǒng)板書新的活力，讓教師的板書能夠重現(xiàn)，而且在講題過程中涉及到的知識點，也可以用微課程視頻嵌套的方法，鏈接到相關(guān)知識點的微課程，逐步進(jìn)行提示，給學(xué)生一條明確的學(xué)習(xí)路徑。

把信號檢測與估值中的重點難點，錄制成目標(biāo)明確、主題突出的微課程視頻，這是教學(xué)團(tuán)隊目前正在進(jìn)行的工作。但是，微課程的內(nèi)容應(yīng)該不僅僅局限于理論教學(xué)，實踐環(huán)節(jié)、硬件平臺也可以錄制成微視頻，從而實現(xiàn)硬件資源的共享。如果視頻教學(xué)資源可以達(dá)到一定數(shù)量以后，就可以建成信號檢測與估值理論的微課程視頻資源庫。這些微課程視頻將可作為智慧學(xué)習(xí)的重要資源，滿足學(xué)生入境學(xué)習(xí)、泛在學(xué)習(xí)和個性化自定步調(diào)學(xué)習(xí)的需求[6]，適應(yīng)現(xiàn)代學(xué)習(xí)短、平、快的特點以及碎片化學(xué)習(xí)的需要[7]。

（五）建立課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺

與傳統(tǒng)的課堂式教學(xué)模式受教學(xué)時間、地點等多方面條件的約束相比，多媒體計算機在教學(xué)上的優(yōu)勢以及網(wǎng)絡(luò)的普及性、實用性和便利性，使可視化教學(xué)手段，如動畫、文本、聲音等多種媒體組合，成為目前的課程建設(shè)的趨勢。而我校本科教育正在大力推進(jìn)“網(wǎng)絡(luò)課程”、“在線課堂” 的進(jìn)程，因此，教學(xué)團(tuán)隊借鑒成熟課程網(wǎng)站建設(shè)經(jīng)驗，初步開發(fā)《信號檢測與估值》課程的教學(xué)網(wǎng)站，為選課學(xué)生提供豐富、生動的教學(xué)資源，其中包括大量的多媒體資源，例如課程課件、教學(xué)案例庫、微課程視頻等。

利用教學(xué)網(wǎng)站輔助教學(xué)在一定程度上彌補了課堂教學(xué)時間和空間的制約性，大大拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)的空間，可以使學(xué)生在各種場合、各種時間利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)相應(yīng)知識。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)觀看教學(xué)視頻、下載相關(guān)課程PPT、習(xí)題、往年試題，使得課下學(xué)習(xí)豐富多彩，有利于幫助學(xué)生理解信號檢測與估值理論的重點和難點知識，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、積極探索與研究的創(chuàng)造性和積極性，提高學(xué)習(xí)的效率和效果。

在線課堂有著良好的互動性，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)在線提交留言，與任課教師無障礙溝通，不受空間條件約束，一起探討學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，或者進(jìn)行答疑輔導(dǎo)。

雖然網(wǎng)絡(luò)教學(xué)有諸多優(yōu)勢，但是由于建設(shè)經(jīng)費有限、知識產(chǎn)權(quán)等諸多問題困擾，老師建設(shè)熱情性嚴(yán)重受阻，下一步我們該如何進(jìn)行仍是困擾教學(xué)團(tuán)隊一個難題。

三、結(jié)束語

圍繞應(yīng)用創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)，西安郵電大學(xué)信號檢測與估值教學(xué)團(tuán)隊的老師們積極探索，勇于創(chuàng)新，從教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化和實驗設(shè)置等方面進(jìn)行了不同程度的建設(shè)，不僅注重基礎(chǔ)知識的與時俱進(jìn)，提出一系列改革式課程建設(shè)的嘗試，教學(xué)手法手段的新穎年輕化，而且突出實踐環(huán)節(jié)的合理有趣，還陸續(xù)開發(fā)了微課程、教學(xué)網(wǎng)站等輔助教學(xué)手段，探索一套適合《信號檢測與估值》課程教學(xué)方法的模式。

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