基于工程認(rèn)證的數(shù)據(jù)壓縮與編碼課程建設(shè)

白恩健 吳 張光林

摘? 要：針對(duì)電子信息工程專業(yè)數(shù)據(jù)壓縮與編碼課程的教學(xué)實(shí)際，基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的教學(xué)目標(biāo)，提出以學(xué)生為教學(xué)活動(dòng)主體實(shí)施課程教學(xué)設(shè)計(jì)，并從教學(xué)大綱、教學(xué)方法、課程項(xiàng)目、考核評(píng)價(jià)和持續(xù)改進(jìn)等方面說(shuō)明具體措施，達(dá)成課程對(duì)專業(yè)畢業(yè)要求的有效支撐。

關(guān)鍵詞：工程認(rèn)證;課程項(xiàng)目;數(shù)據(jù)壓縮;CDIO

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）05-0074-03

Abstract： According to the teaching practice of data compression course and based on the teaching goal of certification of engineering education major， this paper puts forward the implementation of curriculum design with students as the main body of teaching activities， and illustrates the concrete measures from the aspects of syllabus， teaching methods， curriculum items， assessment and continuous improvement， so as to achieve the course effective support for graduation requirements.

Keywords： engineering education professional certification; course project; data compression; CDIO

一、概述

工程教育認(rèn)證主要倡導(dǎo)學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)三個(gè)基本理念。學(xué)生中心理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，圍繞培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的達(dá)成進(jìn)行資源配置和教學(xué)安排;產(chǎn)出導(dǎo)向理念強(qiáng)調(diào)教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施以學(xué)生所取得的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向;持續(xù)改進(jìn)理念強(qiáng)調(diào)專業(yè)必須建立有效的質(zhì)量監(jiān)控和持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，能持續(xù)跟蹤改進(jìn)效果并勇于推動(dòng)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量不斷提升[1]。基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的理念，課程教學(xué)需支撐畢業(yè)要求的有效達(dá)成，要求教學(xué)改進(jìn)教學(xué)方法、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容[2，3]。基于CDIO的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法，以學(xué)生為主，教師教學(xué)為輔，將理論與實(shí)踐充分的融合起來(lái)，提高課堂活躍度，使學(xué)生主動(dòng)地接受知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力[4]。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)是課程教學(xué)有效支撐畢業(yè)要求達(dá)成的重要手段。

數(shù)據(jù)壓縮與編碼課程（4學(xué)分，64學(xué)時(shí)）是我校電子信息工程專業(yè)的核心專業(yè)方向課程，主要講授數(shù)據(jù)壓縮的基本原理、實(shí)用技術(shù)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和具體應(yīng)用。“數(shù)據(jù)壓縮”作為信息時(shí)代數(shù)字通信、大眾傳媒和多媒體技術(shù)的共性關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)提高學(xué)生理論與實(shí)踐方面的能力發(fā)揮著重要的作用[5，6]。通過(guò)課程建設(shè)，使學(xué)生在軟件、硬件和算法理論方面的學(xué)習(xí)成果得以融會(huì)貫通，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力，支撐畢業(yè)要求的有效達(dá)成。

二、工程教育專業(yè)認(rèn)證體系下的課程教學(xué)大綱

傳統(tǒng)的教學(xué)大綱在制定過(guò)程中缺乏對(duì)專業(yè)特色和人才培養(yǎng)目標(biāo)的宏觀把握，課程教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)內(nèi)容的指向性不明確。為保證專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的有效達(dá)成，根據(jù)工程教育認(rèn)證的要求，各教學(xué)環(huán)節(jié)對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)的貢獻(xiàn)，專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)中的知識(shí)、能力和素質(zhì)，學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的預(yù)期效果等均應(yīng)系統(tǒng)寫入課程的教學(xué)大綱中，確保不因?yàn)槿握n教師的改變而隨意更改教學(xué)內(nèi)容。

信號(hào)類課程群是我校的一個(gè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)，承擔(dān)梳理知識(shí)脈絡(luò)體系、鑒定和評(píng)價(jià)課程教學(xué)、督導(dǎo)課程持續(xù)改進(jìn)的重任。包含信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、DSP原理與應(yīng)用、數(shù)字圖像處理以及數(shù)據(jù)壓縮與編碼等課程融合建設(shè)。在該課程體系中，信號(hào)與系統(tǒng)突出理論基礎(chǔ)，數(shù)字信號(hào)處理以信號(hào)處理算法研究為主線，突出研究性學(xué)習(xí)，DSP原理與應(yīng)用突出信號(hào)處理算法在工程中的硬件實(shí)現(xiàn)，數(shù)字圖像處理和數(shù)據(jù)壓縮與編碼課程突出軟硬件仿真及研究項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)。通過(guò)團(tuán)隊(duì)集體討論、研究教學(xué)目標(biāo)、課程教學(xué)內(nèi)容等，形成制定課程大綱的編制思路，由任課教師執(zhí)筆完成大綱書寫，經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)集體審核后在教學(xué)過(guò)程中實(shí)施。

教學(xué)團(tuán)隊(duì)組織集體學(xué)習(xí)電子信息工程專業(yè)的12條畢業(yè)要求，理解工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)涵，結(jié)合區(qū)域發(fā)展和專業(yè)定位，依照畢業(yè)要求按專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)確立課程教學(xué)目標(biāo)，構(gòu)建教學(xué)目標(biāo)畢業(yè)要求關(guān)系矩陣（表1），并根據(jù)教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)（表2）。

本課程的教學(xué)目標(biāo)為：1. 了解數(shù)據(jù)壓縮領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與方法，能夠理解研究應(yīng)具備的知識(shí)和能力（支撐畢業(yè)要求12.1）;2. 能夠利用信息論的理論和方法討論壓縮技術(shù)，為設(shè)計(jì)無(wú)損壓縮和有損壓縮方案搭建技術(shù)框架，設(shè)計(jì)編碼方案（支撐畢業(yè)要求2.3）;3. 了解JPEG、MPEG等圖像、音頻和視頻壓縮的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，能準(zhǔn)確分析不同標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)和問(wèn)題（支撐畢業(yè)要求6.1）;4. 能從工程實(shí)際出發(fā)，選擇合適的編碼方案，完成軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)施（支撐畢業(yè)要求9.1）。

三、課程教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)方法

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，本課程以課堂教學(xué)、課外作業(yè)、仿真實(shí)驗(yàn)、課程項(xiàng)目等共同實(shí)施。針對(duì)畢業(yè)要求的具體指標(biāo)點(diǎn)，緊密聯(lián)系工程實(shí)際，以數(shù)據(jù)壓縮算法設(shè)計(jì)與應(yīng)用為根本出發(fā)點(diǎn)組織教學(xué)。采用結(jié)合工程實(shí)際的案例教學(xué)方法：教學(xué)中始終以結(jié)合工程實(shí)際為主線，采用多媒體與傳統(tǒng)板書相結(jié)合方式、同時(shí)輔以案例教學(xué)，突出工程實(shí)踐的應(yīng)用能力培養(yǎng)。如針對(duì)常見(jiàn)的電子產(chǎn)品包括手機(jī)、電視、數(shù)字監(jiān)控等介紹數(shù)據(jù)壓縮的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以此提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。如以手機(jī)通信系統(tǒng)為案例，介紹信號(hào)從端到端傳輸?shù)倪^(guò)程中是如何實(shí)現(xiàn)的，用到本課程的哪些具體內(nèi)容和分析方法，以此讓學(xué)生明白課本知識(shí)的具體工程應(yīng)用，同時(shí)也解決了知識(shí)割裂的問(wèn)題，使學(xué)生能開(kāi)始站在專業(yè)的角度去理解信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、電磁場(chǎng)、通信電路等課程，逐步融匯貫通，建立專業(yè)知識(shí)體系。

為實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，增強(qiáng)課堂互動(dòng)，讓學(xué)生能“抬起頭、動(dòng)起腦”，采用啟發(fā)式、討論式和研究式等教學(xué)方法，開(kāi)展項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)。由教師設(shè)計(jì)相關(guān)的課程項(xiàng)目，然后將學(xué)生分成不同的項(xiàng)目小組，去完成教師布置的項(xiàng)目任務(wù)。在整個(gè)過(guò)程中，以學(xué)生為主體，教師起到指導(dǎo)作用，讓學(xué)生自己動(dòng)腦、動(dòng)手，充分提高學(xué)生積極性，激發(fā)他們的創(chuàng)造力。

（二）課程項(xiàng)目

本課程在整個(gè)專業(yè)課程體系中，需對(duì)綜合規(guī)劃能力、團(tuán)隊(duì)組織能力、終身學(xué)習(xí)意識(shí)與發(fā)展適應(yīng)能力形成有效支撐，因此在實(shí)踐教學(xué)方面設(shè)計(jì)軟件仿真實(shí)驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

軟件仿真實(shí)驗(yàn)：采用C、Pathon或Matlab等語(yǔ)言，對(duì)文本、語(yǔ)音、圖像和視頻進(jìn)行壓縮處理，目的是通過(guò)軟件實(shí)驗(yàn)來(lái)理解數(shù)據(jù)壓縮中涉及的一些主題，一個(gè)預(yù)期實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程后可以自行開(kāi)發(fā)壓縮軟件包，從而更好地體會(huì)不同數(shù)據(jù)的特性以及不同壓縮算法中涉及的各種因素權(quán)衡。同時(shí)針對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生還可以通過(guò)軟件仿真實(shí)驗(yàn)開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)。例如基于小波變換的圖像壓縮編碼不是本課程的課內(nèi)教學(xué)內(nèi)容，可以選拔能力較好的學(xué)生課后自行研究這部分內(nèi)容，通過(guò)軟件實(shí)驗(yàn)的方法與離散余弦變換的方法進(jìn)行對(duì)比，培養(yǎng)學(xué)生的研究能力。

課程項(xiàng)目：本課程講授G726、G722、JPEG，H261、H264等眾多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如何讓學(xué)生更好的理解和應(yīng)用這些標(biāo)準(zhǔn)需要認(rèn)真研究。通過(guò)設(shè)立基于DSP的語(yǔ)音壓縮數(shù)據(jù)通信課程項(xiàng)目，讓學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理、信號(hào)與系統(tǒng)等課程所學(xué)內(nèi)容，了解ADPCM編碼器的基本原理，著重從自適應(yīng)量化和自適應(yīng)預(yù)測(cè)兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)G726編碼器和解碼器，結(jié)合數(shù)據(jù)壓縮與編碼課程的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音壓縮數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的硬件環(huán)境搭建、程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和結(jié)果測(cè)試。本項(xiàng)目所需的硬件包括兩塊具備DSP的開(kāi)發(fā)板和音頻子板，通過(guò)RS-232電纜連接收發(fā)系統(tǒng)，并將話筒和耳機(jī)分別連接到兩個(gè)音頻子板插孔上。本項(xiàng)目的原理是當(dāng)一個(gè)用戶對(duì)話筒說(shuō)話時(shí)，音頻子板的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將采樣和轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)后送到第一塊開(kāi)發(fā)板的數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備上。數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備將使用G726A編碼器壓縮語(yǔ)音信號(hào)，然后通過(guò)RS-232接口傳輸幀數(shù)據(jù)到第二塊DSP開(kāi)發(fā)板。再由數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備使用G726A編碼器對(duì)幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，然后通過(guò)音頻子板上的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音信號(hào)輸出到耳機(jī)。通過(guò)該課程項(xiàng)目訓(xùn)練學(xué)生的溝通能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和知識(shí)綜合運(yùn)用解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

（三）過(guò)程考核

本課程的綜合成績(jī)由平時(shí)作業(yè)、出勤、仿真實(shí)驗(yàn)、課程項(xiàng)目和期末考試組成。對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)，注重過(guò)程考核，強(qiáng)調(diào)平時(shí)的課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)完成情況和項(xiàng)目完成情況。例如，針對(duì)“冗余度、相關(guān)性、熵”等容易混淆的概念，設(shè)計(jì)問(wèn)題，并通過(guò)討論課請(qǐng)同學(xué)發(fā)表自己的看法，在討論中得出正確的結(jié)論，達(dá)到舉一反三的目的，教師在此過(guò)程中組織大家分析討論并認(rèn)真記錄學(xué)生表現(xiàn)，以此作為課堂表現(xiàn)的成績(jī)。

針對(duì)學(xué)生個(gè)體的情況，分層教學(xué)、因人施教。對(duì)于學(xué)習(xí)能力一般的學(xué)生，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，教師輔以個(gè)別點(diǎn)撥讓他們掌握分析問(wèn)題的思路和解決問(wèn)題的方法。對(duì)于能力突出的學(xué)生，鼓勵(lì)他們開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)，了解學(xué)術(shù)前沿，給予一定的成績(jī)獎(jiǎng)勵(lì)。

軟件實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目從實(shí)驗(yàn)原理（權(quán)重0.3）、實(shí)驗(yàn)方法（權(quán)重0.4）和實(shí)驗(yàn)報(bào)告（權(quán)重0.3）三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，教師以問(wèn)題問(wèn)詢的方式對(duì)學(xué)生是否掌握實(shí)驗(yàn)原理以及實(shí)驗(yàn)方法的正確性進(jìn)行評(píng)價(jià)，避免只看報(bào)告打分，也可以一定程度上杜絕抄襲等現(xiàn)象。

課程項(xiàng)目的評(píng)價(jià)從項(xiàng)目完成度（權(quán)重0.6）、項(xiàng)目答辯（權(quán)重0.3）和項(xiàng)目報(bào)告（權(quán)重0.1）三個(gè)方面開(kāi)展。通過(guò)答辯，鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力和溝通能力。

本課程各部分的成績(jī)比例為出勤5%，作業(yè)及課堂表現(xiàn)13%，仿真實(shí)驗(yàn)12%、課程項(xiàng)目20%，期末考試：50%。

（四）持續(xù)改進(jìn)

信號(hào)類課程群教學(xué)團(tuán)隊(duì)聚焦“評(píng)學(xué)”，定期開(kāi)展面向產(chǎn)出的課程體系合理性評(píng)價(jià)和課程質(zhì)量評(píng)價(jià)。組織審核課程教學(xué)能否對(duì)畢業(yè)要求形成有效支撐，并給出課程改革的建議，通過(guò)聽(tīng)課、查閱教學(xué)記錄、試卷等進(jìn)行監(jiān)督。本課程在每學(xué)期教學(xué)結(jié)束后對(duì)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況進(jìn)行量化分析，撰寫課程考核報(bào)告，認(rèn)真分析對(duì)畢業(yè)要求是否構(gòu)成有效支撐，進(jìn)而分析存在的問(wèn)題，以便后續(xù)教學(xué)中能夠持續(xù)改進(jìn)。

四、結(jié)束語(yǔ)

目前各高校正在開(kāi)展本科教學(xué)秩序整頓工作，查找課堂建設(shè)中存在的突出問(wèn)題和薄弱環(huán)節(jié)。通過(guò)打造有深度、有挑戰(zhàn)的課程提高課程質(zhì)量，對(duì)大學(xué)生合理增負(fù)。數(shù)字壓縮與編碼課程作為高年級(jí)的專業(yè)方向課程，承擔(dān)著對(duì)過(guò)往所學(xué)課程融會(huì)貫通的重任，教學(xué)的重點(diǎn)應(yīng)著眼于能力培養(yǎng)。因此，在課程建設(shè)過(guò)程中注重以學(xué)生為中心，轉(zhuǎn)變教育理念，從“教知識(shí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤芭嗄芰Α薄＠斫鈱W(xué)生個(gè)體差異，轉(zhuǎn)變教學(xué)方法，從“灌輸為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝懻摓橹鳌?。注重過(guò)程考核，有效地培養(yǎng)學(xué)生掌握自我摸索學(xué)習(xí)的方法。本課程的實(shí)踐將為其它專業(yè)核心課程的建設(shè)提供良好的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]高小鵬，呂衛(wèi)鋒，馬殿富，等.工程教育認(rèn)證提升專業(yè)建設(shè)水平[J].計(jì)算機(jī)教育，2013（20）：18-23.

[2]穆浩志，薛立軍，牛興華.工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下工程制圖課程大綱的改革與實(shí)踐[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2016（5）：711-717.

[3]林姍，李浩.基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的數(shù)字邏輯課程改革[J].計(jì)算機(jī)教育，2018（7）：58-60，64.

[4]周洪波.基于CDIO教育模式的高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)探究[J].高教學(xué)刊，2018（21）：30-32.

[5]吳樂(lè)南.貫穿于數(shù)據(jù)壓縮課程的問(wèn)題教學(xué)法[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2010（11）：46-47.

[6]付慧，黃心淵.數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)之“數(shù)據(jù)壓縮”課程建設(shè)[J].計(jì)算機(jī)教育，2009（6）：71-73.