信號(hào)處理實(shí)踐類課程教學(xué)問題分析及改進(jìn)策略

張新峰 賈懋珅 竇慧晶 李暉

摘要：信號(hào)處理實(shí)踐類課程是電子信息類本科生利用信號(hào)處理基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際問題的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。作者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力亟須加強(qiáng)，運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本思想制作課程演示實(shí)例的能力不足，信號(hào)處理課程報(bào)告中對(duì)課題結(jié)果缺乏深入的理論分析，往往停留在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象描述層面。據(jù)此，作者從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)講義編寫等方面提出了相應(yīng)的改進(jìn)策略。

關(guān)鍵詞：信號(hào)處理;理論聯(lián)系實(shí)際;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);線上線下結(jié)合

中圖分類號(hào)：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2021）05-0107-03

對(duì)于電子信息工程、通信工程的本科生而言，信號(hào)處理實(shí)踐類課程是必不可少的，因?yàn)槭炀氝\(yùn)用信號(hào)處理技術(shù)來解決實(shí)際問題是該類專業(yè)學(xué)生的基本功。筆者所在學(xué)校開設(shè)的相應(yīng)課程為“信號(hào)處理工程訓(xùn)練”，該課程開設(shè)在大三下學(xué)期，此時(shí)學(xué)生已系統(tǒng)地學(xué)完了“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”“隨機(jī)信號(hào)分析”的相關(guān)理論并完成了課內(nèi)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。“信號(hào)處理工程訓(xùn)練”課程的開設(shè)旨在提高學(xué)生運(yùn)用信號(hào)處理的基礎(chǔ)理論解決實(shí)際工程問題的能力，這其中包括問題分析、建模，求解、結(jié)果分析等環(huán)節(jié)。由于這類課程內(nèi)容抽象，多數(shù)學(xué)生不理解其物理意義，應(yīng)用于實(shí)際中較為被動(dòng)。筆者的出發(fā)點(diǎn)是讓學(xué)生從解決實(shí)際工程問題出發(fā)，對(duì)問題進(jìn)行分析，建立信號(hào)處理模型，然后求解并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。這樣，能讓他們體會(huì)到信號(hào)處理理論的具體應(yīng)用，對(duì)基本概念和模型有更深刻的認(rèn)識(shí)和掌握，同時(shí)培養(yǎng)了其解決復(fù)雜工程問題的能力，進(jìn)而培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新思維。

亟須解決的問題

筆者在授課過程中發(fā)現(xiàn)，從學(xué)生上課的實(shí)際效果看，存在如下亟須解決的問題：

①學(xué)生信號(hào)處理知識(shí)總體掌握情況較好，但理論聯(lián)系實(shí)際的能力有待加強(qiáng)。

部分學(xué)生信號(hào)處理類課程考試的成績(jī)很高，但在解決具體問題時(shí)，卻無從下手。例如，課程中有一道心電信號(hào)處理的題目，題目為“設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器去除工頻信號(hào)的干擾”，這屬于一個(gè)濾波器設(shè)計(jì)和應(yīng)用的問題。學(xué)生對(duì)這道題主要的困難表現(xiàn)在：模仿《數(shù)字信號(hào)處理》教材上的例題設(shè)計(jì)出了濾波器，卻不知道如何利用濾波器處理實(shí)際數(shù)據(jù)。教材中的濾波器一般是以Z變換的形式給出的，但是這樣的濾波器在時(shí)域怎么用好多學(xué)生不明白。

②編程解決實(shí)際問題是不少學(xué)生的軟肋，有些學(xué)生能夠編寫程序，但程序質(zhì)量不高，存在多種缺陷和漏洞。

學(xué)生可以根據(jù)具體問題建立合理的模型，但不清楚如何編寫程序?qū)崿F(xiàn)模型的關(guān)鍵技術(shù)。課程要求學(xué)生在讀懂代碼的基礎(chǔ)上，靈活運(yùn)用程序，熟悉相關(guān)的算法，在理解的基礎(chǔ)上去應(yīng)用。然而，部分學(xué)生可編程完成課題的任務(wù)，但存在編程過程不夠規(guī)范、所編寫程序的魯棒性不強(qiáng)、邊界條件考慮不夠等問題。多數(shù)程序還有需要完善的地方，其突出表現(xiàn)在程序中存在諸多缺陷和漏洞。一方面是因?yàn)檫吔鐥l件沒有考慮周到，未對(duì)程序做比較完善的測(cè)試;另一方面是因?yàn)閷W(xué)生對(duì)C語言中一些原理性的知識(shí)認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致運(yùn)行程序過程中經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)存泄露，甚至死機(jī)的現(xiàn)象。

③學(xué)生對(duì)問題結(jié)論的分析往往停留在簡(jiǎn)單的現(xiàn)象描述上，缺乏對(duì)問題的深入分析，尤其是缺少理論分析，另外對(duì)軟件程序的測(cè)試不夠。

筆者對(duì)課程報(bào)告的寫法做了具體的要求，包括寫清楚課題的基本要求、具體的技術(shù)原理、關(guān)鍵的技術(shù)模塊及實(shí)現(xiàn)代碼、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析、本課題存在的問題、可能的意見和建議以及對(duì)未來工作的展望。雖然多數(shù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫出了這幾個(gè)部分，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果部分也說明了原始數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但相當(dāng)一部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象只做了簡(jiǎn)單的描述，接著就直接說明所采用的方法適合解決什么問題，這樣得出的結(jié)論顯然不嚴(yán)謹(jǐn)，存在著將特殊誤認(rèn)為是一般的問題，沒有做深入的分析，沒有給出得出此結(jié)論的前提條件。另外，學(xué)生在動(dòng)手編程實(shí)現(xiàn)方面往往是淺嘗輒止，對(duì)實(shí)現(xiàn)的程序代碼沒有做足夠的測(cè)試，對(duì)程序幾乎沒有進(jìn)行優(yōu)化工作和算法效率的分析。

具體策略

筆者認(rèn)為，針對(duì)本課程建設(shè)中存在的問題，可以初步采取如下策略進(jìn)行改進(jìn)：

①多渠道征集課題素材，將其加工為適合本科生解決的實(shí)踐性課題。

課題要來源于生產(chǎn)或生活實(shí)際，因?yàn)橹挥袑?shí)際問題才容易引起學(xué)生的興趣。注重經(jīng)典理論的講述與引入最新技術(shù)的相互融合[1]是增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力的一個(gè)重要方法。課題的來源：一方面可以利用已有的資源，如自己的研究課題、相關(guān)教師的研究課題等，在此基礎(chǔ)上加工為符合本科生實(shí)現(xiàn)的工程課題;另一方面可以鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行各種實(shí)踐活動(dòng)，他們?cè)趯?shí)際中發(fā)現(xiàn)的可利用信號(hào)處理理論與方法解決的問題，經(jīng)過加工和整理，也可以成為本課程的課題。此外，可以從其他專業(yè)（如生物醫(yī)學(xué)工程、機(jī)械電子工程等）征集與信號(hào)處理相關(guān)的問題，從多源頭征集課題，力求使課題內(nèi)容豐富多彩，這樣在一定程度上拓寬了學(xué)生知識(shí)應(yīng)用的視野，同時(shí)也讓學(xué)生體會(huì)到了信號(hào)處理理論應(yīng)用的魅力。筆者鼓勵(lì)學(xué)生自己提出問題、設(shè)計(jì)課題，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)他們自己分析、解決問題。學(xué)生設(shè)計(jì)完題目之后，教師對(duì)題目的難度、綜合性和數(shù)據(jù)采集條件等嚴(yán)格把關(guān)，確保題目的質(zhì)量和數(shù)據(jù)的來源可靠。另外，筆者對(duì)課題科學(xué)地進(jìn)行分級(jí)，設(shè)置不同的難度等級(jí)，以適應(yīng)不同層次的學(xué)生，題目的難度分為基礎(chǔ)類、提高類和較難類、開放性三個(gè)級(jí)別。所有學(xué)生必須完成基礎(chǔ)類的題目，學(xué)有余力的學(xué)生可以完成提高類的題目，致力于從事研究的學(xué)生可以完成較難的題目和開放性課題。

②通過線下和線上相結(jié)合的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到教學(xué)相長(zhǎng)的目的。

由于這門課程既涉及數(shù)字信號(hào)處理中的抽象知識(shí)，又涉及編程實(shí)現(xiàn)的問題，僅僅靠課堂時(shí)間來解決學(xué)生的具體問題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。筆者認(rèn)為，可以采用線下教學(xué)和線上答疑相結(jié)合的教學(xué)方式，通過線上答疑解決學(xué)生的個(gè)性化問題，如通過騰訊會(huì)議、微信群、學(xué)習(xí)通等平臺(tái)進(jìn)行;線下課堂主要用于解決學(xué)生的共性問題。學(xué)生遇到的問題和有關(guān)課題的心得體會(huì)隨時(shí)可以發(fā)布到相應(yīng)的平臺(tái)，教師也可以及時(shí)將優(yōu)秀的作業(yè)或?qū)嶒?yàn)放到平臺(tái)上，供大家學(xué)習(xí)和參考。通過學(xué)習(xí)平臺(tái)學(xué)生可以了解不同的課題內(nèi)容，并相互討論，共同學(xué)習(xí)，形成良好的學(xué)習(xí)氛圍。這樣做的目的是培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓他們充分體會(huì)數(shù)字信號(hào)處理理論的作用，更重要的是讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)其中的思路、邏輯、思想和方法。

③編寫從理論知識(shí)到工程實(shí)踐問題的過渡指導(dǎo)，同時(shí)注重運(yùn)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)思路的課程設(shè)計(jì)講義。

講義是實(shí)踐課程的指南，設(shè)計(jì)講義在課程中起著關(guān)鍵作用。實(shí)踐類課程的講義包括課題目的、基本內(nèi)容、課程原理、課程思考題等。針對(duì)課程中存在的問題，筆者主要從三個(gè)方面改進(jìn)實(shí)驗(yàn)講義：第一，講義要起到理論指導(dǎo)和工程問題的銜接作用。應(yīng)突出強(qiáng)調(diào)課題所用關(guān)鍵技術(shù)的物理概念分析，突出解決實(shí)際問題的思路;不應(yīng)把加強(qiáng)工程應(yīng)用與深化數(shù)學(xué)分析對(duì)立起來，應(yīng)該努力尋求理論與實(shí)踐的結(jié)合點(diǎn)。[2]第二，提供典型的案例分析過程。注重闡述案例問題解決的邏輯性，從問題分析、模型建立、編程實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)測(cè)試和結(jié)果分析等多個(gè)方面進(jìn)行。學(xué)生通過案例的學(xué)習(xí)，能夠更快、更規(guī)范地進(jìn)入課題工作。第三，增加利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方法解決實(shí)際問題的思路指導(dǎo)，從數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和運(yùn)算三個(gè)方面考慮問題的求解，適當(dāng)考慮算法的分析和設(shè)計(jì)問題，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生編程的規(guī)范化。教師將抽象的專業(yè)課知識(shí)轉(zhuǎn)化為演示程序，將理論的應(yīng)用通過圖像、音視頻等形式顯示出來，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)和進(jìn)行科學(xué)研究的興趣，同時(shí)通過演示實(shí)例中出現(xiàn)的問題，引起學(xué)生理論和方法層面的思考，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

總結(jié)

“信號(hào)處理工程訓(xùn)練”課程在筆者所在學(xué)校開課多年，該課程越來越得到學(xué)生們的認(rèn)可。筆者認(rèn)為應(yīng)該加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，通過增加結(jié)合實(shí)際的工程案例，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐興趣;通過線上與線下結(jié)合的教學(xué)方式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和解決問題的效率;通過編寫從理論知識(shí)到工程實(shí)踐問題的過渡指導(dǎo)，同時(shí)注重運(yùn)用軟件工程思想的課程設(shè)計(jì)講義，使學(xué)生解決問題規(guī)范化。信號(hào)處理理論的應(yīng)用效果可以通過軟件的形式表現(xiàn)出來，學(xué)生可以直觀地發(fā)現(xiàn)其不足，這又是學(xué)生改進(jìn)和創(chuàng)新的源泉。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭君里，谷源濤.信號(hào)與系統(tǒng)課程歷史變革與進(jìn)展[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（02）：1-6.

[2]鄭君里，谷源濤，試談“信號(hào)與系統(tǒng)”課程理論與實(shí)踐之結(jié)合[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（03）：1-5.

作者簡(jiǎn)介：張新峰（1974—），男，山東寧津人，博士，副教授，研究方向?yàn)橹悄芑畔⑻幚?。竇慧晶（1969—），女，吉林長(zhǎng)春人，博士，副教授，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。賈懋珅（1982—），男，河北張家口人，博士，副教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)橐纛l信號(hào)處理。李暉（1982—），女，山東濟(jì)南人，博士，講師，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

基金項(xiàng)目：教育部-華為技術(shù)有限公司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（40042001202010）、北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究課題重點(diǎn)項(xiàng)目（ER2020A002）、北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)項(xiàng)目“‘?dāng)?shù)字信號(hào)處理共享案例庫構(gòu)建及案例教學(xué)法優(yōu)化策略研究”（編號(hào)：ER2020B008）。