新工科背景下信號(hào)與信息處理課程群構(gòu)建

王麗 王威 張楊梅

摘? 要：新工科的內(nèi)涵及特征使得新工科專業(yè)課程體系改革和課程建設(shè)較其他專業(yè)而言難度更大、挑戰(zhàn)度更高，培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才是新工科建設(shè)及發(fā)展的重要指標(biāo)，對(duì)專業(yè)課程建設(shè)提出了新要求。在新工科背景下，文章對(duì)信號(hào)與信息處理課程群的內(nèi)涵、理論教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)資源建設(shè)進(jìn)行探討，以期將課程群建設(shè)應(yīng)用到電子信息工程專業(yè)和通信工程專業(yè)的教學(xué)改革，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：新工科;課程建設(shè);課程群

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2021）08-0065-04

Abstract： The connotation and characteristics of the new engineering discipline make the reform of the new engineering professional course system and course construction more difficult and challenging than other majors. High-quality compound talents are an important indicator of the construction and development of new engineering disciplines， and new requirements are put forward for the construction of professional courses. Under the background of new engineering， the article discusses the connotation of signal and information processing course group， the optimization of theoretical teaching content， and the optimization of practical teaching content， and the teaching resource construction， in order to apply the construction of the course group to the teaching reform of electronic information engineering and communication engineering majors， and promote talents training quality.

Keywords： new engineering; course construction; course group

課程體系及其課程是人才培養(yǎng)的主要載體，是專業(yè)人才培養(yǎng)方案的核心內(nèi)容，關(guān)系到人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的落實(shí)。新工科建設(shè)的目的是培養(yǎng)造就引領(lǐng)未來技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程技術(shù)人才，為我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)提供人才保障[1]。在新工科背景下，課程建設(shè)應(yīng)該與學(xué)科建設(shè)交叉滲透，利用課程群對(duì)課程體系進(jìn)行優(yōu)化，要充分考慮新工科專業(yè)的工程教育屬性，還要注重不同高校新工科專業(yè)建設(shè)的優(yōu)勢(shì)和特色。在課程體系建設(shè)過程中，需要提升學(xué)生對(duì)課程的深入理解，充分考慮當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的變化，更要滿足未來行業(yè)發(fā)展的需求，培養(yǎng)創(chuàng)新型的高素質(zhì)人才[2]。

電子信息工程專業(yè)和通信工程專業(yè)，面向現(xiàn)代電子技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)，培養(yǎng)具備現(xiàn)代電子技術(shù)理論、通曉電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)方法，能在信息通信、電子技術(shù)等領(lǐng)域從事各類電子設(shè)備和信息系統(tǒng)的科學(xué)研究、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

在培養(yǎng)過程中，要求學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論和基本能力，了解學(xué)科專業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，具有科學(xué)的思維方式和開拓精神。課程設(shè)置方面，主要核心課程均是信號(hào)處理內(nèi)容，課程的聯(lián)系非常緊密。傳統(tǒng)的課程建設(shè)僅考慮單門課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)效果，造成資源的重復(fù)建設(shè)和浪費(fèi)，無法培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用的能力。因此，對(duì)課程資源進(jìn)行整合優(yōu)化，針對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)的需要，構(gòu)建課程群將成為本科專業(yè)學(xué)科建設(shè)的基礎(chǔ)[3]。

一、信號(hào)與信息處理課程群內(nèi)涵

課程群是由本專業(yè)或跨專業(yè)的若干門在知識(shí)、方法等方面有邏輯聯(lián)系的幾門課程構(gòu)成的一個(gè)體系。與單門課程建設(shè)不同，課程群建設(shè)過程中，更多的是要考慮到不同課程在學(xué)生專業(yè)發(fā)展過程中所起到的作用。將不同課程的內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化，減少不必要的重復(fù)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)大課程建設(shè)的目的，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)的能力[4]。

針對(duì)電子信息類專業(yè)的信號(hào)與信息處理課程群建設(shè)，包括《信號(hào)與系統(tǒng)》《數(shù)字信號(hào)處理》《數(shù)字圖像處理》三門課程，這些課程對(duì)電子信息工程和通信工程專業(yè)學(xué)生的知識(shí)與能力培養(yǎng)具有重要的作用。表1給出西安某本科院校電子工程學(xué)院開設(shè)這三門課程的安排。從課程安排來看，這三門課程在教學(xué)時(shí)間上前后銜接，教學(xué)內(nèi)容從信號(hào)分析基礎(chǔ)內(nèi)容到信號(hào)處理算法研究，再到信號(hào)處理的圖像應(yīng)用方面，層層遞進(jìn)，對(duì)學(xué)生信號(hào)分析與信號(hào)處理知識(shí)架構(gòu)的形成起到良好的作用。

《信號(hào)與系統(tǒng)》課程側(cè)重于連續(xù)時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)的分析，屬于信號(hào)分析類課程，且大量實(shí)踐教學(xué)的開展有助于學(xué)生對(duì)信號(hào)和系統(tǒng)的基本概念有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)?！稊?shù)字信號(hào)處理》課程側(cè)重于信號(hào)處理算法的研究，要求學(xué)生會(huì)使用MATLAB仿真軟件進(jìn)行工程問題的簡(jiǎn)單求解?！稊?shù)字圖像處理》課程利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像實(shí)現(xiàn)去噪、增強(qiáng)、復(fù)原等，是信號(hào)處理的重要應(yīng)用方面，為學(xué)生進(jìn)行后續(xù)的科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。只有將這三門課程建設(shè)成為一個(gè)有機(jī)的整體，挖掘它們內(nèi)在的聯(lián)系，才能夠有效發(fā)揮課程群建設(shè)的優(yōu)勢(shì)[5]。

二、理論教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

課程群建設(shè)是對(duì)教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃的重新設(shè)計(jì)。針對(duì)這三門課程的講授內(nèi)容和教學(xué)課時(shí)的不同，在課程群建設(shè)過程中，應(yīng)該統(tǒng)一制定教學(xué)大綱。在教學(xué)大綱的統(tǒng)一制定過程中，要對(duì)各門課程的重點(diǎn)進(jìn)行劃分，將每一個(gè)課程目標(biāo)分解成相對(duì)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，明確不同課程在課程群中的定位，從而確定課程群中每門課程的目標(biāo)。

在培養(yǎng)目標(biāo)分解過程中，強(qiáng)調(diào)相對(duì)獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的主要目的是避免各個(gè)課程內(nèi)容的重復(fù)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，刪除重復(fù)部分，體現(xiàn)課程的遞進(jìn)關(guān)系，使學(xué)生能夠在回顧過去內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對(duì)未來課程的重點(diǎn)有目標(biāo)性的認(rèn)識(shí)。

首先，《信號(hào)與系統(tǒng)》是先修課程，其前導(dǎo)課程是電路分析、高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)等內(nèi)容。其重點(diǎn)講述的是線性時(shí)不變系統(tǒng)的分析方法，包括信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域分析、頻域分析和復(fù)頻域分析，對(duì)高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，重點(diǎn)是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工程實(shí)踐項(xiàng)目的認(rèn)識(shí)，完成從數(shù)學(xué)建模、數(shù)學(xué)描述到系統(tǒng)分析的全過程，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)將工程項(xiàng)目用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述和分析[6]。

在《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的最后，還包含離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域分析、Z域分析等內(nèi)容，培養(yǎng)的是學(xué)生將連續(xù)時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)抽樣構(gòu)建離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換能力，讓學(xué)生從生活中的模擬信號(hào)過渡到計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)。

相比其他兩門課程，《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的課時(shí)較多，還包含1周的課程設(shè)計(jì)。在這些實(shí)踐課時(shí)中，應(yīng)該更多地安排學(xué)生利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，弄清楚信號(hào)和系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)中的描述方式，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

其次，《數(shù)字信號(hào)處理》課程包含的內(nèi)容是：離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的分析、離散傅里葉變換及其快速算法，以及數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，還有數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用部分。

由于離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的分析、離散傅里葉變換已經(jīng)在《信號(hào)與系統(tǒng)》課程中學(xué)習(xí)過，不再作為此課程的重點(diǎn)內(nèi)容。但是，要著重講述從模擬時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)到數(shù)字信號(hào)與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換過程，讓學(xué)生樹立起數(shù)字信號(hào)與系統(tǒng)分析處理的概念。

因此，《數(shù)字信號(hào)處理》課程的重點(diǎn)應(yīng)該放在數(shù)字濾波器的理論和數(shù)字信號(hào)處理器的實(shí)踐內(nèi)容。在講述數(shù)字濾波器的過程中，應(yīng)該采用項(xiàng)目式的教學(xué)，對(duì)照工程實(shí)踐項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)為目的，讓學(xué)生嘗試采用窗函數(shù)法、脈沖響應(yīng)不變法、雙線性變換法等設(shè)計(jì)不同的IIR或者FIR濾波器，以體會(huì)不同設(shè)計(jì)方法在工程應(yīng)用中的不同作用。特別是在實(shí)踐教學(xué)過程中，應(yīng)該著重于培養(yǎng)學(xué)生利用MATLAB軟件和硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的基本算法[7]。

最后，《數(shù)字圖像處理》課程重點(diǎn)講述的是，利用數(shù)字信號(hào)處理的基本理論和方法，對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)、變換、復(fù)原、壓縮、分割等操作，是信號(hào)處理的重要應(yīng)用領(lǐng)域[8]。該門課程的概念多、內(nèi)容抽象、入門較難，因此在選擇教材時(shí)，就應(yīng)該選擇以實(shí)踐為導(dǎo)向，以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)來介紹數(shù)字圖像處理的教材。

著重讓學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)，進(jìn)行實(shí)踐操作，采用MATLAB軟件作為輔助教學(xué)工具，既能提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)編程能力，又能夠讓學(xué)生深刻理解和掌握?qǐng)D像處理的理論和方法。通過實(shí)踐平臺(tái)的應(yīng)用，能夠讓學(xué)生真正感受到數(shù)字信號(hào)處理算法和理論在工程實(shí)踐中的作用，提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

綜上所述，通過分析《信號(hào)與系統(tǒng)》《數(shù)字信號(hào)處理》《數(shù)字圖像處理》等三門課程的教學(xué)內(nèi)容，對(duì)其教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行一定程度上的優(yōu)化，對(duì)其課程大綱進(jìn)行統(tǒng)一修訂。雖然每門課程仍然獨(dú)立授課，但是通過教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，建立起三門課程的緊密聯(lián)系，對(duì)學(xué)生知識(shí)架構(gòu)的形成起到良好作用，信號(hào)與信息處理課程群教學(xué)內(nèi)容分布圖如圖1所示。

三、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

重理論輕實(shí)踐仍然是目前我國(guó)高校在工程教育上存在的普遍問題。在現(xiàn)有的教學(xué)過程中，課程體系充滿理論課程，理論學(xué)習(xí)效果不佳;實(shí)踐環(huán)節(jié)課時(shí)不足，學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力難以達(dá)標(biāo)。因此，在新工科專業(yè)課程體系建設(shè)過程中，要注重理論課程與實(shí)踐課程的結(jié)合，提高理論課程學(xué)習(xí)效果，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

在獨(dú)立的授課計(jì)劃中，《信號(hào)與系統(tǒng)》《數(shù)字信號(hào)處理》《數(shù)字圖像處理》有各自的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，三門課程之間相互獨(dú)立，沒有對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力進(jìn)行系統(tǒng)的培養(yǎng)。在課程群建設(shè)過程中，我們也需要對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。在完成每門課程的教學(xué)任務(wù)后，應(yīng)該有綜合性實(shí)驗(yàn)或相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)，以促進(jìn)課程群中各門課程理論知識(shí)的交叉融合。

同時(shí)，創(chuàng)新能力培養(yǎng)是衡量一所高校人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，新工科專業(yè)人才建設(shè)培養(yǎng)更應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。創(chuàng)新能力是現(xiàn)代社會(huì)對(duì)人才的普遍要求，在課程群建設(shè)過程中，要根據(jù)各課程與前導(dǎo)課程、后續(xù)課程的邏輯關(guān)系，明確本課程在學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)中應(yīng)該起到的作用，努力從多個(gè)角度為學(xué)生展示科學(xué)技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程，為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)貢獻(xiàn)力量。

在課程群建設(shè)過程中，根據(jù)三門課程的邏輯關(guān)系，按照基礎(chǔ)、綜合到創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思路，建立遞進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)體系[9]。實(shí)踐教學(xué)以MATLAB為軟件工具，以TMS320F2812為實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，將課程群內(nèi)各實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容分類為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)[10]，如圖2所示。

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要是《信號(hào)與系統(tǒng)》和《數(shù)字信號(hào)處理》課程的主要教學(xué)內(nèi)容，以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，讓學(xué)生對(duì)信號(hào)、系統(tǒng)、圖像等的計(jì)算機(jī)描述進(jìn)行直觀感受，實(shí)現(xiàn)可視化教學(xué)，提高學(xué)生對(duì)抽象概念學(xué)習(xí)的興趣，為學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行工程實(shí)踐操作奠定基礎(chǔ)。

綜合性實(shí)驗(yàn)主要是《數(shù)字信號(hào)處理》和《數(shù)字圖像處理》的主要教學(xué)內(nèi)容，以應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)為主，利用基本的數(shù)字信號(hào)處理算法對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)和對(duì)圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。學(xué)生能夠觀察到語(yǔ)音信號(hào)或者二維圖像經(jīng)過處理后的變化，而且能夠?qū)⑺鶎W(xué)內(nèi)容與工程項(xiàng)目聯(lián)系起來，看到所學(xué)的理論知識(shí)內(nèi)容在社會(huì)生活中的作用，提高學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的熱情。

創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)涵蓋三門課程，主要內(nèi)容是采用信號(hào)、系統(tǒng)的基本算法，對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)踐操作，從數(shù)學(xué)描述、數(shù)學(xué)建模、信號(hào)處理、系統(tǒng)輸出等方面，模擬數(shù)字信號(hào)處理類工程實(shí)際問題，找尋問題的解決方法，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

四、教學(xué)資源建設(shè)

教學(xué)資源建設(shè)是課程建設(shè)的必要條件和重要環(huán)節(jié)。教學(xué)資源建設(shè)主要包含教材建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)等。

教材不僅是對(duì)教學(xué)方法和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，更是教學(xué)所依賴的重要輔助材料。它是根據(jù)教學(xué)大綱和實(shí)際需要，為師生教學(xué)應(yīng)用而編寫的材料等，它是衡量學(xué)校教學(xué)和科研水平的重要標(biāo)志。教材與教學(xué)質(zhì)量有著非常緊密的聯(lián)系。教材建設(shè)對(duì)信號(hào)與信息處理課程群的建設(shè)非常重要。首先，教材應(yīng)該針對(duì)電子信息工程專業(yè)和通信工程專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行編寫，在確保完整的課程體系的同時(shí)，要注重對(duì)基本概念和原理的描述[10]。

在《信號(hào)與系統(tǒng)》教材中，若已經(jīng)包含了離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域分析和Z域分析，則《數(shù)字信號(hào)處理》教材就將重點(diǎn)放在模擬信號(hào)系統(tǒng)到數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，不再贅述具體的信號(hào)與系統(tǒng)處理的內(nèi)容，以保證教學(xué)內(nèi)容的銜接和優(yōu)化。在《數(shù)字信號(hào)處理》教材的實(shí)踐應(yīng)用部分，應(yīng)該提及圖像處理的案例分析，讓學(xué)生明確數(shù)字信號(hào)處理在圖像處理中的應(yīng)用，從而建立起與《數(shù)字圖像處理》的連接。

教材與MATLAB軟件結(jié)合，以簡(jiǎn)單直觀的方式來講解知識(shí)點(diǎn)，能夠提高學(xué)生對(duì)基本概念的理解。另外，教材的每一章節(jié)后都應(yīng)該附有綜合性的理論習(xí)題和上機(jī)習(xí)題，讓學(xué)生將理論知識(shí)和實(shí)踐緊密結(jié)合在一起。在教材的最后，還應(yīng)該附上一些工程實(shí)踐類題目，讓學(xué)生通過調(diào)研、查閱資料，找到問題的解決方案，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立自主實(shí)踐的能力[11]。

建設(shè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源在課程群建設(shè)過程中占有非常重要的位置，能夠?qū)F(xiàn)代教育理念與思想進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在制作網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源時(shí)，不能僅僅將教學(xué)課件上傳到網(wǎng)站，必須要注重不同課程之間的關(guān)聯(lián)性。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的建設(shè)可以按照“課程——課程群”的方向來逐漸擴(kuò)展[13]。

首先，我們要開發(fā)形成每門課程獨(dú)立的資源網(wǎng)站，從教學(xué)課件、網(wǎng)絡(luò)課程等資源對(duì)象中提取出優(yōu)秀的素材。在資源內(nèi)容的選擇上，要重點(diǎn)設(shè)計(jì)和制作能夠結(jié)合教學(xué)需要、促進(jìn)學(xué)習(xí)效果的資源;在資源的存儲(chǔ)上，要方便學(xué)生和教師快捷檢索和查詢。最重要的是，要注意資源的開放性，就是要允許其他教師對(duì)教學(xué)資源進(jìn)行設(shè)計(jì)制作，以滿足不同學(xué)生的需要。

其次，我們要根據(jù)課程群建設(shè)的需要，通過利用教育技術(shù)手段，應(yīng)用現(xiàn)代教學(xué)方法，對(duì)不同課程資源進(jìn)行整合優(yōu)化。不同課程資源之間要進(jìn)行資源共享，增加課程銜接的相關(guān)內(nèi)容，構(gòu)建良好的教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境，促進(jìn)教師與學(xué)生的互動(dòng)，構(gòu)建教學(xué)研一體的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。在此過程中，不同課程的任課教師要形成教學(xué)團(tuán)隊(duì)，共同探索教學(xué)資源的組織實(shí)施，破解教學(xué)難題，增強(qiáng)教學(xué)效果，有效調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

五、結(jié)束語(yǔ)

信號(hào)與信息處理課程群建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期系統(tǒng)的工作，本文對(duì)《信號(hào)與系統(tǒng)》《數(shù)字信號(hào)處理》《數(shù)字圖像處理》三門課程進(jìn)行分析，對(duì)其理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化，并對(duì)教學(xué)資源建設(shè)進(jìn)行了探討。后期將該項(xiàng)探索應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，以期能夠提升教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)適應(yīng)新工科人才要求的具有行業(yè)背景知識(shí)及工程實(shí)踐能力的應(yīng)用型技能型人才。

參考文獻(xiàn)：

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