新工科背景下信號(hào)處理類課群體系改革與實(shí)踐

陳純鍇，湯春明，李秀艷，關(guān)雪梅

（天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387）

隨著人工智能技術(shù)發(fā)展，對(duì)智能信息處理技術(shù)人員需求量增加，對(duì)信號(hào)處理相關(guān)專業(yè)的教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量的要求也不斷提高.天津工業(yè)大學(xué)電子信息工程專業(yè)自 2000 年成立以來(lái)積極開(kāi)展信號(hào)處理相關(guān)課程群的建設(shè)工作，按照學(xué)科特點(diǎn)和專業(yè)優(yōu)勢(shì)，在信號(hào)檢測(cè)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等方向進(jìn)行教學(xué)改革與實(shí)踐[1-2].同時(shí)，根據(jù)計(jì)算機(jī)、電子電路以及圖像處理技術(shù)特點(diǎn)，優(yōu)化專業(yè)培養(yǎng)方案結(jié)構(gòu)，最重要的是進(jìn)行課群改革，取得了顯著的人才培養(yǎng)特色.目前，電子信息工程專業(yè)開(kāi)設(shè)信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理等信號(hào)處理類課程，它們都是核心課程.厘清課程間的前后關(guān)系、開(kāi)設(shè)學(xué)期及對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課設(shè)置都很重要，所以在專業(yè)建設(shè)與課程建設(shè)中間增加了課群建設(shè)，信號(hào)處理課程群改革對(duì)本專業(yè)建設(shè)、學(xué)科特色的凝練都起到了積極的促進(jìn)作用，取得了一些成績(jī)，同時(shí)對(duì)其他高校類似的教學(xué)改革與實(shí)踐也有重要參考價(jià)值[3-5].

1 基于新工科的信號(hào)處理類課程群體系

1.1 課程群體系構(gòu)建

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展，新產(chǎn)業(yè)、新工科以及學(xué)科交叉日益增大，為適應(yīng)國(guó)家倡導(dǎo)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的要求，高教司大力推動(dòng)新工科建設(shè)，逐步形成“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”新工科建設(shè)的“三部曲”，在工程教育方面形成了具有中國(guó)特色的新工科新建設(shè)模式[6-8].2020年學(xué)校進(jìn)行了新一輪的培養(yǎng)方案修訂，根據(jù)電子專業(yè)特色及新工科建設(shè)新機(jī)遇，積極進(jìn)行修訂并確定了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用、智能信息處理2個(gè)專業(yè)的培養(yǎng)方向.課程群建設(shè)是當(dāng)前課程改革和建設(shè)的熱點(diǎn)，隨著學(xué)科的相互滲透和交叉，對(duì)原有課程建設(shè)進(jìn)行改革，重新構(gòu)建課程體系結(jié)構(gòu)，從一門(mén)課程建設(shè)向課程群建設(shè)轉(zhuǎn)變，電子信息工程專業(yè)課程體系由三大課程群組成（見(jiàn)圖1）.

圖1 電子信息工程專業(yè)課程體系

專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)信息處理方面的基本理論，以信號(hào)處理與模式識(shí)別技術(shù)為核心，以電路理論與計(jì)算機(jī)為主要工具，探索對(duì)圖像、語(yǔ)音、視頻等信息進(jìn)行處理、分類、理解.受到信息處理方面的基本訓(xùn)練，在信息處理及智能儀器、機(jī)器視覺(jué)及人工智能等領(lǐng)域深入研究，培養(yǎng)具有新工科為背景的新時(shí)代高級(jí)工程技術(shù)人才.在課程體系中以電路與場(chǎng)課群、計(jì)算機(jī)課群為兩翼，信號(hào)處理課群為核心，形成了硬件+軟件+算法的新課程體系，新體系中的信號(hào)處理課群無(wú)疑是建設(shè)的重中之重.

1.2 課程群建設(shè)目標(biāo)

本次課程群體系改革根據(jù)新工科特點(diǎn)，對(duì)電子信息工程專業(yè)相關(guān)課程設(shè)置進(jìn)行改革，將現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)增加到原來(lái)舊的專業(yè)培養(yǎng)方案中.在培養(yǎng)模式上需要有一定的理論創(chuàng)新，形成以智能信息處理為方向，以圖像處理、視頻圖像檢測(cè)與識(shí)別為特色的人才培養(yǎng)模式，增強(qiáng)學(xué)生理論分析能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，從而提高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)水平，獲得高質(zhì)量就業(yè).以新工科模式對(duì)原來(lái)本專業(yè)課程重新組合，通過(guò)凝練特色，形成3個(gè)課程群.通過(guò)教學(xué)改革研究，以科研促進(jìn)教學(xué)改革，加強(qiáng)高水平人才引進(jìn)，打造一流教師隊(duì)伍.以新工科建設(shè)為契機(jī)，做好人才與隊(duì)伍培養(yǎng)工作，提升科研實(shí)力，打造一支動(dòng)手能力強(qiáng)的高水平學(xué)術(shù)隊(duì)伍.結(jié)合線下教學(xué)與線上教學(xué)，改革工程人才培養(yǎng)的新方法，在根本上撼動(dòng)單向灌輸?shù)年惲?xí)，倒逼教師將更多的精力用于教學(xué)[9-12].

1.3 關(guān)鍵問(wèn)題

CDIO 工程教育模式是2000 年后發(fā)展起來(lái)的，由構(gòu)想、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作4個(gè)部分構(gòu)成.根據(jù)工程教育模式構(gòu)造了立體的信號(hào)課程群體系，修改課程內(nèi)容，梳理課程相互關(guān)系，研究新的教學(xué)方法和評(píng)價(jià)方式.信號(hào)與系統(tǒng)課程以模擬信號(hào)分析求系統(tǒng)響應(yīng)，采用三大變換方法進(jìn)行變換域分析，利用系統(tǒng)分析工具、零極點(diǎn)圖和梅森公式解決系統(tǒng)分析問(wèn)題；數(shù)字信號(hào)處理課程側(cè)重點(diǎn)在離散信號(hào)的分析，以離散傅里葉變換為核心，F(xiàn)FT 快速傅里葉變換進(jìn)行算法分析和計(jì)算，IIR 和FIR 濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)和計(jì)算，其中IIR 濾波器設(shè)計(jì)包括脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法，F(xiàn)IR 濾波器則采用窗函數(shù)和頻率采樣法來(lái)設(shè)計(jì)；隨機(jī)信號(hào)分析課程完成隨機(jī)信號(hào)時(shí)域和頻域分析；數(shù)字圖像處理課程側(cè)重二維空間信號(hào)圖像預(yù)處理、圖像增強(qiáng)、圖像分割和圖像檢測(cè)等基本原理和處理方法.這樣，在全局上進(jìn)行設(shè)計(jì)，在課群組統(tǒng)一協(xié)調(diào)，可以避免知識(shí)點(diǎn)的缺失和重疊多次出現(xiàn)在不同課程的現(xiàn)象.

理論和實(shí)踐教學(xué)分配上，打破各自界限，理論課與實(shí)踐課教師必須一人完成，增加實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)比例.按照課群整體優(yōu)化的思路，對(duì)原有教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、更新和整合而成，從而做到在教學(xué)時(shí)數(shù)有較大幅度壓縮的情況下，更好地滿足培養(yǎng)學(xué)生理論基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、能力強(qiáng)的要求.

2 課群建設(shè)方法

2.1 建設(shè)思路

課堂教學(xué)中，按照遞進(jìn)式進(jìn)行理論內(nèi)容的介紹，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的規(guī)律進(jìn)行講解.知識(shí)點(diǎn)之間有承上啟下的描述，內(nèi)容有由此及彼的歸納.在數(shù)學(xué)上定義，在物理上闡述性質(zhì)，在工程上延伸應(yīng)用.以理論知識(shí)為載體，在介紹基本理論中增加復(fù)雜工程問(wèn)題的范例，鍛煉學(xué)生思考分析問(wèn)題能力和解決工程問(wèn)題能力，提高科研和創(chuàng)新能力.根據(jù)這樣課群建設(shè)思路，側(cè)重優(yōu)化課程內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，提高教師授課水平以及增強(qiáng)學(xué)生工程分析和創(chuàng)新能力，發(fā)揮教師在課堂上的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，改革教學(xué)方法，線上線下結(jié)合，加強(qiáng)教師和學(xué)生的互動(dòng)與交流，并在機(jī)制上和評(píng)價(jià)上進(jìn)行跟蹤.依托科研、教學(xué)團(tuán)隊(duì)，提高教師科研教學(xué)水平.科研團(tuán)隊(duì)與教學(xué)團(tuán)隊(duì)可交叉融合但定位職責(zé)要清晰，做到教研相長(zhǎng)[13-15].

2.2 CDIO 模式課群平臺(tái)

CDIO 模式課群平臺(tái)見(jiàn)圖2，第1層是基礎(chǔ)平臺(tái)層，具體有信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理和隨機(jī)信號(hào)分析3門(mén)課程；第2層是專業(yè)核心層，包括數(shù)字圖像處理、機(jī)器視覺(jué)、模式識(shí)別；第3層是特色模塊層，包括人工智能導(dǎo)論、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)處理、語(yǔ)音識(shí)別.針對(duì)信號(hào)處理類課群的課程內(nèi)容既需要深而多的數(shù)學(xué)知識(shí)，又與具體工程聯(lián)系緊密的特點(diǎn)，按照課群整體優(yōu)化的思路，對(duì)原有教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、更新和整合而成，從而做到在教學(xué)時(shí)數(shù)有較大幅度壓縮的情況下，更好地滿足培養(yǎng)學(xué)生理論基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、能力強(qiáng)的要求.在2020 年培養(yǎng)方案制定中，按照CDIO 理念重新修訂教學(xué)大綱.對(duì)聯(lián)系緊密課程知識(shí)進(jìn)行整理，避免知識(shí)交叉，課程組教師講授課程不少于3門(mén)，并且3年一輪換，既增強(qiáng)教師的理論水平，又使得教學(xué)改革進(jìn)一步深入.在教學(xué)過(guò)程深入融入CDIO 工程教育理念：構(gòu)想、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作，加強(qiáng)大學(xué)生思考能力、全局分析能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和實(shí)際動(dòng)手能力.

圖2 CDIO 模式信號(hào)處理課群平臺(tái)

2.3 按知識(shí)點(diǎn)模塊形式梳理教學(xué)內(nèi)容

致力于：信號(hào)處理+案例庫(kù)、信號(hào)處理+思政元素、信號(hào)處理+應(yīng)用實(shí)踐3 種模式.案例庫(kù)來(lái)自課程組教師的科研以及指導(dǎo)學(xué)生的各類電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目，按照3個(gè)知識(shí)模塊進(jìn)行分類，包括單片機(jī)信號(hào)處理，圖像檢測(cè)與識(shí)別信號(hào)處理以及語(yǔ)音信號(hào)處理；課程思政是近年來(lái)國(guó)家倡導(dǎo)的，在教學(xué)過(guò)程中對(duì)大學(xué)生的世界觀、人生觀進(jìn)行引導(dǎo)，增加教學(xué)中科學(xué)家科學(xué)精神和堅(jiān)毅攻關(guān)能力培養(yǎng)，構(gòu)建了每門(mén)課程的思政元素案例庫(kù)，教學(xué)中潛移默化引導(dǎo)和潤(rùn)物無(wú)聲帶入和教育；應(yīng)用實(shí)踐是改革的重點(diǎn)，按照上述構(gòu)建的課程平臺(tái)，增加實(shí)驗(yàn)比例，以科研促進(jìn)教學(xué)，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力.

3 實(shí)踐教學(xué)實(shí)施與效果

（1）2020 級(jí)培養(yǎng)方案已經(jīng)實(shí)施，得到了學(xué)生和專家的廣泛好評(píng).國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)天津研究院電源技術(shù)中心、天津天堰醫(yī)教科技開(kāi)發(fā)有限公司、天津易而速機(jī)器人公司等10 家企業(yè)的專家，同時(shí)天津大學(xué)、天津師范大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)相關(guān)專業(yè)教授對(duì)我校電子信息工程專業(yè)培養(yǎng)方案進(jìn)行了評(píng)議，對(duì)該培養(yǎng)方案給予了認(rèn)可與好評(píng).

（2）面向工程需求，培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力強(qiáng)的應(yīng)用型人才.不斷引進(jìn)具有工程應(yīng)用背景的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，創(chuàng)建了機(jī)器視覺(jué)實(shí)驗(yàn)室、天津工業(yè)大學(xué)-Xilinx 信號(hào)傳輸與處理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、飛思卡爾MCU/DSP 及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室4 個(gè)與現(xiàn)代電子信息技術(shù)相適應(yīng)的先進(jìn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室.這些實(shí)驗(yàn)室成為了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐基地.借助良好的實(shí)驗(yàn)條件，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo)，本專業(yè)學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽取得優(yōu)異成績(jī).2020 年以來(lái)，在全國(guó)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、機(jī)器人大賽、全國(guó)大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)電子競(jìng)賽、全國(guó)物聯(lián)網(wǎng)競(jìng)賽中獲得優(yōu)異成績(jī).

（3）本專業(yè)和相關(guān)電子公司、圖像處理公司建立實(shí)習(xí)實(shí)踐合作，已有500 多名學(xué)生到企業(yè)進(jìn)行了實(shí)習(xí)實(shí)踐，企業(yè)反映學(xué)生動(dòng)手能力強(qiáng)，基本功扎實(shí)，校外實(shí)習(xí)質(zhì)量較高.專業(yè)教師前往天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)對(duì)多家高新企業(yè)進(jìn)行了調(diào)研和參觀，并與企業(yè)專家進(jìn)行了廣泛而深入的交流，加強(qiáng)了校企聯(lián)合科技創(chuàng)新，促進(jìn)智能信息處理技術(shù)產(chǎn)學(xué)研合作，為智能信息處理相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研合作提供了新思路.

4 結(jié)語(yǔ)

本文以天津工業(yè)大學(xué)電子信息工程專業(yè)為例，介紹了以能力培養(yǎng)為主線、分層次的信號(hào)處理課群體系及其關(guān)系，提出了信號(hào)處理課群新體系、建設(shè)思路、理論實(shí)踐教學(xué)結(jié)合新模式，按照信號(hào)處理+案例庫(kù)、信號(hào)處理+思政元素、信號(hào)處理+應(yīng)用實(shí)踐3種模式組織教學(xué)，實(shí)施理論實(shí)踐結(jié)合，提升學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力.通過(guò)2年的實(shí)踐，信號(hào)處理課群建設(shè)與改革取得良好效果.