信號處理多課程互融互通的實驗教學改革與實踐

宋佳乾

［摘 要］文章結合寧夏大學電子信息類專業(yè)基礎核心課程實驗開設情況，提出將多門和信號處理相關的課程實踐教學內(nèi)容相互融合，教學手段相互貫通，以課程群的方式建設信號處理實驗實踐課程，形成“三層四面”的教學體系，“五式”結合的教學方法以及多元化的實驗評價考核指標，重構整個課程群的教學方案。經(jīng)過5學期的教學實踐，課程群形式的實驗教學有效地提高了整個信號處理課程的運行效率，在自主學習意識、知識學習能力、情感價值觀念、動手創(chuàng)新實踐四個培養(yǎng)方面均對學生起到了積極作用，成體系的實驗方案具有推廣應用價值。

［關鍵詞］課程群建設；信號處理；實驗教學改革

［中圖分類號］G642［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）04-0068-05

根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要 （2010-2020 年）》和《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》的精神及課程設置當適應當今社會學科之間的互融互通這一原則，要在制定教學體系時充分考慮課程群的整體建設[1]。信號處理相關課程是電子信息類專業(yè)學生必修的基礎課程[2]，其所附帶的實驗課程更是幫助學生將數(shù)學物理概念轉化為工程概念的“排頭兵”。因此，在課程實驗內(nèi)容、方式、手段、評價環(huán)節(jié)應進行全方位的整合優(yōu)化，形成新的課程體系，促進思政融合產(chǎn)生“1+1>2”的效果[3]，以課程群的方式進行實驗教學改革[4]。

一、信號處理課程群建設初衷

寧夏大學（以下簡稱本校）相關專業(yè)開設了Matlab 語言、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、DSP技術及應用、數(shù)字圖像處理等5門和信號處理相關的專業(yè)選修、必修課程。5門課程的培養(yǎng)計劃均安排有學時不等的實驗實踐教學環(huán)節(jié)，但僅有信號與系統(tǒng)課程有獨立實驗課程，其余4門均為課內(nèi)實驗，且5門課程的實驗均為任課教師自行設計、自行開設，在教學體系方面沒有做到統(tǒng)籌規(guī)劃，在選擇課程實驗內(nèi)容時也僅僅考慮本門課程要達成的目標，沒有和其余課程的知識點交叉關聯(lián)起來，導致課堂教學存在以下問題。

部分學生學習Matlab 語言這門課時，僅將其作為一門計算機編程語言學習，對這門課程在后續(xù)的3門課程學習中的重要性沒有理解，為學而學。

信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、DSP 技術及應用與數(shù)字圖像處理幾門課程在知識點上相互聯(lián)系，信號與系統(tǒng)實驗課程主要采用軟硬結合的方式，數(shù)字信號處理和數(shù)字圖像處理主要采用 Matlab 軟件仿真的實驗形式，DSP 技術及應用采用硬件實驗模式。由于實驗課時緊張，實驗的內(nèi)容和方法選取較為保守，均以驗證性實驗為主，而且在實驗內(nèi)容選擇上出現(xiàn)了重復的情況，例如采樣定理實驗在信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和后續(xù)的通信原理課程實驗中都有選取，雖然三門課程對該定理的應用和要求有所差別，但也應統(tǒng)籌考慮，在不多的實驗課時內(nèi)完成無重疊的實驗實踐內(nèi)容。

五門課的實驗沒有形成整體的實驗教學體系，內(nèi)容選擇也沒有承上啟下，聯(lián)系生活實際的實驗內(nèi)容較少。在實驗方法上，學生僅僅對理論知識進行驗證，觀察實驗現(xiàn)象和結果，遇到設計實驗方案、分析實驗結果等問題時就三緘其口，本質(zhì)還是對理論概念理解不清，導致教學效果大打折扣。

思政映射融入點不清晰，信號處理系列實驗課程中蘊含較多思政育人素材，在課程實驗的教學過程中，應該利用信息媒介、實驗流程講解、實驗結果討論等方式，將思想政治教育內(nèi)容與實踐實驗知識技能教育內(nèi)容有機融合起來。

當前，本校的信號處理相關課程的實驗教學依舊采用Matlab軟件仿真實驗，上課教師先講，學生結合教師的講解觀察教師實驗操作步驟，按照給定的參數(shù)進行編程觀察程序運行情況，基本只能完成驗證性實驗的相關問題，在自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、分析問題的收獲上基本為零。實驗模式的固化導致學生對實驗興趣全無，僅僅為了完成任務而完成實驗，更有甚者，做完實驗仍不知實驗原理是什么，學生工程應用實踐能力得不到提升。實驗內(nèi)容更新緩慢，最終的實驗報告千篇一律，復制粘貼現(xiàn)象嚴重，教師在批改時也無法判定孰是孰非，不利于培養(yǎng)學生的綜合實踐能力。

因此，有必要在信號處理專業(yè)性極強的系列課程實驗教學中開展課程群教學改革研究，做到課程銜接的承前啟后，形成整套的實驗教學體系，優(yōu)化整個課程的實驗教學環(huán)節(jié)，結合理論課程的教學實際情況，開展以少量驗證性實驗為基礎、設計和綜合性實驗為拓展的軟硬結合實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學生成為動手能力強、寬口徑的應用型人才。

二、信號處理課程群教學模式改革思路

建立課程群的目的是對所有信號處理相關課程統(tǒng)一規(guī)劃，其中包含對整個教學模式進行再設計的過程。

（一）制定“多層次、自易而難、互相統(tǒng)一”的實踐教學體系

按照“加強基礎、拓寬專業(yè)，強化實踐、突出能力、注重創(chuàng)新、體現(xiàn)個性”的教育理念[5]，根據(jù)工程認證相關要求并結合本專業(yè)人才培養(yǎng)和畢業(yè)要求，統(tǒng)籌規(guī)劃信號處理課程群五門實驗課程教學方案，在考核評價和目標達成方面統(tǒng)一謀劃，加入多個工程實踐案例，以應用工具學習為基礎、提升學生理論實踐能力為要求、培養(yǎng)學生探索創(chuàng)新能力為目標，建立包括語言工具層次、基礎實驗層次、綜合實驗層次的“多層次、自易而難、相互統(tǒng)一”的實驗實踐教學體系，最終服務于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力（見圖1）。? [信

（二）形成自主式、合作式、研究式及結合式的實驗教學方法

信號處理課程群的幾門實驗教學課程以發(fā)揮學生的主觀能動性為主，學生可以在教師及大綱要求的實驗內(nèi)容下自主選擇感興趣的實驗項目。針對驗證性實驗，可以提供實驗原理和實驗儀器，由學生自主完成，設計性實驗則考查學生對知識的理解與掌握程度，不設置統(tǒng)一的實驗步驟和內(nèi)容，利用實驗室現(xiàn)有的設備和耗材完成實驗。

課程群實驗中開設一些項目性實驗內(nèi)容，學生通過查閱文獻、綜合設計、團隊協(xié)作、總結歸納等方式以小組形式完成實驗項目。要求學生自己組成3～4人的小組，互相商討決定實驗方案，集體現(xiàn)場完成實驗，并將結果寫成論文的形式上傳至電子實驗報告中。

通過“自主式、合作式、研究式”的實驗，可以改變現(xiàn)有的教師教、學生復制一遍教師操作的教學方法。學生選擇自己感興趣的實驗項目后，分析具體問題，思考理論學習內(nèi)容，結合實驗設備及工具，設計實驗流程，完成實驗，驗證實驗結果的正確性，最終分析實驗結果。經(jīng)過這一系列學習，學生可以加深對理論知識的理解，在實驗環(huán)節(jié)中增強思維能力，及時修正自己的實驗方案，得到正確的結果，從而加強理論聯(lián)系實際的能力。

（三）構建多元化的學生成績考核辦法

實驗教學內(nèi)容增加相應的難度，使用綜合課程設計的方式作為課程最后評價的方式，改變實驗報告撰寫“定終身”的習慣做法，增加形成性評價環(huán)節(jié)，教師在實驗過程中通過觀察及提問有效評價學生對實驗原理、方法、結果的理解與掌握程度。

以考核學生實驗項目成績?yōu)槔?，根?jù)專業(yè)認證四個目標分解情況，在實驗考核方法上，主要考核內(nèi)容將包含以下幾個部分：（1）課前考查環(huán)節(jié)，主要考查上一次實驗思考問題、實驗預習報告的完成情況；（2）課中實驗操作環(huán)節(jié)，主要包括學生實驗設計和操作流程、實驗小組互評、結果記錄分析等；（3）課后作業(yè)環(huán)節(jié)，主要是電子化實驗報告的上傳評分以及最終課程論文的考核評價。課程結束后計算課程目標達成度，反饋實驗教學設計，進一步評價實驗教學目標達成。在評價過程中，嚴格按照課程群實驗方案中的考核評價細則規(guī)范打分。

教師在相關課程教學方案設計之間加強溝通聯(lián)系，真正做到課程銜接的承前啟后，緊跟社會發(fā)展前沿熱點，不斷更新、完善實驗教學內(nèi)容，將創(chuàng)新與實際應用相結合，改善教學模式，圍繞工程認證人才培養(yǎng)目標設置評價方式方法，形成以過程性評價為主，輔以學生自主評價的新模式。

三、信號處理課程群實驗教學實踐

信號處理課程群中各門課程的教學安排見表1。

課程的基礎模塊是Matlab語言，其作為后續(xù)4門課程中均要使用的語言工具，在大二上學期首先開課，主要是講解Matlab軟件的使用和編程方法，作為基礎應用型課程和課程群實驗課程仿真工具，需要率先激發(fā)學生的學習興趣。信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理兩門課程具有很強的相關性，重點學習信號通過系統(tǒng)獲得的響應問題，以時域、頻域、復頻域求解方法為主，先連續(xù)后離散。其實驗課程進行濾波器的設計，圍繞怎樣將信號處理的基本理論算法付諸實踐，作為專業(yè)基礎課和專業(yè)必修課程的實驗內(nèi)容，其奠定了課程群以及后續(xù)工程應用的基礎。DSP技術與應用承接上述兩門課程，講解數(shù)字信號處理理論和算法的硬件實現(xiàn)，數(shù)字圖像處理則是更為提升學生的學習寬廣度，從一維信號向二維信號邁進，幫助學生掌握使用軟件工具處理圖像的基本方法，以及常用的圖像處理軟件的原理。幾門課程之間的關聯(lián)性極高，相互交叉、相互融合、相互貫通，在實踐過程中需要統(tǒng)一設置“價值引領、知識探究、能力建設、態(tài)度養(yǎng)成”的四維教學目標，重新編制教學大綱，對相同的內(nèi)容進行整合刪減，加入實踐應用型項目，最終實現(xiàn)課程層層遞進、自易而難的“三層四面”設計體系（見圖2）。

實驗教學改革中將工程應用放在首位，統(tǒng)領各個實驗課程目標設置及課程方案，制定“驗證+設計+綜合”實驗實踐計劃，統(tǒng)一各課程評價標準，建立電子化實驗內(nèi)容講解和報告提交模式。

（一）實驗教學方式

摒棄現(xiàn)行的以教師為中心、“全程灌輸+少許板書”式的實驗原理講解教學形式，重新制作課程群實驗教學多媒體課件，結合“多媒體+板書”的形式，充分發(fā)揮多媒體教學在信號系列課程中的優(yōu)勢。例如，在Matlab語言的繪圖實驗中，以高等數(shù)學中最美的曲線“心型線”為例，讓學生能直觀地看到數(shù)學知識的立體化、動畫化；在信號與系統(tǒng)的硬件實驗中，將實驗板投射到PPT中，直接連線，模擬結果，二者結合可將理論性較強的概念變得易于理解，在講解課程的同時，利用雨課堂完成實驗報告中目的、設備、原理部分的填寫，實驗結束學生按要求直接上傳實驗結果，完成整個實驗的過程。

采用問題啟發(fā)式教學，結合自主式、合作式、研究式及結合式教學方法形成“五式”教學模式，重點關注學生發(fā)現(xiàn)、提出、解決問題的習慣養(yǎng)成。例如，在Matlab語言教學實驗的第一節(jié)課中，展示Matlab軟件在圖像、信號、通信、繪圖等方面的應用問題，引發(fā)學生學習興趣；在信號與系統(tǒng)的卷積實驗中，利用卷積和的原理處理圖片上的污點，激發(fā)學生的問題意識；在數(shù)字圖像處理實驗中介紹解決血液樣本顯微圖像中細胞計數(shù)這一問題；等等。做到每節(jié)課都有問題、有思考、有結果。

（二）實驗教學內(nèi)容

整個課程群的實驗教學體系采用的軟件工具為Matlab和Code Composer Studio，硬件設備為LTE-XH-03A信號與系統(tǒng)綜合實驗箱和ICETEK-DM6437-A評估板，按照制定的“三層四面”教學體系，將40個實驗內(nèi)容優(yōu)化調(diào)整，刪除重復實驗，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力為目標，制定從驗證性實驗到設計性到綜合性實驗的總流程，低年級以驗證性實驗為主，高年級以綜合性實驗為主。同時，以承上啟下作為選取實驗內(nèi)容的基本原則，從而形成如圖3所示的實驗內(nèi)容。

工具軟件應用方面主要包含Matlab軟件和兩個硬件實驗箱的基本操作講解，目的是幫助學生掌握實驗課程群軟硬件平臺的基本操作，以簡單的驗證性實驗考查學生對軟硬件的熟悉程度，為下一步進行較高難度的驗證性和設計性實驗打下基礎。

驗證設計實踐方面含有兩個部分：一是純驗證性實驗，在工具應用實驗的基礎之上，以信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理這兩門整個課程群的重點課程為主，選取其基礎重點內(nèi)容設計實驗，從而加深學生對重點知識的理解，逐步提升學生對基礎實驗的基本技能掌握程度和理論落地實踐的意識。二是設計為主、驗證為輔的設計性實驗，主要是考查學生實驗設計能力，講解這部分實驗內(nèi)容的時候，首先完成理論的軟硬件驗證，隨后要求學生根據(jù)給定的參數(shù)自行按照前述驗證性實驗的步驟完成實驗設計并實現(xiàn)，增強學生解決問題的能力。

綜合設計實踐方面主要要求學生運用前面所學習的課程群中相關課程的理論和實踐知識解決難度適中的信號處理和圖像處理的相關問題，體現(xiàn)課程的“高階性”，學生獨立完成課程實驗，撰寫課程項目工作報告，完成所屬實驗課程。設置這一環(huán)節(jié)的目的是要求學生在掌握基本的設計工具和基礎操作的前提下，根據(jù)多門課程學習的知識綜合運用所學習到的知識、編程技巧，對提出的問題進行綜合設計實現(xiàn)，提高解決工程實踐問題的能力。

信號處理課程群實驗教學以層層遞進的實驗教學體系和開放性的實驗教學內(nèi)容為基礎，拓展學生的知識層面，提升其創(chuàng)新實踐能力。自2021年進行教學改革以來，課程群教師積極指導學生參與大學生數(shù)學建模、電子設計競賽、大學生創(chuàng)新項目等，成績斐然，尤其是指導本科生獲得“基于Matlab的數(shù)字音頻信號處理系統(tǒng)”的軟件著作權，充分體現(xiàn)了課程工程應用的落地實效。

四、結語

課程群建設根據(jù)本校特點，結合新工科實驗實踐活動要求，突破課程單一化的局限性，統(tǒng)籌規(guī)劃信號處理系列實驗實踐課程的內(nèi)容和體系，堅持在實驗教學中做到科學性與價值性、知識性與思想性的辯證統(tǒng)一，配合理論課積極融入課程思政內(nèi)容，明確在實驗課程中培養(yǎng)學生的科學精神、工匠精神、規(guī)矩意識和團隊精神。通過教學目標、學習需求、教學過程、評價方式、持續(xù)改進的實驗教學模式，形成前后銜接、不斷強化深入的實驗內(nèi)容和體系化的實施方案，更符合社會對本專業(yè)學生能力的要求，學生在價值、知識、能力、態(tài)度四個維度均得到了有目共睹的提升。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 李鴻燕，張雪英，史健芳，等.“數(shù)字信號處理”課程群教學實踐改革[J].電氣電子教學學報，2019，41（3）：26-29.

[2] 李敏通，趙繼政，吳婷婷，等.信號處理類課程群課程體系建設與教學改革探討[J].高教學刊，2015（14）：90-91.

[3] 向澤，周衛(wèi).“新工科+大思政”視角下基礎工程多元融合教學模式構建[J].高教學刊，2023，9（24）：116-119.

[4] 陳純鍇，湯春明，李秀艷，等.新工科背景下信號處理類課群體系改革與實踐[J].高師理科學刊，2022，42（12）：86-89.

[5] 李敏，劉俊.“信號處理”課程群實驗實踐教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2020（23）：156-158.

［責任編輯：雷 艷］