新形勢(shì)下信號(hào)處理綜合實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

摘 要：當(dāng)前，高等教育正在全面提升教育服務(wù)能力，以培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，為構(gòu)建新發(fā)展格局提供堅(jiān)強(qiáng)支撐。在此種新形勢(shì)下，針對(duì)電子信息類專業(yè)單門課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目知識(shí)面拓展不夠、系統(tǒng)性缺乏的現(xiàn)狀，依托基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信號(hào)處理綜合實(shí)踐平臺(tái)，構(gòu)建“線上+線下”融合的綜合實(shí)踐教學(xué)模式。引入工程項(xiàng)目實(shí)例作為實(shí)踐內(nèi)容，拆解項(xiàng)目為各個(gè)知識(shí)模塊，學(xué)生通過碎片化的積累、模塊化的學(xué)習(xí)，像搭積木一樣完成整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，由此可以融會(huì)貫通地掌握專業(yè)大類核心課程的知識(shí)。信號(hào)處理綜合實(shí)踐教學(xué)充分將課內(nèi)與課外融合、虛擬和現(xiàn)實(shí)融合，強(qiáng)調(diào)學(xué)生主體性、主動(dòng)性以及教師的導(dǎo)向作用。應(yīng)用效果表明，該模式能有效激發(fā)教學(xué)活力，提高專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：“線上+線下”；物聯(lián)網(wǎng)；信號(hào)處理；綜合實(shí)踐；融合教學(xué)；教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：TP39；TN914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）11-0-04

0 引 言

為適應(yīng)和引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)，服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展大局，黨中央、國(guó)務(wù)院明確要求高等教育要回歸以本為本，旨在培養(yǎng)具有較強(qiáng)社會(huì)適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。教育部2022年工作要點(diǎn)中也提出要全面提升教育服務(wù)能力，為構(gòu)建新發(fā)展格局提供堅(jiān)強(qiáng)支撐[1]。高校實(shí)踐教學(xué)是落實(shí)立德樹人新要求，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。我校作為省級(jí)特色應(yīng)用型本科示范建設(shè)高校，在服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、工程教育專業(yè)認(rèn)證及實(shí)踐類課程教學(xué)方面取得了比較豐碩的成果。信號(hào)處理綜合實(shí)踐是我校面向電子信息工程、通信工程及電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生而開設(shè)的綜合性專業(yè)實(shí)踐教學(xué)課程，在培養(yǎng)學(xué)生樹立工程意識(shí)、解決工程問題的能力方面發(fā)揮了重要作用。受新冠疫情等大規(guī)模突發(fā)事件的影響，大范圍、集中線上教學(xué)已成為新常態(tài)。今后，線上、線下混合式教學(xué)模式也必將常態(tài)化[2]。為了適應(yīng)新形式，實(shí)踐教學(xué)模式和內(nèi)容設(shè)置也要具備更強(qiáng)的靈活性和自主性，更大程度地為學(xué)生提供沉浸式、全過程、全要素的綜合實(shí)踐項(xiàng)目。搭建開放自由的學(xué)習(xí)環(huán)境，強(qiáng)化過程管理與評(píng)價(jià)，探索數(shù)字化實(shí)踐教學(xué)新體系[3-5]?；凇熬€上+線下”融合的教學(xué)模式，本文設(shè)計(jì)了信號(hào)處理綜合實(shí)踐教學(xué)框架。通過引入工程項(xiàng)目實(shí)例作為實(shí)踐內(nèi)容，拆解項(xiàng)目為各個(gè)知識(shí)模塊，學(xué)生可以方便地通過碎片化的積累、模塊化的學(xué)習(xí)，像搭積木一樣完成整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，進(jìn)而可以融會(huì)貫通地掌握專業(yè)大類核心課程的知識(shí)。

1 綜合實(shí)踐教學(xué)理念

電子信息與通信類專業(yè)的核心課程有信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、通信原理、高頻電子技術(shù)應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。傳統(tǒng)單門課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)H針對(duì)課程本身相關(guān)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)設(shè)置，知識(shí)面拓展不夠、缺乏系統(tǒng)性；并且2個(gè)學(xué)時(shí)的線下實(shí)驗(yàn)室教學(xué)也難以充分培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力被削弱。有限的時(shí)間內(nèi)，師生之間缺少交流，教師也無法全面且細(xì)致地滿足學(xué)生個(gè)性化的訴求[6-9]。

綜合實(shí)踐教學(xué)是基于系統(tǒng)集成的理念，以工程項(xiàng)目實(shí)例為對(duì)象，把整個(gè)項(xiàng)目拆解成子模塊，再細(xì)化到具體科目的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。課程內(nèi)容之間有機(jī)聯(lián)系，完成項(xiàng)目的同時(shí)也將專業(yè)核心知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)，讓學(xué)生可以更好地理解每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)及其在具體工程中的應(yīng)用。學(xué)生分別完成模塊設(shè)計(jì)，再像搭積木一樣完成系統(tǒng)集成。這種模式極大地降低了學(xué)習(xí)難度，增強(qiáng)了學(xué)生的參與意識(shí)，提升了學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

目前，“線上+線下”融合的教學(xué)模式優(yōu)勢(shì)在于能將課內(nèi)與課外知識(shí)聯(lián)系起來。踐行虛擬和現(xiàn)實(shí)全場(chǎng)景、設(shè)計(jì)過程全要素、師生全參與的能力培養(yǎng)方案。實(shí)現(xiàn)這種融合模式的前提是構(gòu)建集教研、教學(xué)、互動(dòng)溝通為一體的在線綜合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，為師生提供開源共享的學(xué)習(xí)資源。內(nèi)容板塊包含項(xiàng)目應(yīng)用背景、項(xiàng)目解析、實(shí)踐要求、完備具體的實(shí)踐步驟及各模塊設(shè)計(jì)的演示Demo。溝通板塊確保信息實(shí)時(shí)暢通、答疑服務(wù)優(yōu)質(zhì)高效。線上模式能兼顧各種層次學(xué)生的需求，便于學(xué)生自學(xué)。學(xué)生不受時(shí)間與地域的限制，可以根據(jù)自身狀況自行選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容。豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，不但方便了在校學(xué)生的學(xué)習(xí)，也為畢業(yè)生提供了持續(xù)學(xué)習(xí)與提升的平臺(tái)。

線下實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)在實(shí)操的基礎(chǔ)上更加注重師生交流與學(xué)生的反饋。指導(dǎo)教師組建實(shí)踐指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，群策群智，把實(shí)踐項(xiàng)目涉及的知識(shí)點(diǎn)分類講解、逐一擊破。既保證基礎(chǔ)差、底子薄的學(xué)生跟上學(xué)習(xí)進(jìn)度，又保證尖子生得到充分的拓展與深化。實(shí)踐過程中，教師根據(jù)項(xiàng)目拆解任務(wù)提出問題，引導(dǎo)學(xué)生自主探究、小組協(xié)作學(xué)習(xí)來解決問題，發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律、掌握科學(xué)知識(shí)，以達(dá)到增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)的能力、增強(qiáng)溝通協(xié)作能力、積累經(jīng)驗(yàn)的目的。

2 綜合實(shí)踐教學(xué)實(shí)施

2.1 資源建設(shè)

線上教學(xué)主要是基于雨課堂平臺(tái)上傳各種文本、PPT、微課視頻，及常用軟件的使用說明等開源資料。通過騰訊會(huì)議、微信群等新媒體完成發(fā)布通知、輔導(dǎo)答疑及互動(dòng)交流。實(shí)踐過程中為避免課程內(nèi)容重復(fù)，將以知識(shí)點(diǎn)為單元錄制視頻微課。信號(hào)處理類課程以信號(hào)與系統(tǒng)這門課為核心，圍繞其“信號(hào)分析”“系統(tǒng)分析”“系統(tǒng)綜合”這3個(gè)板塊內(nèi)容向外輻射到通信原理、數(shù)字信號(hào)處理、高頻電子技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課程的相應(yīng)核心知識(shí)點(diǎn)[10-14]。綜合實(shí)踐教學(xué)將多課程有機(jī)融合，給學(xué)生呈現(xiàn)一個(gè)整體的信號(hào)處理知識(shí)脈絡(luò)，如圖1所示。

下面以基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信號(hào)處理綜合實(shí)踐平臺(tái)為例介紹實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容安排?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的信號(hào)處理綜合實(shí)踐平臺(tái)以“基于物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究”等科研項(xiàng)目的研究成果和“一種電網(wǎng)諧波源定位檢測(cè)方法”等發(fā)明專利為基礎(chǔ)，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，融合各課程知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)拆解出功能子模塊。實(shí)踐內(nèi)容涵蓋嵌入式微處理器的應(yīng)用、通信技術(shù)、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理及譜分析、應(yīng)用軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)分析與圖形化等。從內(nèi)容上保障學(xué)生能接觸到實(shí)際工程問題，循序漸進(jìn)地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，從而達(dá)到綜合鍛煉的目的。

設(shè)計(jì)任務(wù)包括：電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸及云平臺(tái)的搭建、應(yīng)用端軟件開發(fā)，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

感知層的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置將被安裝在配電柜母線上，用于監(jiān)測(cè)用戶正常用電時(shí)的電能質(zhì)量信息；網(wǎng)絡(luò)層對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上傳的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)，同時(shí)向應(yīng)用層發(fā)布來自應(yīng)用端訂閱的信息；應(yīng)用層為基于PC設(shè)備或手機(jī)等移動(dòng)終端的應(yīng)用軟件，可完成對(duì)訂閱的不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及處理。

2.2 實(shí)施過程

2.2.1 組織形式

為了培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作與組織協(xié)調(diào)能力，將參加實(shí)踐的學(xué)生分成3人1組，組內(nèi)成員自行分工。實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)為4周，學(xué)生通過線上平臺(tái)提供的文本說明、知識(shí)點(diǎn)視頻、設(shè)計(jì)Demo等做好預(yù)習(xí)。線下實(shí)操時(shí)，指導(dǎo)教師主要參與學(xué)生的討論并答疑，對(duì)共性問題進(jìn)行集中講解并補(bǔ)充到線上資源中，實(shí)現(xiàn)正反饋。組織形式如圖3所示。

2.2.2 具體設(shè)計(jì)過程

將設(shè)計(jì)任務(wù)拆解成具體模塊及相應(yīng)課程的知識(shí)點(diǎn)，并提供參考的技術(shù)路線及設(shè)計(jì)方案。

（1）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置作為硬件系統(tǒng)被安裝在配電柜母線上，采集實(shí)時(shí)電壓、電流信息，并將信息上傳至云數(shù)據(jù)平臺(tái)。監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該部分作為實(shí)踐過程的第一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，也可獨(dú)立構(gòu)成設(shè)計(jì)單元。引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念。該模塊涉及的核心專業(yè)知識(shí)包括：信號(hào)檢測(cè)、傳感器技術(shù)、采樣定理（模數(shù)轉(zhuǎn)換）、編碼（數(shù)字調(diào)制）、通信協(xié)議、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件使用及程序設(shè)計(jì)等。

（2）數(shù)據(jù)傳輸及云平臺(tái)

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和云存儲(chǔ)技術(shù)可為多個(gè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置和多個(gè)應(yīng)用建立數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的載體。通用的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模式[15]如圖5所示。

Modbus是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x協(xié)議，學(xué)生深入學(xué)習(xí)Modbus協(xié)議并按要求完成設(shè)計(jì)后，若發(fā)現(xiàn)云平臺(tái)數(shù)據(jù)解析時(shí)有丟包及數(shù)據(jù)漏報(bào)的情況，教師要及時(shí)指導(dǎo)學(xué)生分析可能的原因，共同探索解決方案。著手點(diǎn)可以是查看Modbus報(bào)文長(zhǎng)度限制及單次所傳參數(shù)個(gè)數(shù)是否匹配，讓學(xué)生在實(shí)踐中體驗(yàn)實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)過程中的試錯(cuò)、改進(jìn)與提高。

云平臺(tái)選用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，借助該平臺(tái)可以完成采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、可視化分析、信息發(fā)布等，構(gòu)建流程如圖6所示。

創(chuàng)建產(chǎn)品和對(duì)應(yīng)設(shè)備是使用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的第一步，產(chǎn)品是一類具有相同功能的設(shè)備集合。本項(xiàng)目定義的產(chǎn)品基本信息包括產(chǎn)品名稱、節(jié)點(diǎn)類型、數(shù)據(jù)格式、聯(lián)網(wǎng)協(xié)議等。

產(chǎn)品創(chuàng)建完成后，可以為它定義物模型，產(chǎn)品下的設(shè)備將自動(dòng)繼承物模型內(nèi)容。所謂的物模型就是將實(shí)際產(chǎn)品抽象成由屬性、服務(wù)、事件所組成的數(shù)據(jù)模型，便于云端管理和數(shù)據(jù)交互[16]。本項(xiàng)目共涉及三相電壓、電流、諧波等141個(gè)電能質(zhì)量參數(shù)，物模型屬性均按上述方法定義。

創(chuàng)建產(chǎn)品后，要為其添加設(shè)備，每個(gè)實(shí)際設(shè)備需對(duì)應(yīng)一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)設(shè)備。將物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)頒發(fā)的設(shè)備證書（ProductKey、DeviceName和DeviceSecret）燒錄到設(shè)備上，用于設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)連接時(shí)進(jìn)行身份驗(yàn)證。設(shè)備上報(bào)信息為透?jìng)鲾?shù)據(jù)，要按照需求進(jìn)行數(shù)據(jù)解析才能應(yīng)用。本項(xiàng)目采用JavaScript編寫解析腳本。

（3）應(yīng)用端軟件平臺(tái)

應(yīng)用端主要是可以聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，如臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦、手機(jī)等。通過開發(fā)終端軟件平臺(tái)，調(diào)取不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析和處理，能夠?qū)崿F(xiàn)三相電參量測(cè)量（三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率等）、高次諧波測(cè)量、電網(wǎng)質(zhì)量分析及綜合評(píng)估。最終為管理者、技術(shù)人員提供數(shù)據(jù)支撐和決策指導(dǎo)。

2.2.3 考核

綜合實(shí)踐教學(xué)的考核方式突出以學(xué)生為中心的理念，體現(xiàn)公平原則，并且考核方案具有可操作性。

本實(shí)踐教學(xué)的考核摒棄了傳統(tǒng)單一的考核形式，充分考慮到學(xué)生在設(shè)計(jì)進(jìn)程中每一個(gè)細(xì)微之處的努力程度、參與程度和貢獻(xiàn)程度，實(shí)行全要素全過程考核。線上部分可參考雨課堂的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括演示視頻的觀看完成度、相關(guān)設(shè)計(jì)附件的提交，其中預(yù)習(xí)及提交的附件占10%的權(quán)重，由系統(tǒng)自動(dòng)給分；設(shè)計(jì)過程占80%的權(quán)重；答辯過程占10%的權(quán)重。

開辟線上評(píng)分系統(tǒng)子模塊，并設(shè)定一些量化觀測(cè)點(diǎn)，教師深入指導(dǎo)過程中隨時(shí)根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)給分。設(shè)計(jì)過程中組內(nèi)成員互評(píng)及組間互評(píng)時(shí)也依據(jù)這些觀測(cè)點(diǎn)。

觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)定充分遵循了項(xiàng)目研發(fā)到項(xiàng)目落地運(yùn)行的內(nèi)在規(guī)律，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、探索實(shí)踐、把握課程之間的有機(jī)聯(lián)系。從自學(xué)能力、探究能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和文本編輯及語言表述能力等多個(gè)層面綜合考評(píng)學(xué)生。

3 綜合實(shí)踐教學(xué)實(shí)施成效

信號(hào)處理綜合實(shí)踐鍛煉了學(xué)生的綜合素養(yǎng)，具體表現(xiàn)在參加學(xué)科競(jìng)賽的踴躍性明顯增強(qiáng)、獲獎(jiǎng)數(shù)量與質(zhì)量顯著提升。開展綜合實(shí)踐以來，電子與信息工程學(xué)院的學(xué)生在全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生“恩智浦”杯智能汽車競(jìng)賽、“博創(chuàng)杯”全國(guó)大學(xué)生嵌入式設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)大學(xué)生智能互聯(lián)大賽等標(biāo)志性賽事中參賽率達(dá)50%以上，獲獎(jiǎng)率在30%以上。在大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)率排行榜中，連續(xù)多年在省內(nèi)工科院校中位列第2名。還有相當(dāng)一部分學(xué)生掌握了參與教師科研項(xiàng)目的基本技能，其就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)一步得到擴(kuò)展且更具優(yōu)勢(shì)。良好的人才培養(yǎng)質(zhì)量與就業(yè)出口對(duì)于低年級(jí)的學(xué)生具有積極的示范意義與傳承性。

隨著信號(hào)處理綜合實(shí)踐教學(xué)的開展，我校電子信息、電子信息科學(xué)與技術(shù)、通信工程等專業(yè)的建設(shè)水平也穩(wěn)步提升。圍繞信號(hào)處理綜合實(shí)踐，以課程團(tuán)隊(duì)為切入點(diǎn)打造科研團(tuán)隊(duì)，使教師個(gè)人的研究領(lǐng)域更有針對(duì)性，研究成果也更加成體系?？蒲许?xiàng)目為師生提供了施展才能的平臺(tái)，也調(diào)動(dòng)了教師指導(dǎo)學(xué)生的積極性?？蒲写龠M(jìn)教學(xué)得以真正步入良性循環(huán)階段。

4 結(jié) 語

在高等教育回歸以本為本、以培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的新形勢(shì)下，依托基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信號(hào)處理綜合實(shí)踐平臺(tái)，構(gòu)建了“線上+線下”融合的綜合實(shí)踐教學(xué)模式。充分將課內(nèi)與課外融合、虛擬和現(xiàn)實(shí)融合。強(qiáng)調(diào)學(xué)生主體性、主動(dòng)性以及教師的導(dǎo)向作用。探索實(shí)踐教學(xué)實(shí)例化、數(shù)字化，考核過程多元化、數(shù)據(jù)化。在我校電子與信息工程學(xué)院3個(gè)專業(yè)幾年來的應(yīng)用效果表明，該模式能有效激發(fā)教學(xué)活力，使專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量有實(shí)質(zhì)性提高。

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作者簡(jiǎn)介：康 輝（1980—），男，滿族，黑龍江湯原人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

收稿日期：2023-12-06 修回日期：2024-01-10

基金項(xiàng)目：黑龍江省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度重點(diǎn)課題（GJB1422119）；黑龍江科技大學(xué)2023年校教研課程思政研究專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目（JY23-50）