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卓越工程師“數(shù)字信號處理”課程群主題式教學探索

2014-05-30 13:57吳杰
中國電力教育 2014年8期
關鍵詞:數(shù)字信號處理卓越工程師

摘要:針對電子、通信專業(yè)卓越工程師的培養(yǎng)要求,研究了卓越工程師培養(yǎng)體系下“數(shù)字信號處理”課程主題式教學模式。在課程內(nèi)容安排上以“數(shù)字信號處理”課程為主線,以“信號與系統(tǒng)”、“MATLAB應用”和“DSP技術及應用”課程為基礎,以課程設計為綜合,實現(xiàn)了理論和實踐教學的有機結合,可以激發(fā)學生的學習興趣,有效提高學生的創(chuàng)新意識和工程素養(yǎng)。

關鍵詞:卓越工程師;數(shù)字信號處理;主體式教學

作者簡介:吳杰(1977-),女,安徽臨泉人,金陵科技學院信息技術學院,講師。(江蘇 南京 211169)

基金項目:本文系金陵科技學院博士啟動基金(項目編號:jit-b-201231)的研究成果。

中圖分類號:G642 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0079(2014)08-0078-02

為促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國,著眼于未來經(jīng)濟社會發(fā)展對工程技術人才的需求,近年來,教育部在全國逐步實施了卓越工程師教育培養(yǎng)計劃,旨在培養(yǎng)綜合素質(zhì)優(yōu)秀、有較強適應能力和競爭能力的工程技術人才。創(chuàng)新意識、工程意識、工程素質(zhì)和工程實踐能力是對卓越工程師的核心要求。培養(yǎng)優(yōu)秀的卓越工程師必須改變傳統(tǒng)的以基礎理論知識為主的教學模式,以全方位培養(yǎng)能力素質(zhì)為目標,探索全新的教學方法。

“數(shù)字信號處理”作為通信、電子專業(yè)的必修課,是信息工程類卓越工程師的教學核心之一。但是其涉及的知識面寬、理論性強,學生學習過程參與性不高,主動性和積極性不強,傳統(tǒng)教學很難達到預期效果。同時,實踐性課程如MATLAB、DSP技術等由于在單獨教學中常因應用目標缺乏等原因難以落實教學效果。因此,整合教學資源,建立課程群,以主題牽引課程群教學,將理論、實踐、技能和素質(zhì)貫穿于工程環(huán)節(jié),探索以主題引導錘煉提升理論和技能的卓越工程師培養(yǎng)路子,具有重要意義。

一、傳統(tǒng)教學存在的問題

“數(shù)字信號處理”是一門理論性很強的課程,涉及的知識面很寬,主要包括離散信號的Z變換、傅立葉變換、離散傅立葉變換、快速傅立葉變換以及濾波器設計等幾個方面的內(nèi)容。[1]這些知識的學習和掌握需要微積分、復變函數(shù)、數(shù)理統(tǒng)計等眾多學科作為基礎理論支撐。同時,數(shù)字信號處理又是一門有著廣泛應用背景的學科,其核心部分的內(nèi)容如頻譜分析和濾波器設計部分與通信理論、工業(yè)控制、模式識別、語音處理、圖像處理、神經(jīng)網(wǎng)絡等應用學科關系密切,在現(xiàn)代生活的各個領域中都有著廣泛的應用。因此,在教學過程中要加強學生對課程應用背景的了解,將實踐教學貫穿到理論學習中,突出實踐教學在數(shù)字信號處理教學中的重要地位。

MATLAB語言將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中,將其應用于數(shù)字信號處理的教學中,可以很方便地把抽象的概念用圖形直觀地展示出來,[2]便于學生對概念的理解。DSP芯片是為了快速實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法而專門設計的工程實踐平臺,可以很好地架起理論教學與工程應用的橋梁。但在實際教學中,由于應用目標不明確,很難調(diào)動學生學習的積極性。

針對卓越工程師的培養(yǎng)要求和上述課程的教學特點,組建了以“數(shù)字信號處理”課程為中心,以“信號與系統(tǒng)”、“MATLAB應用”和“DSP技術及應用”課程為基礎,以課程設計為綜合,以專業(yè)生產(chǎn)實習為實踐,以畢業(yè)設計為拓展的“數(shù)字信號處理”課程群,以深入開展主題式教學。

二、主題式教學設計

課程群主題式教學以“興趣驅(qū)動、主題牽引、技能主導、理論優(yōu)先”為指導,采用“單主題、雙杠桿、多環(huán)節(jié)、寬拓展”的教學路線,主要抓好教學、考核、實踐和引導四個環(huán)節(jié)。

1.有機融合要求和興趣,精選課程主題

以全面培養(yǎng)優(yōu)秀的通信工程卓越工程師為牽引,充分考慮學校的教師資源、實驗室資源和實踐安排,根據(jù)學生的知識背景、學時分配和掌握能力,在深入調(diào)研社會需求、培養(yǎng)要求和新時期學生學習生活的特點和規(guī)律的基礎上,確立了主題式教學的思路。讓學生在學習過程中圍繞一個核心問題進行深入思考,積極產(chǎn)生問題需求,主動解決問題、克服困難,從而全面培養(yǎng)體系化、工程化的思維模式。在課程主題的選擇上,教研組在綜合考慮課程教學特點、當前研究前沿和學生興趣領域等因素的基礎上,明確了10個課程主題,對于不同的生源背景、不同的專業(yè)方向等進行量身定做。其中,為信息工程卓越工程師選擇了“數(shù)字式調(diào)音臺”這個主題,每個學生都應當通過設計計算、原型驗證(MATLAB平臺實現(xiàn))和工程實現(xiàn)(DSP平臺、C#平臺)來創(chuàng)新性的打造個性化的音控系統(tǒng)。

2.合理評價理論和技能,突出教學目標

考核決定了學習的價值導向。在考核杠桿方面,采取理論和技能一體化考核。每門課程的考核都分為作業(yè)、卷考、機考和設計四個部分。作業(yè)和卷考以書面形式強化學生對基礎知識與基本概念的理解和掌握,側重點放在對課程本身的基礎學習上;機考,通過在計算機上的設計和實驗,檢驗學生的動手能力和實際工程應用能力;設計,即隨堂課程設計,在課程一開始即布置,在課程結束時上交設計報告,闡述利用課程知識進行工程實踐的心得和體會。

在考核比例的分配上,要求四項全部合格方可通過該門課程,按照1∶4∶3∶2的比例計算該門課程的最后得分,突出了工程和實踐在該課程中的重要性。

3.全面整合設計和實踐,樹立工程思想

在教學過程中,始終以工程應用背景為主線,以課程設計為牽引,讓學生的學習緊緊圍繞解決工程實際問題從課堂上、從教材上、從參考資料和網(wǎng)絡上尋找答案。以明確的工程背景,牢固樹立工程應用的思想。以數(shù)字式調(diào)音臺主題為例,在“數(shù)字信號處理”課程的授課過程中,以數(shù)字式調(diào)音臺的工作原理和設計需求為主線,在課程設計環(huán)節(jié),要求學生以MATLAB為平臺,以軟件形式設計出數(shù)字式調(diào)音臺,輸出其響應波形,加深學生對數(shù)字信號處理原理和應用的理解;在學習“DSP技術及應用”課程的過程中,以數(shù)字式調(diào)音臺的硬件原理為主題,讓學生在學習和探討的過程中深刻感受到進行DSP軟硬件設計的工程方法和典型應用背景;在與之配合的專業(yè)生產(chǎn)實習環(huán)節(jié),安排DSP的硬件電路設計和制作,通過配發(fā)的軟件實現(xiàn)其硬件調(diào)試;在畢業(yè)設計階段,讓同學們結合理論設計和硬件平臺,完成最終的數(shù)字式調(diào)音臺樣機。通過這一整套的主題式流程,可以不斷強化學生的工程概念。在實踐過程中又要求學生不斷復習舊知識,探索新問題,大幅度提升了學生的工程意識和解決問題的能力。

4.綜合把握課內(nèi)與課外,明確發(fā)展方向

在科技日新月異的當今世界,課堂知識很難直接解釋學生遇到的新事物,尤其是DSP芯片廠家多、型號多,且各有特色,ARM、DSP、多核復合等新技術和新概念不斷困擾著學生。為使卓越工程師能盡快和社會接軌,在教學過程中特意安排了前沿討論課程,以宣講、演示、討論等方式讓學生全面接觸新事物,了解課程群在其未來職業(yè)生涯中的地位和作用,以增強未來信息時代主流工程師的自信心。

三、教學模式分析

開展“數(shù)字信號處理”課程群主題式教學,與傳統(tǒng)教學模式相比,具有明顯的優(yōu)勢。

1.整體性強

整個課程群圍繞典型的應用主題探討,從信號與系統(tǒng)開始,在MATLAB、數(shù)字信號處理、DSP技術等各課程中反復討論一個大案例,使學生明確各課程、各知識點之間的密切關聯(lián)性,建立由點到面的知識網(wǎng)絡體系。

2.工程味濃

主題的提煉來源于工程背景,最終通過成熟的工程實現(xiàn)來解決,通過理論學習、實踐基礎、課程設計、生產(chǎn)實習、畢業(yè)設計等各階段,完整實現(xiàn)了工程實踐中所必須經(jīng)歷的理論計算、方案設計、原型驗證、調(diào)試分析、再設計等環(huán)節(jié),使學生在經(jīng)歷在校學習各階段時,也能完整地實踐工程開發(fā)過程。

3.創(chuàng)新驅(qū)動

解決實際問題,本身就是一種創(chuàng)新。無數(shù)研究表明,創(chuàng)新能給予學習最大的快樂、最大的興趣和最大的動力。要成功地完成主題工程,僅靠課堂、書本、教師還遠遠不夠,必須走出去,走進圖書館、書店,打開網(wǎng)絡,互相交流,體會創(chuàng)造的快樂與創(chuàng)新的快樂。

4.綜合提升

在整個課程群學習過程中,課程理論和實踐基礎的學習相互交錯,理論與工程相互印證,學生不僅能從課堂上知道結論是什么樣的,也能通過MATLAB實踐在電腦上看到直觀的現(xiàn)象,了解誤差的存在與影響,更能在最后的硬件系統(tǒng)上發(fā)現(xiàn)設計和實現(xiàn)的不一致性,看到工程調(diào)試和理論計算的差異性,深層次提高了學生對理論的認知水平。另外,通過創(chuàng)新驅(qū)動解決了學生學習惰性和無目的性的問題,提高了學生解決問題的實際能力。

進行“數(shù)字信號處理”課程群主題式教學,也可能會存在一些問題,如:如何結合自身特點確定教學主題、如何保證學生完成全套的主題訓練、各教師間如何進行知識體系準備、如何進行無間隙的配合等。要解決這些問題,可以通過建立教學小組,整合教學資源,調(diào)整課程安排,逐步協(xié)調(diào)規(guī)劃的方式在實踐探索中深入解決。

四、結論

“數(shù)字信號處理”課程群主題式教學,以主題貫穿課程群教學始終,以應用驅(qū)動學習,以工程實踐理論,統(tǒng)一了理論、技能、實踐、工程等各環(huán)節(jié)的學習目標,打破了以往各課程間“自成體系,獨立考核”的模式,優(yōu)化了教學目標,在反復實踐中固化了理論知識體系結構,形成了“主題鮮明,理論主導,技能多元”的能力培養(yǎng)體系,使學生時刻都明白自己在學什么、做什么,明白理論、工程、前沿和未來之間的關系,自主搭建良好的知識和技能體系結構。

卓越工程師主題式教學模式具有較強的針對性和普遍意義,可以在專業(yè)課教學中逐步推廣,讓學生通過若干主題的學習,全面掌握專業(yè)知識,提升專業(yè)能力。

參考文獻:

[1]劉順蘭,吳杰.數(shù)字信號處理[M].第二版.西安:西安電子科技大學出版社,2009.

[2]李益華.MATLAB輔助現(xiàn)代工程數(shù)字喜好處理[M].西安:西安電子科技大學出版社,2010.

[3]張雄偉.DSP芯片的原理與開發(fā)應用[M].第四版.北京:電子工業(yè)出版社,2009.

(責任編輯:孫晴)

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