胡永江，王永川，馬曉琳

(軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003)

“數(shù)字信號處理”課程是軍隊工科院校電子類、控制類及信息類等專業(yè)研究生的一門不可或缺的學(xué)位課，與最優(yōu)控制、故障診斷和人工智能等多門學(xué)科緊密相關(guān)[1-3]。在多年的教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，該課程基礎(chǔ)起點高，內(nèi)容抽象，理論較深且實踐性強[4-5]。但是軍隊工科院校研究生來源復(fù)雜，知識結(jié)構(gòu)差異較大[6];學(xué)生課題研究對數(shù)字信號處理具有多樣化要求。我們針對這些特點，對課程進行了改革。

1 課程教學(xué)實施中的問題

1)對教學(xué)工作有很高要求

“數(shù)字信號處理”課程要求數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較高，內(nèi)容比較抽象，需要使用數(shù)學(xué)語言對問題進行描述，缺少直觀性。但因聯(lián)系工程實踐緊密，這些特點向教學(xué)工作提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，很容易出現(xiàn)“講不清，學(xué)不明，用不上”的情況。

2)生源參差不齊

我院每年招收的碩士研究生主要來自地方院校(國防生類)、相關(guān)專業(yè)系(軍校生類)以及部隊干部(在職干部類)，學(xué)生的知識背景、知識結(jié)構(gòu)、理論基礎(chǔ)、理解能力和實踐能力差別很大，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)過全部專業(yè)課程的學(xué)生很少。統(tǒng)計表明，在我院2011年至2013年選修“數(shù)字信號處理”課程的研究生中，有近42%的研究生沒有學(xué)過信號與系統(tǒng)或自動控制原理，有近36%的研究生缺乏如積分變換、概率理論和復(fù)變函數(shù)等重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，給教學(xué)工作的有序進行帶來較大困難。

3)欠缺工程背景

數(shù)字信號處理技術(shù)有很強的實踐性，軍校類和國防生類研究生都缺乏扎實的工程實踐背景，對Matlab和DSP等相關(guān)仿真實踐基礎(chǔ)知識缺乏，導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程和實踐環(huán)節(jié)非常被動。

4)課程內(nèi)容豐富與課時較少矛盾突出

“數(shù)字信號處理”課程內(nèi)容十分豐富且涉及面廣，學(xué)習(xí)過程難度增加，但分配的學(xué)時有限，內(nèi)容豐富和學(xué)時較少的矛盾突出，不但給掌握知識帶來障礙，而且給教學(xué)過程帶來不便。

5)課題研究需求給內(nèi)容選擇帶來挑戰(zhàn)

由于我院研究生課題主要是針對具體武器裝備展開研究，各專業(yè)武器裝備技術(shù)差異大，需針對具體信號在處理算法的理論和實踐上進行拓展，以滿足不同專業(yè)研究生的課題需求，如何合理選擇教學(xué)和實踐內(nèi)容，直接關(guān)系到教學(xué)內(nèi)容的完整性、系統(tǒng)性和實用性。

6)創(chuàng)新能力培養(yǎng)給內(nèi)容設(shè)計提出高要求

根據(jù)軍隊院校研究生培養(yǎng)目標(biāo)要求[6]，培養(yǎng)研究生的自主學(xué)習(xí)、工程實踐、科研創(chuàng)新、論文寫作以及團隊協(xié)作等能力，都需要在課程內(nèi)容頂層規(guī)劃時，有針對性地進行設(shè)計。

2 課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計與實施

我們結(jié)合課程特點，針對課程教學(xué)實施中存在的問題，將課程教學(xué)內(nèi)容進行整合設(shè)計，形成基礎(chǔ)理論、實驗項目和拓展專題三個相輔相成的課程教學(xué)體系，分別占總課時的65%、25%和10%。在基礎(chǔ)理論體系中，重點解決課程內(nèi)容過多、內(nèi)容抽象過難和學(xué)生缺少專業(yè)知識等問題;在實驗項目體系設(shè)計中，重點解決學(xué)生缺少工程背景知識，著力提高學(xué)生工程實踐、論文寫作和團隊協(xié)作等能力;在拓展專題體系設(shè)計中，重點解決學(xué)生課題研究需求多樣化難題，著力提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和科研創(chuàng)新等能力。

2.1 基礎(chǔ)理論體系設(shè)計與教學(xué)

(1)精心組織教學(xué)內(nèi)容，仔細講解重要知識點。首先是補充部分信號與系統(tǒng)知識，解決學(xué)生專業(yè)知識薄弱的難題，保證學(xué)生能夠正常入門;然后講述如何獲取數(shù)字信號(即抽樣定理)及存在問題(即量化誤差分析);再講述如何認(rèn)知數(shù)字信號或系統(tǒng)的特性(即頻域分析與變換理論);然后講述如何處理含噪或受擾數(shù)字信號(即濾波器理論與設(shè)計);最后講述如何根據(jù)要求設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)(即信號參數(shù)估計與建模)。以問題為牽引，形成一條數(shù)字信號獲取、分析與處理及系統(tǒng)綜合設(shè)計實現(xiàn)的精簡理論知識鏈。同時在教學(xué)實施過程中，縮減一些繁瑣陳舊的理論推導(dǎo)，注重理論數(shù)學(xué)性與物理性的對應(yīng)關(guān)系，強調(diào)結(jié)論的物理意義和工程應(yīng)用。

(2)與時俱進，引入學(xué)科專業(yè)前沿知識。采用對比法進行講解學(xué)習(xí)，如針對奈奎斯特抽樣定理的局限性，可引入帶限信號的欠抽樣定理;針對傅立葉變換譜分析的缺陷，討論短時傅里葉分析等理論;針對經(jīng)典濾波器的缺點，適當(dāng)擴展維納濾波、自適應(yīng)濾波和卡爾曼濾波等知識;針對經(jīng)典譜估計和建模的不足，引入?yún)?shù)譜估計、非參量譜估計以及高階譜估計等知識。這些前沿知識的引入，既拓展了學(xué)生的知識面，又與學(xué)院各類武器裝備所用信號處理知識息息相關(guān)，滿足各學(xué)科對數(shù)字信號處理的理論知識需求。

2.2 實驗體系設(shè)計與實施

實驗研究是培養(yǎng)研究生應(yīng)用能力的重要環(huán)節(jié)，我院按照“厚基礎(chǔ)”和“強綜合”的原則，基于Matlab軟件和DSP開發(fā)工具箱，形成“數(shù)字信號如何采集獲取，如何進行譜分析，如何變換以及如何濾除雜波”的一條與理論相呼應(yīng)的實驗體系。

(1)與基礎(chǔ)理論體系相對應(yīng)，形成數(shù)字信號采集與抽樣、傅立葉變換與譜分析、濾波器設(shè)計與實現(xiàn)和功率譜估計與信號建模等四個基礎(chǔ)實驗專題，重點解決仿真軟件運用和理論與實踐相結(jié)合的問題。

(2)按照數(shù)字信號采集、分析和處理的設(shè)計思路，在控制、通信、雷達、機械以及測試領(lǐng)域設(shè)置了五個綜合實驗項目，重點解決綜合設(shè)計和運用中出現(xiàn)的難題。根據(jù)實驗項目要求，由2-3名學(xué)生按五個綜合方向分成若干個小組，分工協(xié)作，通過編寫仿真代碼、演示仿真結(jié)果和撰寫實驗報告等方式，開展實驗研究和探索，切實提高研究生的工程實踐能力和論文寫作能力。

2.3 拓展專題的設(shè)計與實施

我們根據(jù)每個研究生研究方向，參照基礎(chǔ)理論體系和實驗項目體系，設(shè)立控制信號處理、通信信號處理、雷達信號處理、機械振動信號處理、測試信號處理、圖像信號處理和語音信號處理等七個拓展專題。在教學(xué)實施過程中，學(xué)生可自主選題并組成2-3人興趣研究小組，采用分組自主學(xué)習(xí)、撰寫研究報告和課堂交流相結(jié)合的方式，在相互學(xué)習(xí)、共同提高的同時，保證了每個學(xué)生都有一個與自身專業(yè)相關(guān)的拓展專題。

3 課程考核與效果評估

1)課程考核

為了評估課程整合設(shè)計后的教學(xué)效果，課程考核采用理論考試、實驗匯報和專題交流相結(jié)合模式。

理論考試主要考核基礎(chǔ)理論，120分鐘閉卷模式，成績占40%;實驗匯報依據(jù)綜合實驗專題，采用主題報告、現(xiàn)場演示和回答質(zhì)疑相結(jié)合的方式，成績占40%;專題交流依據(jù)拓展專題，撰寫研究論文，在課堂討論時現(xiàn)場報告和討論交流，成績占20%。

2)效果評估

學(xué)院2011年至2013年選修“數(shù)字信號處理”課程的考核成績統(tǒng)計如圖1所示。

圖1 2011年-2013年考核成績統(tǒng)計圖

其中成績A表示在85分以上，成績B在85分至75分之間，成績C表示在75分至60分之間。通過三年“數(shù)字信號處理”課程的教學(xué)實踐和考核評估，可以發(fā)現(xiàn):在課程內(nèi)容整合初期(2011年)，學(xué)生對基礎(chǔ)理論掌握很好，但在實驗匯報和專題交流兩個方面不夠理想;在教學(xué)內(nèi)容整合中期(2012年)，采用減少理論講解、增加實驗指導(dǎo)，雖然基礎(chǔ)理論掌握情況有小幅度回落，但學(xué)生的實驗匯報環(huán)節(jié)成績有了大幅度的提高，;在教學(xué)內(nèi)容整合后期(2013)，學(xué)生在理論考試、實驗匯報和專題交流方面都有很大幅度提高。

實踐表明，基礎(chǔ)理論、實驗項目和拓展專題的課時分別為50%、35%和15%時比較合適。根據(jù)近三年學(xué)生反饋意見來看，學(xué)生對課程內(nèi)容體系的設(shè)置非常滿意，基礎(chǔ)較好的學(xué)生表示在迅速掌握基礎(chǔ)理論的同時，可以花更多精力在實驗項目和拓展專題上，拓展自己的能力;基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生表示通過團隊協(xié)作，使自己在薄弱環(huán)節(jié)得到提高。

4 結(jié)語

本文根據(jù)軍隊院校研究生培養(yǎng)目標(biāo)要求，結(jié)合我院研究生特點和學(xué)科發(fā)展需求，對“數(shù)字信號處理”課程內(nèi)容進行了整合設(shè)計。整合設(shè)計是課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，也是針對課程目標(biāo)、授課對象和課程特點進行高度融合的教學(xué)需要。除了使學(xué)生掌握了數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)理論知識，還鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、工程實踐、科研創(chuàng)新、論文寫作以及團隊協(xié)作等應(yīng)用創(chuàng)新能力，達到了課程教學(xué)改革的主要目的。針對理論前沿和拓展專題較難的問題，下一步將這兩個部分采用MOOC方式，化繁為簡、化難為易、化大為小，讓學(xué)生在課余自主學(xué)習(xí)，真正的讓學(xué)生帶著興趣學(xué)，帶著問題學(xué)，切實提高其應(yīng)用創(chuàng)新能力。

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