徐望明，劉毅敏，李炳生（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430081）

電子信息類專業(yè)信號處理課程群建設(shè)與改革

徐望明，劉毅敏，李炳生
（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430081）

0　引言

電子信息類專業(yè)是培養(yǎng)具備信息的獲取、傳輸、處理、應(yīng)用等方面專業(yè)知識和實(shí)踐能力，能夠從事信息科學(xué)與技術(shù)的研究、設(shè)計(jì)、集成及開發(fā)等方面工作的研究型及應(yīng)用型人才的一類專業(yè)。隨著集成電路（IC，Integrated Circuit）技術(shù)和數(shù)字信號處理器（DSP，Digital Signal Processor）的飛速發(fā)展，信號處理技術(shù)已經(jīng)在電子、通信、自動控制、機(jī)械、醫(yī)學(xué)、生物等工程領(lǐng)域得到了廣泛、深入的應(yīng)用，因此，學(xué)習(xí)信號處理的理論和方法、培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力已經(jīng)成為各大高校電子信息類專業(yè)本科生乃至研究生的迫切需要。

在教育部實(shí)行“質(zhì)量工程”以來，課程建設(shè)作為高校教學(xué)建設(shè)的基本問題備受重視。對信號處理相關(guān)課程的建設(shè)，如《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《語音處理》、《數(shù)字圖像處理》、《DSP原理與應(yīng)用》、《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》等，過去各大高校往往只是關(guān)注培養(yǎng)計(jì)劃中某一門課程的建設(shè)，其努力目標(biāo)是將其建設(shè)成為校級、省級甚至國家級優(yōu)質(zhì)課程或精品課程，無疑這也取得了不錯(cuò)的成績，為推動高校教學(xué)改革、提高教學(xué)質(zhì)量起到了積極作用。但由于缺乏協(xié)調(diào)統(tǒng)一，使得專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃往往難以達(dá)到預(yù)期效果，而且課程重復(fù)建設(shè)、教學(xué)資源浪費(fèi)的現(xiàn)象比較多見。

課程群建設(shè)是近年來高等院校課程建設(shè)實(shí)踐中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的課程建設(shè)策略，其根本思想是把內(nèi)容上聯(lián)系緊密、內(nèi)在邏輯性強(qiáng)、屬同一個(gè)培養(yǎng)能力范疇的同一類課程作為一個(gè)“群組”進(jìn)行建設(shè)，打破課程內(nèi)容的歸屬性，從整體技能培養(yǎng)這個(gè)目標(biāo)層次把握課程內(nèi)容的分配、實(shí)施、保障和技能的實(shí)現(xiàn)?！缎盘柵c系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《語音處理》、《數(shù)字圖像處理》、《DSP原理與應(yīng)用》、《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》等課程，是電子信息類專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的主體和核心部分，它們均由“信號處理”這一核心所關(guān)聯(lián)，有的是關(guān)于基礎(chǔ)理論的課程，有的是關(guān)于具體應(yīng)用的課程，有的是關(guān)于工程實(shí)現(xiàn)的課程。它們在教學(xué)內(nèi)容上各有側(cè)重，但內(nèi)在聯(lián)系卻非常緊密，有效地整合、優(yōu)化這些課程必將有助于形成培養(yǎng)電子信息類創(chuàng)新性應(yīng)用型專業(yè)人才的強(qiáng)勁合力。目前，東南大學(xué)信息工程學(xué)院、桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院、海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院、中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院等在這方面做了一些有益的研究性工作，也取得了較好的改革效果［1～4］。本文針對我校該類課程在實(shí)際教學(xué)過程中存在的問題，采用基于課程群建設(shè)的教學(xué)理念，探討了信號處理課程群的內(nèi)涵，并提出了相應(yīng)的信號處理課程群建設(shè)改革措施，在實(shí)踐中取得了預(yù)期教學(xué)效果。

1　信號處理課程群的內(nèi)涵

課程建設(shè)思路由單一型課程建設(shè)向綜合優(yōu)化型課程群建設(shè)轉(zhuǎn)化，充分發(fā)揮課程群結(jié)構(gòu)整體功能，是適應(yīng)當(dāng)前時(shí)代背景下教育發(fā)展和變革的需要。關(guān)于課程群的內(nèi)涵，主要體現(xiàn)在課程的“相關(guān)性”和“綜合性”兩個(gè)方面。課程群是由一些教學(xué)內(nèi)容相互貫通、相互支撐，通過合理規(guī)劃、整合可形成有機(jī)整體的相關(guān)課程所組成；課程群建設(shè)不同于單門課程建設(shè)，需要對各門相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行全面整合和優(yōu)化，利用課程內(nèi)容上的相關(guān)性進(jìn)行相互支撐、滲透和強(qiáng)化，施行“大課程”建設(shè)。課程群建設(shè)實(shí)際上是對傳統(tǒng)課程知識體系的重組，是對傳統(tǒng)教學(xué)大綱和教學(xué)計(jì)劃的再次改革和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

基于這一教學(xué)理念，可對電子信息類專業(yè)的信號處理相關(guān)課程進(jìn)行整合、優(yōu)化，構(gòu)建信號處理課程群。根據(jù)我校的教學(xué)實(shí)際，信號處理課程群主要包括《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《語音處理》、《數(shù)字圖像處理》、《DSP原理與應(yīng)用》、《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》6門課程，這些課程均是為了能使學(xué)生全面掌握信號處理的基礎(chǔ)理論、應(yīng)用領(lǐng)域以及軟、硬件平臺的實(shí)現(xiàn)技術(shù)而設(shè)置的。如圖1所示，該課程群中各門課的聯(lián)系非常緊密，《信號與系統(tǒng)》和《數(shù)字信號處理》是信號處理具體應(yīng)用和工程實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)；《語音處理》、《數(shù)字圖像處理》是信號處理基礎(chǔ)理論的具體應(yīng)用；《DSP原理與應(yīng)用》、《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》則突出信號處理基礎(chǔ)理論（算法）和具體應(yīng)用實(shí)例的工程實(shí)現(xiàn)。

圖1　信號處理課程群的體系結(jié)構(gòu)示意圖

2　信號處理課程群建設(shè)的主要措施

對于該課程群中的各門相關(guān)課程的教學(xué)，在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，雖然也注意到各門課程之間的相互聯(lián)系，但授課時(shí)還往往是各自為政，造成課程教學(xué)內(nèi)容之間的滲透和銜接不夠科學(xué)合理，學(xué)生也沒能把這種關(guān)聯(lián)性統(tǒng)一起來，常常處于將每門課進(jìn)行單獨(dú)學(xué)習(xí)和掌握的狀態(tài)，因而無法將所學(xué)內(nèi)容融會貫通，造成教學(xué)效果欠佳。

以我校目前的實(shí)際教學(xué)情況來看，這些課程在教學(xué)上主要存在的問題可以歸納為理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)方面：

（1）理論教學(xué)環(huán)節(jié)各門課程講授內(nèi)容比較獨(dú)立，缺乏明確知識體系指導(dǎo)。課程間可能存在一些共同之處，當(dāng)教學(xué)內(nèi)容重復(fù)時(shí)，會造成有效學(xué)時(shí)緊張，一些最新技術(shù)和方面往往來不及講，而重復(fù)學(xué)習(xí)成熟的理論和方法無法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。各門課程的授課教師之間缺乏有效的交流和溝通，在教學(xué)模式上更偏向于理論，理論聯(lián)系實(shí)際不夠。如對于專業(yè)基礎(chǔ)課《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》以及專業(yè)課《語音處理》和《數(shù)字圖像處理》，這些課程理論性都比較強(qiáng)，授課教師在教學(xué)中往往突出數(shù)學(xué)分析，工程概念薄弱，使學(xué)生感到教學(xué)內(nèi)容枯燥，像是在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)課，體現(xiàn)不出先修課程對后修課程的意義，也使學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的關(guān)系認(rèn)識不到位。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)各門課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相對單一，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)安排不夠合理，基礎(chǔ)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多，而設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)較少，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排沒有考慮到相關(guān)課程的前后銜接，沒有用一個(gè)系統(tǒng)的觀念來設(shè)計(jì)整個(gè)課程群的實(shí)踐環(huán)節(jié)，因而學(xué)生的動手能力不能得以有效鍛煉，創(chuàng)造性不能得以有效發(fā)揮。其中，《語音處理》課程被設(shè)置為選修的純理論教學(xué)課程，沒有設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生很難學(xué)以致用。

針對這些問題，采用基于課程群建設(shè)的教學(xué)理念，我校采取了積極有效的信號處理課程群建設(shè)改革措施，圍繞“信號處理”這個(gè)核心，結(jié)合信號處理的應(yīng)用領(lǐng)域，大膽改革課程群內(nèi)各門課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，突出MATLAB軟件仿真和DSP、嵌入式系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)方法。

2.1整合優(yōu)化理論教學(xué)內(nèi)容，建立全面的課程群教學(xué)體系

信號處理課程群中的各門課程在教學(xué)時(shí)間安排上前后連接，在內(nèi)容方面承前啟后，相互關(guān)聯(lián)，逐步深入。其中，《信號與系統(tǒng)》是信號處理、分析的基礎(chǔ)，內(nèi)容涉及連續(xù)時(shí)間信號、離散時(shí)間信號以及它們通過線性時(shí)不變系統(tǒng)的基本理論和分析方法，是《數(shù)字信號處理》課程重要的先修課程；《數(shù)字信號處理》則是在先修課《信號與系統(tǒng)》的基礎(chǔ)上重點(diǎn)學(xué)習(xí)離散傅里葉變換（DFT）、快速傅里葉變換（FFT）、數(shù)字濾波器（包括FIR 和IIR）設(shè)計(jì)等數(shù)字信號處理方法和技術(shù)，是《DSP原理與應(yīng)用》的先修課程；《語音處理》主要學(xué)習(xí)處理日常生活中最常見的一類信號——語音信號的基礎(chǔ)知識、各種分析和處理方法、技術(shù)及其應(yīng)用；《數(shù)字圖像處理》則將信號處理從一維信號處理推廣到二維信號處理，處理日常生活中最常見的另一類信號——圖像，涉及很多信息處理以及計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的熱門研究課題；《DSP原理與應(yīng)用》和《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》是實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課程，可將《數(shù)字信號處理》的基本理論和算法在硬件平臺上加以編程實(shí)現(xiàn)，主要涉及DSP系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)方法。

針對理論教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問題，在課程群體系建設(shè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)這些課程教學(xué)內(nèi)容的整合、優(yōu)化，利用各門相關(guān)課程內(nèi)容上的交叉和銜接關(guān)系盡量壓縮其中重復(fù)設(shè)置的內(nèi)容，從而適應(yīng)當(dāng)前的教學(xué)改革趨勢，適當(dāng)減少課程教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)。例如，Z變換在《信號與系統(tǒng)》中已講，在《數(shù)字信號處理》課程中應(yīng)在簡單回顧Z變換的基礎(chǔ)知識后加強(qiáng)DFT、FFT、FIR和IIR濾波器設(shè)計(jì)這幾個(gè)部分的內(nèi)容。在后續(xù)的具體應(yīng)用類課程和工程實(shí)現(xiàn)類課程中，對出現(xiàn)的信號處理基本理論也應(yīng)只是簡單回顧而不要再次深入講解。同時(shí)，各門課程教學(xué)大綱應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)一編寫，使課程群中各門課程所要講授的知識系統(tǒng)化，保持課程間的自然的邏輯順序，使其合理過渡和銜接，處理好理論與實(shí)踐的關(guān)系，以“重視基礎(chǔ)理論、突出具體應(yīng)用、強(qiáng)化工程實(shí)現(xiàn)”為主線，建立一種縱向傳承、橫向互補(bǔ)的全面的課程群教學(xué)體系。

2.2整合優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，建立有效的課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

針對實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在問題優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，重新修訂課程群中各門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱。圍繞“信號處理”這一核心，突出基于MATLAB的軟件仿真和基于DSP、嵌入式系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)的兩條主線，并貫穿在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中。例如，《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《語音處理》、《數(shù)字圖像處理》等課程實(shí)驗(yàn)均可在MATLAB軟件平臺仿真完成，而《DSP原理與應(yīng)用》、《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》課程實(shí)驗(yàn)則分別在DSP實(shí)驗(yàn)開發(fā)硬件平臺和ARM嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開發(fā)硬件平臺上完成。在此基礎(chǔ)上，不斷加強(qiáng)課程實(shí)驗(yàn)之間的關(guān)聯(lián)性，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排也可考慮相關(guān)課程的前后銜接。例如，在高年級學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，可在硬件平臺上結(jié)合《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》課程的基礎(chǔ)理論，結(jié)合《語音處理》、《數(shù)字圖像處理》課程的特點(diǎn)，設(shè)置一些設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，或者完成課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)課題等，彌補(bǔ)課堂純理論教學(xué)的不足，從而使學(xué)生的動手能力得到很好的鍛煉，創(chuàng)造性得到有效發(fā)揮。

另外，為有效解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源之不足、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)靈活性、推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式改革、提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，研究、開發(fā)了相應(yīng)的開放式網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。該虛擬實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器端共享本地的虛擬實(shí)驗(yàn)室模擬軟件平臺，接受客戶端發(fā)送的實(shí)驗(yàn)請求，分析和處理實(shí)驗(yàn)參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算模擬最終將結(jié)果返回客戶端。整個(gè)系統(tǒng)不涉及具體的實(shí)驗(yàn)儀器硬件設(shè)備，只是利用軟件模擬實(shí)驗(yàn)的過程。

3　結(jié)語

電子信息類專業(yè)信號處理類課程內(nèi)容聯(lián)系緊密，結(jié)合我校專業(yè)課程設(shè)置特點(diǎn)，針對先前在理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面存在的實(shí)際問題，提出將《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《語音處理》和《數(shù)字圖像處理》、《DSP原理與應(yīng)用》、《嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用》等6門課構(gòu)成信號處理課程群，進(jìn)行整合、優(yōu)化建設(shè)，以“重視基礎(chǔ)理論、突出具體應(yīng)用、強(qiáng)化工程實(shí)現(xiàn)”為主線，建立了全面的課程群教學(xué)體系，突出了基于MATLAB的軟件仿真和基于DSP、嵌入式系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，有利于電子信息類專業(yè)創(chuàng)新型及應(yīng)用型高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。從理論教學(xué)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)，信號處理課程群建設(shè)內(nèi)容非常豐富，包括教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等，是一個(gè)長期實(shí)踐與反饋的過程，不可能一蹴而就。鑒于各高校實(shí)際情況的差異，這一課題還有待進(jìn)一步深入研究。

［1］歐陽華，楊忠林，李輝．信號與信息處理課程群教學(xué)改革研究［J］．中國電力教育，2013（19）：48～49

［2］歐陽繕，歐陽寧，劉慶華．信號處理課程群的建設(shè)與改革實(shí)踐［J］．大眾科技，2008（11）：185-186

［3］王艷芬，張劍英，張曉光，蔡利梅．信號處理課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（4）：132～134

［4］鄧?yán)颍瑢O山林，李歐迅．通信工程專業(yè)信號處理課程群教學(xué)改革研究［J］．教育與教學(xué)研究，2014，28（12）：67～70

Signal Processing；Course Group；Theory Teaching；Experimental Teaching

Construction and Reformation of Signal Processing Course Group for Electronic Information Majors

XU Wang-ming，LIU Yi-min，LI Bing-sheng
（College of Information Science and Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081）

1007-1423（2015）10-0026-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.10.007

徐望明（1979-），男，湖北武漢人，博士，高級工程師，研究方向?yàn)樾盘柵c信息處理

劉毅敏（1973-），女，湖北武漢人，碩士，副教授，研究方向?yàn)樾盘柵c信息處理

李炳生（1956-），男，湖北武漢人，高級工程師，主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)與管理工作

2015-03-03

2015-03-14

以電子信息類專業(yè)信號處理類課程的相關(guān)性和綜合性為基礎(chǔ)，針對我校該類課程在實(shí)際教學(xué)過程中存在的問題，采用基于課程群建設(shè)的教學(xué)理念，提出相應(yīng)的信號處理課程群建設(shè)改革方案，主要包括理論教學(xué)內(nèi)容的整合與優(yōu)化以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容調(diào)整與模式創(chuàng)新，從而構(gòu)建有效的信號處理課程群課程教學(xué)體系，有利于電子信息類專業(yè)創(chuàng)新型及應(yīng)用型高素質(zhì)人才的培養(yǎng)。

信號處理；課程群；理論教學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

武漢科技大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（No.2009X071、No.2014Z034）、湖北省高校教學(xué)研究項(xiàng)目（No.2013233）

Based on the relationship and the integrality among the courses of signal processing for electronic information majors，and aims at several issues of these courses in practical teaching in our university，proposes a corresponding teaching reformation scheme on signal processing course group with the adoption of the teaching idea of course group construction，which mainly includes integrating and optimizing the theory teaching contents，adjusting the practice teaching contents and innovate in its mode.Then an effective teaching system on signal processing course group has been constructed which is beneficial to the cultivation of high quality talents with good practice ability and innovation ability for electronic information majors.