陳姿羽　喻德曠　楊豐　黃靖

摘 要 文章針對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程本科信號(hào)處理類專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)難、學(xué)生興趣難以提升等問題，提出了相關(guān)的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)改革。首先，在理論課的教學(xué)安排上解決了“信號(hào)與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號(hào)處理”專業(yè)基礎(chǔ)課授課重復(fù)、學(xué)習(xí)枯燥、師生交流少等問題。其次，將實(shí)驗(yàn)部分分三個(gè)學(xué)期進(jìn)行，從最基礎(chǔ)的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)到最終的與生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)相關(guān)的心音信號(hào)采集與處理綜合實(shí)踐，讓學(xué)生由淺入深并能學(xué)以致用，解決實(shí)際問題，充分發(fā)揮創(chuàng)造性。

關(guān)鍵詞 信號(hào)處理 教學(xué)改革 實(shí)驗(yàn)改革

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.08.053

Discussion and Practice of Teaching Experiment Reform of

Signal Processing Course

CHEN Ziyu， YU Dekuang， YANG Feng， HUANG Jing

（Department of Electronic Technology， School of Biomedical Engineering， Southern Medical University， Guangzhou， Guangdong 510515）

Abstract In view of the difficulties in teaching signal processing related courses and raising interests for undergraduates of Biomedical Engineering， we proposed the relevant teaching and experimental reforms. First of all， in the arrangement of theoretical courses we solved the problems such as the repetition in courses of “Signal and System” and “Digital Signal Processing”， boring learning and less communication between teacher and students. Secondly， the experimental class was divided into three semesters. From the basic experiments of signal and system to the final comprehensive practice of the heart sound signal acquisition and processing， let students learning from the shallower to the deeper. To enable students to solve practical problems and give full play to creativity.

Keywords signal processing， educational reform， Experiment course reform

信號(hào)處理類課程是電子工程專業(yè)本科生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。為了使該類課程更適用于生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的教學(xué)，我們?cè)诶碚摵蛯?shí)驗(yàn)教學(xué)上進(jìn)行了相應(yīng)的改革。

“信號(hào)與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號(hào)處理”是信號(hào)處理類課程里最重要的兩門專業(yè)基礎(chǔ)課。這兩門課程以“高等數(shù)學(xué)”、“線性代數(shù)”、“電路分析”等課程為基礎(chǔ)，同時(shí)也是后續(xù)信號(hào)類專業(yè)課的基礎(chǔ)，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用?，F(xiàn)階段這兩門課程存在授課內(nèi)容重復(fù)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容銜接不合理，并缺乏綜合性應(yīng)用實(shí)驗(yàn)等問題。理論課方面，該兩門課程涉及到很多數(shù)學(xué)概念、物理概念及工程概念，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)于大量公式和理論推導(dǎo)感到吃力，很難從整體上把握住課程的實(shí)際意義和作用，也很難產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，因?yàn)殡y學(xué)而缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)課方面，原來(lái)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是嚴(yán)格對(duì)應(yīng)理論課而設(shè)計(jì)的上機(jī)操作，安排在對(duì)應(yīng)的理論課課程最后部分。雖然通過上機(jī)操作加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)之前學(xué)過的理論知識(shí)的理解，但是由于沒有連貫性故無(wú)法更深入地學(xué)習(xí)，也難以學(xué)以致用解決實(shí)際問題。

針對(duì)信號(hào)處理類課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)上面臨的問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一整套適合生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的教學(xué)方法。后面將分別從理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)方面分別闡述具體教改過程。

1理論課教學(xué)改革

理論教學(xué)改革主要是針對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號(hào)處理”這兩門專業(yè)基礎(chǔ)課，改變傳統(tǒng)的公式推導(dǎo)、理論灌輸和大量課后習(xí)題為主導(dǎo)的教學(xué)方式。改革的目標(biāo)是為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，使學(xué)生學(xué)習(xí)完這兩門課程后能在宏觀上理解這兩門課程的實(shí)際意義，并牢固地掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)從而為后續(xù)課程和后續(xù)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。[1，2]

教學(xué)方法的改進(jìn)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）理論聯(lián)系實(shí)際從生物醫(yī)學(xué)工程方面收集應(yīng)用實(shí)例，結(jié)合課程相關(guān)理論知識(shí)在課堂上進(jìn)行介紹，使學(xué)生由形入實(shí)地掌握知識(shí)以加深記憶。對(duì)于概念比較抽象的內(nèi)容通過制作小動(dòng)畫清楚地演示其原理與計(jì)算過程，讓學(xué)生理解得更透徹。

（2）教學(xué)內(nèi)容上將“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中與“數(shù)字信號(hào)處理”重復(fù)的內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整?！靶盘?hào)與系統(tǒng)”課時(shí)數(shù)由原來(lái)的72學(xué)時(shí)改為64學(xué)時(shí)，將離散信號(hào)的頻域分析、離散時(shí)間系統(tǒng)的頻域分析等移到“數(shù)字信號(hào)處理”課程中講授?！皵?shù)字信號(hào)處理”由原來(lái)的64學(xué)時(shí)改為48學(xué)時(shí)。統(tǒng)一將原本接在該兩門理論課后的實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容調(diào)整到后面的學(xué)期統(tǒng)一進(jìn)行。

（3）課后作業(yè)不僅僅是單調(diào)的作業(yè)題，我們還提供了一些輔助性的課外閱讀，尤其是與生物醫(yī)學(xué)工程相關(guān)的醫(yī)學(xué)信號(hào)方面的文章。讓學(xué)生對(duì)專業(yè)課程有宏觀上的了解，提高學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

為了創(chuàng)造更好的學(xué)習(xí)氛圍，我們開設(shè)了一個(gè)網(wǎng)站服務(wù)器，[3]作為師生學(xué)習(xí)和交流的平臺(tái)。其功能首先是包含了布置作業(yè)和提交作業(yè)的系統(tǒng)，改善了之前批改作業(yè)需要收大量作業(yè)本的問題，提高了效率的同時(shí)也節(jié)省了空間。第二，該平臺(tái)還包含平時(shí)上課簽到系統(tǒng)，可以用手機(jī)連接服務(wù)器現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)名并直接記錄在系統(tǒng)中，方便教師統(tǒng)計(jì)到課率。第三，可以存儲(chǔ)課程相關(guān)的一些課外讀物以便學(xué)生自行登錄下載學(xué)習(xí)。

2實(shí)驗(yàn)部分教學(xué)改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)較之前改動(dòng)比較大，主要分三個(gè)階段進(jìn)行，由淺入深，讓學(xué)生從掌握理論知識(shí)逐步過渡到形成可以獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力。

第一個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是將“信號(hào)與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號(hào)處理”課程的理論問題結(jié)合計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件matlab進(jìn)行驗(yàn)證學(xué)習(xí)。之前是將兩門課的實(shí)驗(yàn)部分分別安排在相應(yīng)的課程結(jié)尾，現(xiàn)調(diào)整在一起作為“信號(hào)采集綜合實(shí)驗(yàn)一”課程，總共64學(xué)時(shí)。我們自編了實(shí)驗(yàn)教材，從信號(hào)的創(chuàng)建到系統(tǒng)的分析，讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用matlab解決原本理論課教材中手算推導(dǎo)和分析的內(nèi)容。將兩門課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綜合在一起，還能讓學(xué)生充分體會(huì)連續(xù)信號(hào)和數(shù)字信號(hào)在使用計(jì)算機(jī)處理過程中的聯(lián)系與區(qū)別。[4，5，6]

第二個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是讓學(xué)生應(yīng)用學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)結(jié)合matlab軟件中的simulink進(jìn)行信號(hào)類相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，課程為“信號(hào)采集綜合實(shí)驗(yàn)二”。要求每個(gè)學(xué)生選擇一個(gè)信號(hào)處理類小題目在老師的指導(dǎo)下使用simulink完成實(shí)驗(yàn)，并上交最后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。如WCDMA擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真、調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)的建模與仿真、直流降壓斬波電路設(shè)計(jì)等等。學(xué)生通過親自仿真本來(lái)已經(jīng)比較成熟的信號(hào)處理類應(yīng)用，為今后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

第三個(gè)學(xué)期通過對(duì)心音信號(hào)的一系列分析實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠應(yīng)用所學(xué)的相關(guān)知識(shí)解決稍復(fù)雜的實(shí)際問題，提高學(xué)生的動(dòng)手和思考能力。[7]實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容分硬件和軟件兩個(gè)方向。硬件方向主要是實(shí)現(xiàn)心音傳感器的設(shè)計(jì)，采集人體心音信號(hào)，生成音頻文件并顯示出心音信號(hào)波形等信息。軟件方向是對(duì)采集到的心音信號(hào)進(jìn)行去噪、特征參數(shù)提取等的處理進(jìn)而實(shí)現(xiàn)心臟疾病的診斷。通過分組的方式讓學(xué)生們自由組隊(duì)，每組3人分工合作完成。每周進(jìn)行一次進(jìn)度匯報(bào)，各組在匯報(bào)的同時(shí)互相交流知識(shí)，老師現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)并提出問題。期末以答辯的形式由各組演示匯報(bào)設(shè)計(jì)成果。這種設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)增加了學(xué)生自主研究的能力并強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)合作精神。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能的方法有很多種，學(xué)生通過自行查找相關(guān)文獻(xiàn)資料，動(dòng)手編寫程序和制作硬件等，增強(qiáng)了實(shí)踐動(dòng)手能力，也充分發(fā)揮了自己的創(chuàng)造性。

3總結(jié)

經(jīng)過以上教學(xué)和實(shí)驗(yàn)改革的實(shí)踐，這兩學(xué)年還是取得了比較滿意的效果。不僅讓學(xué)生對(duì)較為枯燥的理論知識(shí)產(chǎn)生了更多的興趣，并加深了理解，同時(shí)也讓學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)造力都有了提高，為將來(lái)的學(xué)習(xí)和就業(yè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

整套課程的安排與設(shè)計(jì)還會(huì)隨著實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問題而不斷改進(jìn)。如課程服務(wù)器網(wǎng)站設(shè)計(jì)如何能讓學(xué)生按時(shí)提交作業(yè)的問題還需要改進(jìn)，因?yàn)榻?jīng)常有學(xué)生到下一章節(jié)結(jié)束才提交前幾章節(jié)的作業(yè)，沒有按進(jìn)度學(xué)習(xí)勢(shì)必影響學(xué)習(xí)效果。所以，需要在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)每次作業(yè)的最終上交時(shí)間，過期該次不可提交，不按時(shí)上交作業(yè)的那次記為0分，系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，按時(shí)關(guān)閉每次的提交申請(qǐng)。綜合實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容也將隨著經(jīng)驗(yàn)的積累變得更豐富，現(xiàn)階段最后一學(xué)期的綜合實(shí)踐內(nèi)容是心音信號(hào)的采集與處理，今后可根據(jù)需要加入如心電信號(hào)或生物電信號(hào)等方向的內(nèi)容，使生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的本科生接觸和實(shí)踐更多生物醫(yī)學(xué)信號(hào)類相關(guān)研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝啟，陳飛，朱培逸.“信號(hào)與系統(tǒng)分析”課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐.中國(guó)電力教育，2014（2）.

[2] 樊玲.“數(shù)字信號(hào)處理”教學(xué)改革的探討.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（4）.

[3] http：//122.114.172.81：8080/cms.

[4] 武紅玉.基于MATLAB的“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革.科技信息，2012（11）.

[5] 艾煒華，湯建明，巫昌霖，肖森源，黃彬，曾慶寧.心音信號(hào)采集及自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng).科技視界，2015（34）.

[6] 聞紹飛，劉紀(jì)紅，孫宇舸.MATLAB在數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2016（5）.

[7] 關(guān)成斌，王捷，張福，寶宋杰.Matlab在數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究.電腦與電信，2011（11）.

[8] 韋哲，李戰(zhàn)明，程自峰，李向偉，魏偉一.基于聲卡的心音信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究.中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2008（10）.