信号处理实验室建设的探索与实践

吴 京， 丹 梅， 王 玲， 谢晓霞

(国防科技大学电子科学与工程学院，湖南长沙410073)

0 引言

教育部于2005年开展了高校实验教学示范中心建设和评审工作，提出了八个方面的建设内容，意在推动高校加强学生实践能力和创新能力的培养，加快实验教学改革和实验室建设，这也为高校实验室建设和实验教学改革指明了方向。根据教育部文件精神，结合我校新时期人才培养的目标——为全军培养具有复合知识结构的创新型军事人才，开展《“十一五”教育教学改革和条件建设计划》和《“十一五”公共和本科教学实验条件建设》两个大型建设项目。以此为契机，信号处理实验室于2010年立项建设、2011年验收通过，2012年电子技术实验中心子实验室通过湖南省基础实验教学示范中心验收。通过积极探索和实践，实验室从基础建设、实验教学理念、实验队伍建设、实验科目与教学能力提升的协调并举以及可持续发展出发，进行了以加强创新人才培养为特色的实验室建设。

1 实验室建设的指导思想

“信号与系统”、“数字信号处理”、“随机信号分析与处理”、“自动控制原理”等课程构成信号处理系列课程，是高校电子信息类专业必修的学科基础课程。课程的教学目的是让学生掌握信号处理的基本理论、基本原理和方法，并为进一步学习电子、通信、信息处理等课程奠定理论基础。无论是从课程教学内容还是从教学目的来看，信号处理系列课程都是理论与实践相结合、应用性极强的课程。因此，如何与实际工程应用相结合，将抽象的理论变为学生可接受的感性认识，是系列课程面临的最大挑战。而实验是学生理解理论知识、锻炼综合素养和能力的重要手段，实验室是实施素质教育、培养创新人才必不可缺的重要基地，也是开展教学、科研、生产实践结合的重要场所。

信号处理实验室贯彻以培养军事指挥创新人才为目的的教学理念，紧跟信号处理技术的发展以及在现代战争中的应用，密切结合我军对军事指挥人才和军事应用人才需求，充分突出信号处理的应用性和实践性，加强工程基础知识、基本技能的培养，提高学生发现问题与解决问题的创新能力，增强学生的创新意识。依托我院国家一级学科信息与通信工程和科研力量的优势，科研与教学相结合，开展科研成果向实验教学转化开展，贯彻“基础训练，能力拓展，素质提高”的实验教学宗旨，构建厚基础、宽口径、多层次、多样化的实验教学平台，通过面向学员的注重基础性、工程性、自主性、探索性、协作性和学科性的实验项目，切实加强学生实践动手能力培养，以实现培养适应具有创新精神和协作能力的高素质军事创新人才的目标。

2 实验室建设

2.1 构建新的实验教学体系

信号处理系列课程的实验教学，很长时间是依托课程教学来开设实验，自然也就主要以课程为单位来建设实验室。如我校20世纪90年代建立了“信号与系统”实验室，十五期间又建立“数字信号处理”实验室，依托这些实验室来完成各课程的实验教学。各课程教学基本按照各自的教学大纲，实验教学与理论教学基本同步。随着信号处理技术的迅猛发展，新的知识、新的学科、新的专业不断产生，上述实验教学模式带来了新问题。①各课程独立建设，很难建立完整的知识结构体系。在我校人才培养方案制定时虽从专业方向考虑，力求做到知识结构完备，课程开设的先后顺序也基本能保证比较合理。但在执行过程中，各课程的授课教师往往不注意培养计划所希望的各个目标，体现在实验教学上容易立足本课程的实际，更多的关注课程知识点，对课程间的相关联系一般不深入思考。造成课程学了不少，整体知识结构体系并没有建立，制约了学员潜力的发展。②重复建设，设备、资金的利用效率不高。按照课程来建设实验室最大的好处在于方便操作、管理。这种思路对于专业课程实验来讲也许问题不是很突出，但对于信号处理系列课程，很多测试设备是共用的，DSP发展太快，芯片升级周期缩短，要跟上技术发展，又要购进新的仪器。有的实验仪器也能满足多门课程的实验教学，只着眼于课程本身来思考，就造成重复投资、仪器利用率又不高。

信号处理实验室在建设时，打破传统的依托课程来建设实验室，而着眼系列课程的教学内容在理论与实践中存在的密切的内在联系，利用这些联系科学地构建信号处理系列课程实验教学体系，通过搭建若干个实验教学平台来完成各课程的实验，达到以信号分析为基础，系统分析为桥梁，处理技术为手段，系统综合为目的的教学目标。以信号处理教学目的为整体来构建实验教学体系，通过若干个实验平台完成实验科目，达到课程间资源共享，相互融合，相互补允的目的，从整体上提升学员的实践能力和综合素质，并达到减少重复投资，使有限的实验资源发挥出最大效益。

在实验课程设置时，采用“课内实验巩固、课程论文探索、课程设计提高、课程实习拓展”的实践教学模式。除在课程体系中设置实践性课程外，主干课程都安排有课内实验。同时每门课程都要求设置课程论文研究环节。此外还通过其它学科竞赛、科技创新试验计划等拓展实践教学环节，培养创新能力。通过多年的建设，实践性教学环节(见图1)不断完善，学生实践能力和创新能力不断提高。

图1 实践性教学环节示意图

2.2 加强实验平台及科目建设

根据我校人才培养目标，信号处理实验室搭建立以下几个实验平台:信号与系统平台、DSP平台、随机信号平台、综合设计平台和创新实验平台。平台建设按功能划分，课程的实验可在一个平台或不同平台上完成。如“信号与系统”课程实验通常会安排“抽样与恢复”科目，这个实验即可在信号与系统平台上完成，也可在DSP平台上完成，但两者之间是有区别的，前者采用模拟电路实现，后者用数字电路完成，这样授课教员可根据授课对象的专业、培养目标等因素来选择实验科目的平台。

实验科目的设定以课程知识点的深入理解，处理技术手段的培训，创新思维和能力的培养为目标进行建设。不仅为课程提供仿真演示验证、设计实验，而且能够开设信号处理从仿真、演示验证、设计，到硬件实现整个过程的综合实验，结合信号处理发展技术和我校科研成果，设计创新实验科目。如实验科目“北斗卫星导航信号处理及应用系统”，就是以科研为依托，将我院重大科研成果提炼而转化为实验教学，该科目以北斗军民应用为背景，提供北斗卫星导航的演示验证和创新设计实验功能，通过实验加深学员对典型电子系统中信号处理方法的理解和掌握，培养学员创新思维和军事应用能力。

2.3 强化实验教学队伍建设

开拓与创新精神突出、知识与学缘结构合理的实验教学队伍是实验室建设的核心目标，也是提高人才培养质量的重要保证。我校在信号处理系列课程建设方面具有较好的基础，该系列课程中已有两门课程“信号处理与系统”和“随机信号分析与处理”是国家精品课程，教学团队已入选国家级教学团队，依托建设的电子科学与工程学院通信与信息工程学科是国家一级学科，充分运用这丰富的教学资源，以系列课程责任教授和各课程负责人组成实验教学规划小组，由主讲教师参与实验设计并负责实验课，新留校教员，学校明确规定承担教学工作的教员需满足一定量的实验教学任务，这从制度上保障的实验教学队伍的建设。目前我们已建成一支以教学名师引领、系列课程责任教授负责、优秀的中青年主讲教师为骨干教师的实验教学队伍。教学名师对各门课程的内容及相关知识有透彻的理解，对本学科的发展趋势，有清楚的认识。主讲教师能够根据课程内容进行实验内容的充实、更新。年轻教员参加实验指导还可以促进学员尽快掌握科学的思想方法、研究问题的方法，在交流中碰撞出智慧的火花，促进创新人才的培养。

3 实验室建设成效

以加强基础、循序渐进、全面提高为原则，实验室已建成为一个门类较为齐全，拥有演示与验证结合、涵盖综合设计与开放仿真、突出特色在于支持学员进行信号处理类创新型实验的多功能专业基础课实验基地。实验内容、实验设备、实验方法和手段在国内高校同类实验室中居领先地位。

为了进一步培养学员创新能力，增加“实战”实验内容，增设了一批综合运用科目，如数字通信系统中ISI信道均衡器的设计和性能分析、回波估计和回声消除、DSP在音频/视频信号处理中的应用等等。依托学科优势，将科研成果向实验教学转化，自主研究开发，改进实验教学内容，突出实验设计的军事特色，图2所示是我们开发的一些实验科目。这些实验已应用在我们精品课程网站上，达到资源共享及示范效应。在完成系列课程的实验同时为本科生创新实践提供有力的实验平台，通过实验室的培训，2011年我校学员参加全国大学生电子设计竞赛，取得优异成绩，获得省级一等奖8组，二等奖5组，三等奖1组，国家级一等奖4组，二等奖2组。

4 结语

为适应现代化战争需要所培育的人才要具有实践能力和创新能力的综合素质，加强这方面培养的重要渠道之一就是加强实验室的建设。近年来，在实验室师生共同努力下，实验室从早期的独立课程实验室，发展到现在信号处理综合实验室，实验科目从理论验证型、演示型和仿真型实验，发展到现在设计型创新实验。对于信号处理实验室的建设，我们深感任重而道远，这是一个系统工程，我们将不断总结建设经验，勇于进行新的探索与实践，继续进一步深化实验教学改革，不遗余力地以国家级实验教学示范中心为目标，发挥我校多学科交叉的优势，在高等学校信号处理实践教学中发挥示范和辐射作用，为培养创新型人才奠定更坚实的基础。

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