信号处理方向实践教学体系的改革与实践*

刘鹏程 李春雷 张爱华 张茜

中原工学院电子信息学院 郑州 450007

1 引言

信号处理方向主要培养能够从事信号与信息处理系统的研究、设计、开发、应用工作的应用性高级工程技术人才。因此，实践教学体系在学生动手能力培养方面发挥着重要的作用，是理论教学的补充和扩展，同时又为科学研究工作打下基础[1-3]。然而，在当前信息处理技术日新月异的背景下，传统的信号处理实践教学体系已远远不能满足信息技术发展和高等教育对人才培养的要求。在这样的前提下，研究国内外相关领域高等教育实践教学特点，在中原工学院电子信息学院课题组多年信号处理系列课程实践教学的基础上，开展多样化、综合化、分层次、重创新的实践教学[4-5]。

2 信号处理系列课程体系

信号处理课程组成员在调查和分析社会的需求以及国内外知名院校教学改革方式的基础上，对信号处理系列课程进行了重大的改革，对信号处理方向系列课程的设置、衔接及教学目标进行宏观规划，构建了信号处理系列课程实践教学体系，并将“信号与系统”“语音信号处理”和“数字信号处理”确定为本学科方向的核心课程，将“DSP技术与应用”“随机信号分析”“数字图像处理”确定为实践应用体系课程，连同核心课程一起，制订出方向理论课和方向实践环节。为培养具有信号处理综合应用能力的学生，进行改革和实践探索。信号处理系列课程体系结构如图1所示，展示了该实践教学体系中原理、方法和应用有机结合的特点。该系列课程体系具有以下优势。

1）构建了以“信号与系统”“语音信号处理”和“数字信号处理”为核心的实践教学体系。在原理性课程中，重点讲授概念、理论和方法；在应用性课程中，重点讲授软硬件设计与实际应用。

2）结合本学科方向新的教学和科研成果，使实践教学体系更加优化，更具学科前瞻性。在课程中积极引入设计实例，并注重体系课程之间的联系与沟通，提升学生对“大信号”的理解能力。

图1 信号处理系列课程体系结构

图2 基础实验内容

3 实验教学

基于信号处理方向课程体系的特点，课程组按层次递进地设计了一系列的实验课程，主要包括基础理论实验与综合实验。在设计过程中遵循如下原则[1]：加强理论基础，优化实验教学内容，更新实验教学平台，逐层深化，促进理论与实践一体化进程。

按照上述设计原则，课程组共设计了4部分实验，如图2所示。前三部分为基于MATLAB的验证性实验，第四部分为基于DSP系统的设计性实验。

1）信号分析与处理。该部分的6个实验均为基本理论实践，通过这部分实验，学生可以很好地将理论与实验结合起来。在信号与系统课程中，基本信号的产生、时域与频域抽样、窗函数的特性分析是最基本最重要的基本理论内容。然后利用DFT分析连续及离散信号的功率谱，及随机信号的功率谱分析。通过这部分基础理论实验，学生不仅掌握了重点基础理论内容，还对学习产生了兴趣，增强了对知识点的理解。

2）系统分析与设计。该部分在学习基础理论的基础上，掌握对连续系统及离散系统的分析，并掌握各种滤波器的设计、应用以及优化。

3）信号处理综合应用。该部分的6个实验是对基础知识的应用，主要有信号多速率变换及其应用、希尔伯特变换与单边带幅度调制、语音信号的压缩与回放、电话拨号音合成与识别、信号幅度调制与解调等。

4）信号处理软硬件实现。这一部分主要培养学生的综合实践能力，开发学生的潜力和工程创新意识，以DSP为硬件平台，实现软硬件设计。为学生参加全国电子设计大赛、“飞思卡尔”智能汽车比赛、全国“挑战杯”等活动奠定基础。

根据体系中实验教学的特点编写出较为系统的信号处理实验指导书。在编写过程中转变实验教学思路，注重实验内容的优化设计，搭建功能强大的实验开发设计平台，侧重培养学生分析和解决问题的能力，激发学生的学习兴趣。对本体系实验教学起到很好的指导作用。

4 课程设计

课程设计是一个综合性的实践教学环节，较为系统地考查学生的理论知识和实践水平，加强学生对信号处理基本原理、基本方法的掌握，培养学生独立分析和解决问题的能力。课程设计的内容侧重于信号处理的理论与技术的综合应用。

另外将DSP原理与应用、语音信号处理和数字图像处理等3门课程有机结合起来，设计实际的系统。如要求学生在DSP硬件系统上实现图像处理的基础算法，目的是让学生掌握最基本的图像处理技术，包括图像的读写、直方图处理（简单变换和直方图均衡化）、图像平滑与增强、边缘抽取、阈值化、基本二值形态学处理（腐蚀、膨胀、开、闭等）、离散傅里叶变换等重要的基础知识点。并且要求在DSP实验平台上，利用CCS图像处理编程方法对图像处理技术进行实现。在这个题目里，能够让学生学会如何在CCS软件上完成图像处理的功能，即如何使用DSP芯片完成图像处理的算法。

5 结论

根据信号处理课程体系的特点，将信号处理实践教学体系设计为实验教学及课程设计教学两大部分，其中实验教学又分为基础实验及综合实验，体现了循序渐进、由易到难、逐层深入提高的特点。通过该实践教学体系的训练，学生不仅能掌握信号处理方向的基本原理、基本方法和基本技术，还能够将其应用到工程实际之中，培养了学生独立分析、解决问题的能力和工程实践创新能力。

[1]杨述斌,沈斌,邹莲英．《数字信号处理》教学方法改革初探[J].中国电力教育,2008,28(2)：83-84.

[2]张彦,张涛．《数字信号处理应用技术》课程设计教学研究[J].科技教育创新,2010(2)：316-317.

[3]李永全.数字信号处理课程设计的改革与探索[J].实验科学与技术,2007,6(3)：101-103.

[4]张冬玲,于丹.数字信号处理课程设计改革[M]//中国电子教育学会高教分会2010年论文集，2010：57-59.

[5]李祖明,胡仁杰.综合设计类课程建设的思考与实践[J].实验室研究与探索,2008(12)：109-117.