卓越工程师“数字信号处理”课程群主题式教学探索

摘要：针对电子、通信专业卓越工程师的培养要求，研究了卓越工程师培养体系下“数字信号处理”课程主题式教学模式。在课程内容安排上以“数字信号处理”课程为主线，以“信号与系统”、“MATLAB应用”和“DSP技术及应用”课程为基础，以课程设计为综合，实现了理论和实践教学的有机结合，可以激发学生的学习兴趣，有效提高学生的创新意识和工程素养。

关键词：卓越工程师；数字信号处理；主体式教学

作者简介：吴杰（1977-），女，安徽临泉人，金陵科技学院信息技术学院，讲师。（江苏 南京 211169）

基金项目：本文系金陵科技学院博士启动基金（项目编号：jit-b-201231）的研究成果。

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）08-0078-02

为促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国，着眼于未来经济社会发展对工程技术人才的需求，近年来，教育部在全国逐步实施了卓越工程师教育培养计划，旨在培养综合素质优秀、有较强适应能力和竞争能力的工程技术人才。创新意识、工程意识、工程素质和工程实践能力是对卓越工程师的核心要求。培养优秀的卓越工程师必须改变传统的以基础理论知识为主的教学模式，以全方位培养能力素质为目标，探索全新的教学方法。

“数字信号处理”作为通信、电子专业的必修课，是信息工程类卓越工程师的教学核心之一。但是其涉及的知识面宽、理论性强，学生学习过程参与性不高，主动性和积极性不强，传统教学很难达到预期效果。同时，实践性课程如MATLAB、DSP技术等由于在单独教学中常因应用目标缺乏等原因难以落实教学效果。因此，整合教学资源，建立课程群，以主题牵引课程群教学，将理论、实践、技能和素质贯穿于工程环节，探索以主题引导锤炼提升理论和技能的卓越工程师培养路子，具有重要意义。

一、传统教学存在的问题

“数字信号处理”是一门理论性很强的课程，涉及的知识面很宽，主要包括离散信号的Z变换、傅立叶变换、离散傅立叶变换、快速傅立叶变换以及滤波器设计等几个方面的内容。[1]这些知识的学习和掌握需要微积分、复变函数、数理统计等众多学科作为基础理论支撑。同时，数字信号处理又是一门有着广泛应用背景的学科，其核心部分的内容如频谱分析和滤波器设计部分与通信理论、工业控制、模式识别、语音处理、图像处理、神经网络等应用学科关系密切，在现代生活的各个领域中都有着广泛的应用。因此，在教学过程中要加强学生对课程应用背景的了解，将实践教学贯穿到理论学习中，突出实践教学在数字信号处理教学中的重要地位。

MATLAB语言将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，将其应用于数字信号处理的教学中，可以很方便地把抽象的概念用图形直观地展示出来，[2]便于学生对概念的理解。DSP芯片是为了快速实现数字信号处理算法而专门设计的工程实践平台，可以很好地架起理论教学与工程应用的桥梁。但在实际教学中，由于应用目标不明确，很难调动学生学习的积极性。

针对卓越工程师的培养要求和上述课程的教学特点，组建了以“数字信号处理”课程为中心，以“信号与系统”、“MATLAB应用”和“DSP技术及应用”课程为基础，以课程设计为综合，以专业生产实习为实践，以毕业设计为拓展的“数字信号处理”课程群，以深入开展主题式教学。

二、主题式教学设计

课程群主题式教学以“兴趣驱动、主题牵引、技能主导、理论优先”为指导，采用“单主题、双杠杆、多环节、宽拓展”的教学路线，主要抓好教学、考核、实践和引导四个环节。

1.有机融合要求和兴趣，精选课程主题

以全面培养优秀的通信工程卓越工程师为牵引，充分考虑学校的教师资源、实验室资源和实践安排，根据学生的知识背景、学时分配和掌握能力，在深入调研社会需求、培养要求和新时期学生学习生活的特点和规律的基础上，确立了主题式教学的思路。让学生在学习过程中围绕一个核心问题进行深入思考，积极产生问题需求，主动解决问题、克服困难，从而全面培养体系化、工程化的思维模式。在课程主题的选择上，教研组在综合考虑课程教学特点、当前研究前沿和学生兴趣领域等因素的基础上，明确了10个课程主题，对于不同的生源背景、不同的专业方向等进行量身定做。其中，为信息工程卓越工程师选择了“数字式调音台”这个主题，每个学生都应当通过设计計算、原型验证（MATLAB平台实现）和工程实现（DSP平台、C#平台）来创新性的打造个性化的音控系统。

2.合理评价理论和技能，突出教学目标

考核决定了学习的价值导向。在考核杠杆方面，采取理论和技能一体化考核。每门课程的考核都分为作业、卷考、机考和设计四个部分。作业和卷考以书面形式强化学生对基础知识与基本概念的理解和掌握，侧重点放在对课程本身的基础学习上；机考，通过在计算机上的设计和实验，检验学生的动手能力和实际工程应用能力；设计，即随堂课程设计，在课程一开始即布置，在课程结束时上交设计报告，阐述利用课程知识进行工程实践的心得和体会。

在考核比例的分配上，要求四项全部合格方可通过该门课程，按照1∶4∶3∶2的比例计算该门课程的最后得分，突出了工程和实践在该课程中的重要性。

3.全面整合设计和实践，树立工程思想

在教学过程中，始终以工程应用背景为主线，以课程设计为牵引，让学生的学习紧紧围绕解决工程实际问题从课堂上、从教材上、从参考资料和网络上寻找答案。以明确的工程背景，牢固树立工程应用的思想。以数字式调音台主题为例，在“数字信号处理”课程的授课过程中，以数字式调音台的工作原理和设计需求为主线，在课程设计环节，要求学生以MATLAB为平台，以软件形式设计出数字式调音台，输出其响应波形，加深学生对数字信号处理原理和应用的理解；在学习“DSP技术及应用”课程的过程中，以数字式调音台的硬件原理为主题，让学生在学习和探讨的过程中深刻感受到进行DSP软硬件设计的工程方法和典型应用背景；在与之配合的专业生产实习环节，安排DSP的硬件电路设计和制作，通过配发的软件实现其硬件调试；在毕业设计阶段，让同学们结合理论设计和硬件平台，完成最终的数字式调音台样机。通过这一整套的主题式流程，可以不断强化学生的工程概念。在实践过程中又要求学生不断复习旧知识，探索新问题，大幅度提升了学生的工程意识和解决问题的能力。

4.综合把握课内与课外，明确发展方向

在科技日新月异的当今世界，课堂知识很难直接解释学生遇到的新事物，尤其是DSP芯片厂家多、型号多，且各有特色，ARM、DSP、多核复合等新技术和新概念不断困扰着学生。为使卓越工程师能尽快和社会接轨，在教学过程中特意安排了前沿讨论课程，以宣讲、演示、讨论等方式让学生全面接触新事物，了解课程群在其未来职业生涯中的地位和作用，以增强未来信息时代主流工程师的自信心。

三、教学模式分析

开展“数字信号处理”课程群主题式教学，与传统教学模式相比，具有明显的优势。

1.整体性强

整个课程群围绕典型的应用主题探讨，从信号与系统开始，在MATLAB、数字信号处理、DSP技术等各课程中反复讨论一个大案例，使学生明确各课程、各知识点之间的密切关联性，建立由点到面的知识网络体系。

2.工程味浓

主题的提炼来源于工程背景，最终通过成熟的工程实现来解决，通过理论学习、实践基础、课程设计、生产实习、毕业设计等各阶段，完整实现了工程实践中所必须经历的理论计算、方案设计、原型验证、调试分析、再设计等环节，使学生在经历在校学习各阶段时，也能完整地实践工程开发过程。

3.创新驱动

解决实际问题，本身就是一种创新。无数研究表明，创新能给予学习最大的快乐、最大的兴趣和最大的动力。要成功地完成主题工程，仅靠课堂、书本、教师还远远不够，必须走出去，走进图书馆、书店，打开网络，互相交流，体会创造的快乐与创新的快乐。

4.综合提升

在整个课程群学习过程中，课程理论和实践基础的学习相互交错，理论与工程相互印证，学生不仅能从课堂上知道结论是什么样的，也能通过MATLAB实践在电脑上看到直观的现象，了解误差的存在与影响，更能在最后的硬件系统上发现设计和实现的不一致性，看到工程调试和理论计算的差异性，深层次提高了学生对理论的认知水平。另外，通过创新驱动解决了学生学习惰性和无目的性的问题，提高了学生解决问题的实际能力。

进行“数字信号处理”课程群主题式教学，也可能会存在一些问题，如：如何结合自身特点确定教学主题、如何保证学生完成全套的主题训练、各教师间如何进行知识体系准备、如何进行无间隙的配合等。要解决这些问题，可以通过建立教学小组，整合教学资源，调整课程安排，逐步协调规划的方式在实践探索中深入解决。

四、结论

“數字信号处理”课程群主题式教学，以主题贯穿课程群教学始终，以应用驱动学习，以工程实践理论，统一了理论、技能、实践、工程等各环节的学习目标，打破了以往各课程间“自成体系，独立考核”的模式，优化了教学目标，在反复实践中固化了理论知识体系结构，形成了“主题鲜明，理论主导，技能多元”的能力培养体系，使学生时刻都明白自己在学什么、做什么，明白理论、工程、前沿和未来之间的关系，自主搭建良好的知识和技能体系结构。

卓越工程师主题式教学模式具有较强的针对性和普遍意义，可以在专业课教学中逐步推广，让学生通过若干主题的学习，全面掌握专业知识，提升专业能力。

参考文献：

[1]刘顺兰，吴杰.数字信号处理[M].第二版.西安：西安电子科技大学出版社，2009.

[2]李益华.MATLAB辅助现代工程数字喜好处理[M].西安：西安电子科技大学出版社，2010.

[3]张雄伟.DSP芯片的原理与开发应用[M].第四版.北京：电子工业出版社，2009.

（责任编辑：孙晴）