刍议电气信息大类学科的信号处理课程群建设

尚宇

【摘 要】 本文主要阐述了信号处理系列课程的主要研究内容，分析了该课程体系内课程之间、课程与相关课程之间的关系，针对不同专业设计了两种课程体系Map，并对课程群内课程的整体教学、实验内容进行了规划设计。

【关键词】 电气信息；信号处理；课程体系

近年来，随着以语言处理、图像处理、大数据分析处理等为核心技术的人工智能技术的发展，数字信号获取与处理的技术从制造业领域扩大到农业、医疗、教育、能源、国防等诸多领域，不断给人类社会带来更多发展。由此，随着信号处理理论与方法应用的范围的扩大，信号处理系列课程也成为国内外各个工科专业的核心课程，除了电子类专业，光电、机电、计算机、生物医学等各专业也均已开设信号处理系列课程。由于存在着与原有课程体系的衔接，其在教学体系建设和教学内容安排上存在各种问题。

一、课程群建设思路

面向国内外高等教育的发展，跟踪学科发展，借鉴CDIO 理念，以信号处理课群为背景，拓宽电气信息类专业知识模块为突破口，体现“厚基础，重应用”的特点，构建信号处理系列课程体系，及时引入高等工程教育的教研与科研成果，强化基本方法、基本技能，提高综合素养，实现具有普适性的学科大类工程基础教育的目标，并建立可持续发展的良好机制。

由于信号处理系列课程均以数学为主要工具，其理论性和应用性都很强，体系内课程之间及与相关课程之间在内容上具有一定的重叠性，需要分析各门课程内容的侧重点，理清课程之间的相互关系以保证课程内容的有效衔接，将其作为一个整体进行优化整合，以形成模块化的理论教学体系，并在大类知识平台上建立层次化的实践教学体系。在该体系下，注重理论与实验教学的有机融合，注重工程应用能力的培养。

二、理论课程体系构建

1、构建专业相关基础课程Map

通过深入研究信号处理系列课程在各专业中与前开、后续课程的知识相关性，按照国家“卓越工程师计划”的要求，按照知识领域、知识点构造知识能力矩阵，理顺各知识点的衔接关系，进一步理清对应课程的学期设置，为使其在培养计划中的设置更为合理奠定基础。

在电气信息大类学科中，通识教育的核心课程中，信号处理类课程主要包括信号与系统、数字信号处理两门核心课程，根据专业需求还有信号分析与处理、DSP 技术及应用以及系列实验课程等核心课程。结合各专业的开课情况，构建电工电子类专业基础课程体系Map，如圖1所示，可供开设专业选择参考。对信号处理类课程整体要求较高的专业可以采用（a），要求较低的专业可以采用（b） 图结构。各专业可根据实际需要选择开设的课程及学期学时。

电气信息类专业的首要专业基础课程为“电路”（非电专业为“电路分析”）课程，它也是“自动控制原理”以及信号处理系列课程的理论基础，一般课程群中的基础课程“信号与系统”需设置在“电路”开课后的学期。“自动控制原理”课程一般可以与“信号与系统”同时开设。若有些专业对信号处理类课程要求不高，建议开设“信号分析与处理”课程，建议学时为64学时（至少48学时），由教学经验，开设在“自动控制原理”课程之后授课效果较好。

2、建立课程群体系结构

按照信号分析→系统分析→信号的数字处理→系统的实现作为教学体系的组织结构，实现原理、方法和应用的有机结合，构建课群内课程的知识能力矩阵。各专业可选择与本专业相适应的教学内容及学时，以形成适合本专业的教学内容完善、分工合理的教学体系。建立信号处理课程群内课程的体系结构，如图2 所示。

课程群中，信号与系统、数字信号处理两门课程为核心基础，以连续时间信号与系统的分析和处理为基础，以离散时间信号与系统的分析和处理为目的。按照目前的技术发展，信号处理的核心概念应主要放在离散域的频域（即ω域）的分析和处理。

图2 信号处理课程群体系结构

三、课程群教学内容的整体优化设计

1、“信号与系统”

“信号与系统”课程的传统内容包括信号分析与线性系统分析两部分内容。按照研究对象所在时间域分为连续时间和离散时间信号与系统两种系统；按照处理方法可以分为时域分析方法和变换域分析方法两类方法。变换域的方法主要概括为频域（ω域）、复频域（s域）和Z变换（Z域）。课程中重要的运算方法是卷积积分/卷积和的概念。当今由于计算机技术及各类工程软件的普及，从变换域的角度，课程重点应放在信号的频谱分析以及系统的频率响应上；从时间域的角度，课程重点应放在离散域分析。电路的时域方程求解，逆变换的求解应弱化。

2、“电路”与“信号与系统”

电路课程应主要介绍电路的基本概念和电路定律，其线性电阻电路、线性动态电路时域分析的方法与定理是所有后续课程的基础。其传统内容中，除电气工程专业外，均可适当进行削减，傅里叶级数、复频域分析等均可放至后续“信号与系统”课程。

3、“信号与系统”与“自动控制原理”

这两门课程分别是弱电、强电专业的基础核心课程。主要内容均包含对线性系统进行分析的内容，除了频域外，其他变换域两者均有涉及，内容上不可避免存在有重叠，区别仅在涉及的深度与广度。“自动控制原理”重点在对系统的分析，主要掌握控制系统的基本原理、分析方法，如控制系统的稳定性，可控性等，关注系统的建模、分析和综合。“信号与系统”课程更为关注信号的分析，尤其是信号的频域分析，从频谱分析角度掌握信号和系统之间的关系。

4、“信号与系统”与“数字信号处理”

“信号与系统”是“数字信号处理”的理论基础，两者从理论上来说，是同一个理论体系细分后的结果，内容本身并不存在重复，只是由于大多数“数字信号处理”教材，为了保证教学内容的系统性和完整性，往往将抽样定理、离散信号与系统的时、频域分析方法等内容再次进行了阐述。

“数字信号处理”的教学内容注重面向工程实际，主要突出数字化方法与技术，其重点内容应放在DFT、FFT算法、数字滤波器有关原理与设计方法。可以将离散时间傅里叶变换、离散傅里叶级数等基础概念下移，适当增加现代信号处理的内容。

5、“信号分析与处理”

“信号分析与处理”课程为“信号与系统”与“数字信号处理”两门课程的综合体，适用于有信号处理知识需求但学时要求无法满足的专业。实际运行中，若专业开设了“自动控制理论”，建议作为其后续课程开设。该课程由于学时有限，一般只能涉及信号分析与处理的基本原理与分析方法：信号的傅里叶频谱、抽样定理、信号的传输与滤波、DTFT、DFT、FFT、数字滤波器的基本设计方法等内容。

四、实验课程体系构建

1、分层次设计实践教学

整体规划内容，体现从原理到工程应用，构建与“厚基础，重应用”培养目标相一致的“软硬结合，循序渐进，培养创新意识”的信号处理实践教学培养体系。

仍然按照“信号分析→系统分析→信号的数字处理→系统的实现”组织整个课程群实验体系的内容，改革实验方式，注重基础性实验，增加综合性、设计性实验，其层次结构如图3所示。

随着信号处理学科技术的发展，海量存储器的出现使得用C语言等高级语言在DSP上实现变得更为容易，从而我们可以在实验室中以更接近于实际工程开发的过程，

用软硬件结合的方式实现信号处理的设计过程。基于信号处理课程体系整体规划实验教学内容，不同专业可以采用不同的实现方案。在整个系列课程的实验设计中，我们按照同一个内容的基于MATLAB软件平台的基础软件仿真实验到DSP或ARM硬件实现的对应关系进行实验设计，并构造基于实际系统的综合、设计性实验，从而让实验更接近于实际的数字信号处理系统。

2、基于CDIO理念中的二、三级项目原则来设计实验内容

将科研项目中的以心电信号处理、汽轮机震动信号处理、语音信号处理等实际数字信号处理系统规划为二级项目内容（通过综合课程设计实施），从工程应用的角度出发设计题目，规划设计课内的三级项目内容，且实验内容具有从基础到提高的层次性。

基础实验主要包括基本信号运算、典型信号的实现、卷积与相关的实现、连续信号的频谱分析、离散信号的频谱分析、时域/频域抽样、系统分析等内容；综合设计性实验的内容主要是将信号处理系统的各子系统构建的系列的滤波实验；软硬结合实验及综合设计部分主要放在FFT分析连续信号的频谱及滤波处理、信号的采样与滤波，以及用DSP/ARM实现语音、心电信号等信号压缩、实时滤波、频谱分析等内容。

3、探索新的实践教学实施方式

我们在设计的信号分析与处理实验中，设计了信号分析、系统分析、信号处理综合实验三个板块。由于每个板块中的实验内容都具有对应地层次性，各专业可根据教学的深广度需求灵活选择与教学配套的内容。如在信号分析板块实验中，信号的频域分析包括周期信号的频谱、非周期信号的频谱、信号的时域采样等内容，可在其中选择部分内容作为实验内容，也可以作为课后作业进行练习。对实验学时较少的专业，还可以将信号处理综合实验板块的内容变更为开放性实验或大型程序作业环节。

在具体实施中，我们将其作为大型程序设计作业进行了尝试，有意识培养学生的工程创新、团队协作意识。具体实施步骤如下：

（1）制定了以二级项目驱动的程序设计任务书。任务书仅提供工程项目背景介绍及需要的设计指标，不提供设计方案，设计需要处理的信号也由学生自行采集。

（2）实施时间：开课中期～课程结束后一周。

（3）实施方式：由教师指定学生成立3人小组，由学生自由分工。采取指定组合的形式是为了更接近实际工作中，个人无法选择合作伙伴的情况，以锻炼学生的协作能力。

（4）项目考核：采取撰写设计报告的方式评定成绩。学生需设计报告、源程序。项目组按照规范撰写项目报告，并在指定时间内提交报告、有关数据、源程序及运行结果，并进行结果分析。学生提交报告时，同时提交自评成绩与互评成绩，最终学生的个人成绩由项目组成绩与自互评成绩加权进行评定。

从实施效果来看，学生以超乎预料的热情按时完成了设计任务，并在实施过程中提出了很多建设性意见，收到良好效果。

五、结语

课程体系的内容应是随着技术的发展不断更新的，如何面向工程实际构建符合电气信息類各专业要求的信号处理课程体系，优化教学和实践教学内容，需要我们持续研究探索。我们希望通过信号处理理论与实验教学体系的研究和构建，使学生熟悉理论知识，掌握从软件仿真到硬件处理的系统设计方法和基本技能，培养学生在实践中发现问题、提出问题并解决问题的能力。

【参考文献】

[1] 刘翠响等.电子信息专业信号处理系列课程实践教学研究[J].中国电力教育，2014.5.170-171.

[2] 陈后金，胡 健等.信号处理系列课程的改革与探索[J].中国大学教学，2008.9.36-39.

[3] 聂文艳，王仲根，廖晓纬.“电路分析”、“信号与系统”和“数字信号处理”课程优化的探讨[J].科技信息，2012.5.24-25.

[4] 陈立伟.面向新版人才培养方案的信号处理实践教学体系的研究与构建[J].创新教育，2013.5.55-56.

[5] 徐科军，黄云志.自动化专业“信号分析与处理”课程的教学研究[J].电气电子教学学报，2007.6.103-104.107.

【作者简介】

尚 宇（1973.2-）女，河南洛阳人，西安工业大学教授，研究方向：信号与信息处理.