信号处理课程设计的探索与实践

2017-05-30 23:59毛彦欣许波周华伟
高教学刊 2017年2期
关键词:信号处理课程设计教学实践

毛彦欣 许波 周华伟

摘 要:文章探索了信号处理课程设计教学模式的改革并付诸实践。为了克服以往课程设计教学实践中存在的问题,我们采取自主选题和按班分组的方式,更新和改革课程设计内容,加强课程设计的过程管理并完善考核方式。实践证明,这种课程设计教学模式的改革取得了良好的教学效果。

关键词:课程设计;信号处理;教学实践

中图分类号:G642 文献标志码:A 文章编号:2096-000X(2017)02-0142-02

Abstract: This paper has explored methods of course design teaching and put it into practice. In order to overcome the problems existing in the teaching practice, independent topics and grouping method are adopted, the course design content is updated and reformed, the management is strengthened, and the assessment method is improved. Practice has proved that the course design reform has achieved good results.

Keywords: course design; signal processing; teaching practice

《信號与系统》是各高校信息类专业重要的专业基础必修课[1,2],它既是电路课程的延伸,又是后续信息处理类课程的理论基础,担任着承上启下的角色。《数字信号处理》理论则广泛应用于通信、信号处理、医疗电子、控制工程等科技领域[3]。在这两门课的教学过程中,经常遇到大量数学公式的推导,学习起来比较枯燥,因而可能降低学生的学习兴趣;而且这两门课的实践性与应用性都比较强[4]。因此,为了使学生更容易接受课堂理论,我们把抽象的理论与实际工程应用相结合,开设了信号处理课程设计实践环节,利用MATLAB软件加强学生对课堂理论的理解与运用,锻炼学生独立思考、综合分析问题并完成一些具体任务的能力。

一、课程设计教学实践中存在的问题

目前,很多高校开设了MATLAB上机环节[5]。但如果课程设计仅局限于每天几个学时的MATLAB上机,而上机内容则是利用指导书中已有的程序来验证或分析课堂上所学理论,最终又以实验报告来考核学生。这样的教学模式将会导致课程设计的机械化,学生会完全按照课程设计指导书中的步骤按部就班地进行,缺乏独立思考,始终处于机械、被动的学习状态,并不能真正地学有所获,也不能真正帮助学生理解那些晦涩难懂的理论,并将这些理论与实践相结合。因此,如何克服上述弊端,激发学生的学习动力和兴趣,真正实现自主学习,提高课程设计教学效果,需要我们深入探索和实践。

信号处理课程设计的目标是通过课程设计让学生更深入地理解信号处理与分析的基本概念和基本分析方法,激励学生将课堂理论运用于实践,为他们将来独立思考和解决实际工程问题奠定良好的基础。因此,信号处理课程设计可以通过融合了若干信号处理知识点的综合工程实例,激发学生的求知欲,拓展其知识面,更好地培养他们分析和解决相关问题的能力。

二、摆正理论与实践的关系

首先,有效利用现代化教学手段,提高理论课的教学效率和效果。其次,课堂上所讲授的理论均来源于历史长河中各种工程实践。在理论课教学过程中可以以这些理论来源为背景,介绍理论知识在工程实践中的应用,提高学生上课的兴趣,充分调动他们的积极性;同时,这些理论来源也有助于学生逻辑思维能力的培养。再次,课堂上要有意识地渗透课程设计的目标和大体实践内容,但要保留对课程设计中工程应用实例的具体解释,让学生存在未知知识,激发他们的求知欲。课程设计是对课堂理论的验证或综合运用,其内容既来源于课堂又高于课堂。在课程设计过程中,教师要注意引导学生去寻找工程实例的理论支撑,通过理论与实践的结合促进学生对课堂理论知识的深入理解和进一步运用。

三、改革课程设计的内容

信号处理课程设计内容应尽量跟踪或体现信号处理领域相应技术的发展与现状。以实际工程应用为背景,优化和层次化课程设计内容,力图提高学生对相关知识的学习兴趣。课程设计包含简易FFT分析仪的设计、音乐声道的合成与分解、抽样定理的工程实用、无失真传输系统的设计与分析,以及语音信号的分析与处理等。以语音信号的分析与处理为例,设计内容既包含对基本理论的验证,又包含对理论的综合运用。首先,让学生自己录制几段语音和音乐信号;然后,通过MATLAB软件对采集到的多种信号进行时频分析,研究不同语音及音乐信号的时频特点;对语音信号进行快慢放、变声、调制与解调、重采样处理。再次,设计合适的滤波器,对含噪语音信号进行降噪,并分析各种滤波方法的优缺点。最后,利用MATLAB GUI设计出一个语音信号处理虚拟实验平台。在设计任务中,给出一道提高能力的附加自选题,可以让学有余力的学生充分发挥积极性,得到更好地锻炼。在设计过程中,鼓励学生积极思考,并引导他们尝试从工程应用背景提出问题,注重问题的分析、解决与延伸,利用课程设计模拟科学研究的过程。力争让学生能够将理论原理、实现方法和实际应用结合起来,培养他们的实际动手能力和创新意识。

四、重视过程管理

信号处理课程设计强调学生设计的自主性和团队合作精神。根据课程设计具体任务和要求将学生分组,每组成员约5~6人,并兼顾学习成绩和动手能力的强弱,进行互补组合,以便他们合理配合,共同学习进步。每组由教师指定或组员推举一位组长负责分配和协调该组每位组员的具体分工,全组同学既要独立思考又需集体讨论、分工合作。学生按组讨论并自行拟定设计方案,分工负责编写MATLAB程序并仿真实现设计任务。在设计初期,教师要指导学生如何查阅设计所需的相关资料,让学生掌握良好的查阅方法和习惯。在设计过程中,注意引导学生寻求每个课程设计任务的理论支撑,锻炼和提高他们的逻辑思维及分析问题的能力,注意加强学生之间的相互交流与合作。整个设计过程都应以学生自我设计为主,教师主要做宏观指导,改变以往授课时“唯教师”的学习习惯。另外,通过对整个课程设计过程的监督和管理,教师要详尽掌握各组的进展及遇到的问题,有针对性地进行指导。这样,通过课程设计过程中的互动,学生得到了更好的锻炼,教师也可以更充分地了解各个教学环节,全面掌握学生在课程设计过程中的整体表现。

五、完善考核方式

我们不再采用简单的提交课程设计报告的形式来考核,而是加强对学生在整个设计过程的检查和监督,将学生的具体表现纳入平时成绩的评定。同时,组织学生之间进行平时成绩的互评,组员的个人表现都会影响到整组的总体成绩,从而促进学生学习的主动性,培养学生的责任心和合作精神。

课程设计的最终成绩由三部分构成:1.平时表现占40%,根据学生的设计态度、实践和创新能力给予相应评分,并适当参考每组学生的互评成绩。2.课程设计报告占25%,教师给定报告的规范格式,每组需上交一份详尽的课程设计综合报告,报告中必须注明每位组员的具体分工及其设计内容。根据组员的课程设计完成情况、报告内容与参考标准(或答案)的符合程度来考查学生分析设计的正确性与逻辑严谨性。3.答辩成绩占35%,主要考核学生对课程设计内容及其相应理论知识的理解与掌握程度。答辩过程中,不仅要考查学生对自己分工负责内容的熟悉程度与完成情况,也要考查其对整个设计内容的掌握程度。明确给出五级量化考核标准,做到公平公正。但要注意的是,每组成员在合作完成课程设计任务的过程中,具体分工任务的难度和贡献大小都会有所区别。所以,在最终成绩的评定上,应合理处理小组成绩与个人成绩之间的关系。为了体现成绩的区分度和公平性,在小组成绩的基础上,根据个人任务的难度、完成情况、课堂表现,适当调整个人成绩。

六、课程设计改革的效果

新的信号处理课程设计教学模式摆脱了以往机械、被动的学习形式,给予了学生充分动手实践、自主学习的机会。与实际工程应用相结合的设计内容更利于激发学生的学习兴趣,促使学生综合运用所学理论知识加强对课堂理论的深入理解与掌握。這对后续课程的学习甚至毕业设计都起着重要的帮助作用。另外,资料的查阅也培养了他们的自学能力。层次化的课程设计内容激发出了学生探索新知识的热情,使部分学生乐于尝试,较好地完成了设计任务,少数优秀学生不仅根据要求完成了设计任务,并且还有所扩展。通过一次课程设计,学生经历了查文献、自学、分析解决问题、总结报告的整个过程,设计任务的最终完成给予了他们很大的成就感和自信心。另外,教师也通过对整个设计过程的监督、指导和考核,详尽掌握课程设计的整体情况和教学效果。实践证明,这种信号处理课程设计教学模式能够克服以往教学过程中的弊端,做到让学生学有所获,取得了良好的效果。

七、结束语

作者根据多年教学经验以及在教学实践中遇到的问题,改革了信号处理课程设计的教学模式。几个学期的实践给予了我们很大的收获和启发。首先要摆正理论和实践的关系,使理论教学更好地跟课程设计相辅相成,互为补充;其次,要从课程设计的具体选题、过程管理、考核方式等多方面进行改进,提高教学质量。另外,要积极寻求完善信号处理课程设计过程的多种方式方法,优化教学效果。总之,如何让课堂理论更生动易懂,更好地培养学生汲取新知识、理论联系实际分析解决问题的能力,是我们不断尝试和努力方向。

参考文献

[1]李敏通,赵继政,等.信号处理类课程群课程体系建设与教学改革探[J].高教学刊,2015,14:90-91.

[2]罗倩,朱希安.应用性“信号与系统”课程设计改革探索[J]. 中国电力教育,2013,29:58-59.

[3]程佩青.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社,2013.

[4]杨智明,彭喜元,等.数字信号处理课程实践型教学方法研究[J].实验室研究与探索,2014,33(9):180-183.

[5]尹霄丽,牛泽群.软硬件结合的“信号与系统”课程实验教学[J].电气电子教学学报,2016,38(3):116-119.

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