“信号检测、处理及实现”课程体系建设

徐科军， 黄云志

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院， 安徽 合肥 230009)

0 引言

自动化专业是以信息为基础、以控制为核心、立足于系统的一个专业。在自动化专业课程建设中，我们围绕着信息、控制和系统三大要素，将信号为主线的本科课程：“传感器与检测技术”、“电气测量技术”、“信号分析与处理”、“图像处理”、“自动化仪表”、“过程控制系统”、“MSP430单片机原理与应用”和“DSP原理及应用”等以及按照工程系统中信号检测、转换、处理和实现环节设置的课程，组合构建了“信号检测、处理及实现”课程体系[1,2]，如图1所示。围绕这一课程体系，从理论和实践两方面展开教学，并以学生为中心，优化课程内容，改革实践教学，加强培养创新思维和工程实践能力，提升工程教育质量。

1 优化课程设置

“信号检测、处理及实现”课程体系包含多门课程，在内容的设置上突出自动化专业特点，既考虑体系内课程之间内容的贯通，又兼顾与其他专业类课程的先修后续关系。遵从这一原则，课程体系的课程设置思路如下。

图1 “信号检测、处理及实现”课程体系

2005年以前，我校自动化专业并没有开设“数字信号处理”这类课程的。但是，随着计算机和信息技术的迅速发展，以信息化带动工业化已经成为发展工业的一种策略。为此，我们在本科生中开设了“数字信号处理”选修课程[3]。由于学时有限，考虑到自动化专业已经开设了“自动控制原理”课程，这门课程介绍了系统的知识，所以，我们将该课程中“信号与系统”中的信号部分和“数字信号处理”课程合起来，形成课程体系中的“信号分析与处理”课程。

根据自动化专业特点，我们还整合了原先的“传感器与检测技术”课程内容[4]。传感器的种类很多，涉及多种原理和器件；检测技术的内容广泛，包括很多方法和系统。但是，就自动化专业而言，核心是控制，检测为控制提供信息，并检验控制的效果。所以，整合后的课程教学内容为传感器和过程控制量检测技术。在传感器部分，介绍典型的电阻式、电感式、热电式、光电式、压阻式、半导体传感器工作原理和结构组成，介绍这些传感器在运动控制中位移、速度、加速度、转速和转矩等检测中的应用。在检测技术部分，讲授过程控制中常用的温度、压力、流量、物位和成分的检测技术。

考虑到课程体系中，“传感器与检测技术”与“自动化仪表”都涉及到过程工业中4大被测量的检测问题，即温度、压力、物位和流量的检测。我们把温度、压力和流量传感器放在“传感器与检测技术”中讲授，而物位部分放在“自动化仪表”中讲授，即敏感原理和检测技术放在“传感器与检测技术”中，而涉及过程控制的装置部分放在“自动化仪表”中。

在构建课程体系中，除了课程设置之外，特别注意帮助学生形成完整的知识体系。例如，在“电气测量技术”课程教学中学生掌握了测量电桥的工作原理后；在“传感器与检测技术”课程中的电阻式传感器的输出需要电桥转换成电压，从而实现压力测量的衔接；“自动化仪表”课程介绍的变送器是将电压信号变成工业过程控制系统的标准信号：4-20mA DC输出，从而形成压力变送器，同时，要考虑工业现场的防爆等问题。再例如，在“信号分析与处理”课程中，介绍数字滤波器的设计，而在“DSP原理及应用”课程中则介绍如何使用DSP芯片去实现数字滤波器。

2 教学资源建设

在构建“信号检测、处理及实现”课程体系中，我们积极开展教学资源建设，先后出版了6本教材和10本教学参考书，编写了6本实验指导书，如图2所示，形成了较为完整的“信号检测、处理及实现”课程体系的教材、参考书和实验指导书，这些书在培养学生知识、能力、素质和推动工程教育一体化教学改革中发挥了积极的作用[5]。

在出版的教材中，《传感器与检测技术》被评为普通高等教育“十一五”国家级规划教材、2009年普通高等教育国家精品教材、2010年全国电子信息类优秀教材一等奖和普通高等教育“十二五”国家级规划教材，发行了14多万册，被近100所高校选作教材。《信号分析与处理》被评为普通高等教育“十一五”国家级规划教材和普通高等教育“十二五”国家级规划教材，发行了约2万，被多所高校选作教材。《电气测试技术》被评为普通高等教育“十一五”国家级规划教材，发行了约2万册，被多所高校选作教材。

3 积极开展实验室建设

在课程体系建设中，我们以科研积累为基础，自制实验设备，争取学校支持和国内外企业的捐赠，加强实验室建设。

(a)教材

(b)参考书

(c)实验指导书图2 “信号检测、处理及实现”课程体系教学资源建设

3.1 “传感器与检测技术”实验室建设

传感器与检测技术实验室成立于1989年，但是，一直以来实验设备套数很少，并且陈旧。2008年我们利用日行贷款重新购置了36套传感器综合实验仪、个人计算机和数字存储示波器，开设传感器与检测技术综合实验。近几年，又利用211建设经费，借助国内最大的自动化仪表生产企业-重庆川仪自动化股份有限公司的设备捐赠以及我们自己的科研积累，建立了2套传感器动态特性实验仪、1套视觉测量实验系统、2套流量测量系统水标定实验装置和2套气液两相流测量实验装置，以进一步开阔学生的视野，培养其工程实践能力。

3.2 “DSP原理及应用”实验室建设

DSP实验室成立于2002年，是由我校与美国德州仪器(TI)公司共建的数字信号处理联合实验室和MSP430单片机联合实验室组成的[6]。该实验室得到TI公司多次设备捐赠和经费支持，有力地支持了实验和教学。我们根据在C2000 DSP方面的科研成果和工作积累，自主研制了内容丰富、接线方便和显示直观的适用于教学的TMS320LF2407A实验箱20套并编写了实验指导书，约1050名学生在这里进行了实验。在此基础上，为使学生掌握最新的DSP技术，我们又研制成功了43套C2000系列中更高性能的TMS320F2812的DSP实验箱。迄今已有3100多名本科生和研究生进行了实验。这些自制的实验箱现已推广到解放军合肥炮兵学院和浙江大学宁波理工学院。

4 以学生为中心，拓展实践教学

4.1 加强实验教学

在“信号检测、处理及实现”课程体系中，我们根据各门课程自身特点，设置了不同的实验课时。

“传感器与检测技术”课程开设30学时的综合实验。在开展综合实验之前，授课教师专门安排了4个学时的讲座，介绍“传感器与检测技术”在“自动化”专业知识体系中的位置和重要性；介绍实验中涉及的传感器的主要结构、工作原理、测量电路和基本应用；介绍实验过程和数据处理方法，并提供数据处理的Matlab程序。

“信号分析与处理”课程中安排了8学时实验，用Matlab进行数字信号处理实验，使学生在学习了信号处理的基本知识和理论方法后，能够真正地应用，而不是仅仅停留在理论阶段。

“DSP原理与应用”课程经过几轮的教学实践，形成讲课16学时、实验16学时的教学方式[7]。理论和实践结合，边做边学，使学生加深对理论体系的认识和理解，提高动手实践能力的培养。

4.2 重视毕业设计

围绕系列课程的内容，从科研开发中提炼出一些难度和工作量适中的技术问题，作为学生毕业设计的题目，既帮助学生巩固了所学知识，又锻炼了学生的动手能力，取得较好的效果。从2007年以来，每年至少有一位本科生获得校优秀毕业论文奖励。

4.3 鼓励学生申报和主持创新项目

近几年，指导本科生共申报和完成了20多项国家级、省部级和校级的创新项目，通过科研项目的申报和完成，使参与者熟悉了如何寻找问题、确定问题和解决问题的全过程，调动他们主动学习的积极性。

4.4 承办学科竞赛平台

从2008年开始，我们多次主办或承办各类大学生科技竞赛。(徐科军等文)

这类竞赛有2008年德州仪器 (TI) C2000 DSP 大奖赛决赛、第五届“英飞凌杯”嵌入式处理器设计应用大奖赛华东区复赛；安徽省MSP430低功耗单片机应用设计大赛决赛、合肥工业大学MSP430低功耗单片机应用设计大赛等。

我校约500多名本科生参加各类赛事，获得多项奖励；在“英飞凌杯”第五届全国嵌入式处理器设计应用大奖赛总决赛中我校获得唯一的最佳组织奖。这些科技竞赛为本科生提供了较好的实践平台，激发学生参加创新的兴趣，提升了学生创新思维和工程实际能力，培养了团队合作精神。

5 结语

面向自动化专业构建的“信号检测、处理及实现”课程体系，贯彻工程教育理念。经过几年的实践，我们优化了理论教学内容，创新实践教学环节，出版了一批优秀的教材，建设了丰富的教学资源。以学生为中心，以产生为导向，在学生创新思维、工程实践能力及团队合作精神的培养上取得较好的效果。

[1] 徐科军.信号检测、处理及实现系列课程建设探讨，南京，电气电子教学学报，2009，31(2)：11-12,24.

[2] 黄云志，徐科军.以学生为中心，加强系列课程教学团队建设--以合肥工业大学为例，合肥，合肥工业大学学报(社科版)，2012，26(1):134-137.

[3] 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，南京，电气电子教学学报，2007，29(6):103-104,107.

[4] 徐科军.“传感器与检测技术”课程建设探讨，南京，电气电子教学学报，2009，31(3):23-24.

[5] 徐科军，黄云志.信号检测、处理及实现系列教材建设，南京，电气电子教学学报，2014，36(4)：114-118.

[6] 徐科军.黄云志.校企合作培养创新人才的探索与实践，北京，中国大学教学，2014，(7)：52-55.

[7] 黄云志，徐科军.“DSP原理及应用”课程教学模式的研究，南京，电气电子教学学报，2007，29(5)：109-111.