“信号与系统综合设计实验”教学改革与实践

王 玲, 许 可, 万建伟

(国防科技大学 电子科学与工程学院, 湖南 长沙 410073)

0 引言

“信号与系统综合设计实验”是我院开设的与信号处理系列课程配套的、本科必修的一门实践课程，在信号处理课程体系中占有重要地位。该课程依托我院信号处理实验室提供的实验环境开展实施，课程要达到的三个目标分别是知识目标、能力目标和素质目标。

知识目标就是通过这门课程的学习、实践，使学生更加深入地理解和掌握所学的理论知识，探究实验中所用到的理论算法；

能力目标是指通过该综合实验，使学生提高运用知识分析和解决问题的能力以及工程实践能力，系统了解从理论分析到仿真计算，再到工程实现的过程；

素质目标是指通过该综合实验，使学生形成良好的团队协作精神，锻炼其自主学习、获取知识的能力，培养其严谨求实的工作作风、良好的环境保护意识和用电安全意识。

该课程是在大三信号处理系列课程学习结束后，集中两周时间在夏季短学期开展的，共36学时。在这个时间节点，学生已完成了基础理论课程的学习和基本的课程实验，具有一定的理论知识和实验技能，有能力完成该综合实验课程。同时，该课程实施又为后续的毕业设计、工程实践和科学研究打下良好的基础，该课程承前启后的地位，如图1所示。

图1 “信号与系统综合设计实验”课程承前启后的关系

1 课程的设计理念及实施过程

我院的“信号与系统综合设计实验”课程采用基于学习和实践的项目PBLP(Project Based Learning and Practice)教学法，这是一种以实践为导向、教师为主导、学生为主体的教学理念，它从职业发展变化的实际需要出发，选择典型的项目为教学内容，通过师生共同实施项目内容进行教学活动；这种理念在项目任务完成过程中，能使学生积极地通过持续探索、团队协作参与学习、自觉地进行知识建构。基于项目的教学强调活动的实践性，活动过程中强调密切合作，学习小组为完成任务共同努力。这些特点非常适合信号与系统综合实验的开展[4]。

课程在这一理念贯彻下，具体实施过程是参照科研项目的研究流程来进行的，由四个环节构成，分别是选题立项、方案论证、组织实施和测试验收，如图2所示。由学生作为项目负责人带领团队成员切身体验一下科研项目的研究过程，这不但为学生以后参加科研工作奠定基础，更重要的是培养学生团队合作精神。

图2 综合实验课程的四个环节

(1)选题立项：我们首先发布综合实验课题，学生围绕发布的实验课题，通过查阅相关文献、资料，了解课题研究背景，选定要完成的实验课题；学生也可以选择自己感兴趣的信号处理领域的相关课题，与指导教师沟通、审定后作为实验课题。我们已进行了3年的教学实践，开设的部分实验课题有：基于FFT的频谱分析与测量系统的设计；音频信号干扰抑制系统的设计；基于IIR滤波器的数字音频混响器设计；数字音乐均衡器的设计；数字混频及IQ转换器的设计；基于多相滤波器的采样率转换系统的设计；时域重叠信号的分离及重构实验等；涉及数字图像处理的实验课题有：数字图像的去噪处理；数字图像直方图统计及均衡化增强；数字图像边缘检测；数字图像的锐化、取反；图像融合算法研究等。一般在2周的课程实施中会发布3-4个实验课题，加上学生自选课题，就可以满足需要了。例如：列出三个典型的实验课题介绍如表1所示。

表1 部分实验课题简介

(2)方案论证：选定课题之后，以小组为单位(每个小组一般为2个学生)，学生要针对具体实验课题进一步深入地学习相关理论知识，明确选题的要求和目标、需要完成的任务，从而设计完成任务的步骤、最终实验结果的展示等；在本阶段，还要求每个小组在规定的时间点上进行实验方案汇报，以报告(presentation)的形式进行陈述。指导教师给出建议、点评，其他学生也可以提出问题进行交流。通过实验方案汇报交流，对方案的可行性、工作量、难易程度等都有了较好的把控，这有利于实验的顺利进行，保证学生在有限的两周时间内完成实验任务。

(3)组织实施：在前期准备的基础上，这阶段要在实验平台上开展实验。我们采用的是瑞泰ICETEK-VC5509A、DM6437A集成实验平台，由于在前期的课程实验中，通过相关的基础实验已使学生快速熟悉、掌握这一实验环境，学生对在该实验平台上开展综合实验课题是有信心的。学生根据实验方案设计的步骤、按计划进行研究，首先进行仿真实验，利用Matlab编程完成实验算法的仿真、实验参数的调试以及实验结果的分析、统计等；参考、利用实验平台资源提供的例程程序，根据仿真实验结果，完成在硬件平台的程序修改和编写，对系统进行性能分析；比较仿真实现与硬件实现效果上的差异，提出改进措施；总结设计、调试过程，写出实验报告。

(4)测试验收：在测试验收阶段，每组学生要求以PPT形式报告实验内容，并现场运行实验结果，回答指导教师和同学的提问，讲述遇到的问题、解决方法以及自己的体会和收获。指导教师根据每个小组的课题的难易程度、预期目标的实现情况、答辩情况和最终结果以及提交的总结报告等，最终确定各小组的成绩。

基于学习和实践的项目教学法，“信号与系统综合设计实验”整个实验过程都是以学生为主体，教师为主导，以小组为团队，相互协作，完成任务。

2 实施效果

经过3年的建设发展，“信号与系统综合设计实验”已成为学生喜欢、收获较大的实践课程。基于学习与实践的项目教学法激发了学生对实验课题的兴趣，提高了学生在实验过程中主动发现问题、解决问题的积极性。这方面，从学生对该课程的评价和实验心得体会中可以看出。例如，有的学生在实验心得中写到：“通过该实验过程，在几个方面收获很大：①将四年所学到的一些知识串联起来，需要用到的很多理论知识在我们先修课程中都能找到影子，因此为了能够更好地理解，就需要自己去联想和回忆已经学过的知识；②对图像边缘检测的理论知识和基本方法有了一定的掌握，设计实验最重要的就是能够在短时间内学习一个新的知识并能够实现，在本次设计实验中自己查阅了很多书籍和资料才搞明白了这个问题，虽然整个过程并不很顺利，但是真正弄明白之后还是觉得很有成就感；③对CCS平台能熟练使用，在较短的时间里学会创建工程、调试程序，读懂相关例程，完成程序的修改，得到所预期的结果，并对比分析仿真结果与实际平台的处理结果，了解一些在实际实现中可能遇到的各种影响。”

在实验过程中，我们鼓励学生自主设计课题、或对原课题进行修改，对有想法、又能付诸实施的学生予以鼓励和支持。基于学习和实践的项目教学法提高了学生的自主学习能力和动手能力，培养了团队合作精神，调动每个人的聪明才智，共同克服困难，完成任务。这种实践过程对后续的毕业设计以及大学生电子设计竞赛都起到了良好的促进作用。

3 结语

基于学习和实践的项目教学法，非常适合“信号与系统综合设计实验”这门与信号处理系列课程配套的重要实践课程，通过3年的探索实践，学生普遍认为该课程进一步巩固、加深了其对相关理论知识的理解，使其掌握了常用的分析方法和实现方法，提高了其综合运用信号处理技术的能力，如信号分析技术、数字滤波器设计技术和DSP实现技术等，同时也挖掘了他们自身的潜力，并调动了其主观能动性。

[1] 刘景福， 钟志贤．基于项目的学习(PBL)模式研究[J]．长春：外国教育研究，2002，29(11)：18-22．

[2] 章雪梅． 基于项目的学习及其教学设计． 教育信息技术[J]．广东：，2009，( 2) : 24-26．

[3] 朱金秀，陈小刚，朱昌平．项目式实验教学的探索与实践[J]．上海：实验室研究与探索，2008，27(11)：93-95．

[4] 王立强,王晓萍，杜立辉. 基于项目学习和实践的课程改革创新探索[J]. 上海：实验室研究与探索，2012，31(4)：114-116．

补遗

本刊第38卷第5期(2016年10月)刊登的论文“用于电类专业综合创新的教学实验平台”(作者：东南大学吴乐南)，漏注：江苏高校品牌专业建设工程资助项目(项目编号：PPZY2015A035),特此补遗。

电气电子教学学报编辑部