以实践应用能力培养为导向的专业学位 研究生课程教学改革研究

彭芳 吴军 马健 向建军

摘  要 以专业学位研究生随机信号处理课程教学为对象，分析课程教学现状和构建实践性课堂存在的问题，提出以培养实践应用能力为导向的教学改革路线。通过优化重构教学内容体系、开展分层实践教学活动、创新Seminar教法形式、紧贴装备拓展理论实践技能，以及完善综合考核机制等举措，提升研究生的自主学习和实践应用能力，取得良好的教学效果，为研究生毕业后胜任第一任职岗位打牢基础。

关键词 随机信号处理;专业学位研究生;实践应用能力;教学改革;MATLAB;Simulink;MOOC;通用DSP开发平台

中图分类号：G643.7    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）20-0080-05

Research on Teaching Reform of Professional Degree Graduate Course Guided by Cultivation of Practical and Applied Ability//

PENG Fang， WU Jun， MA Jian， XIANG Jianjun

Abstract Taking the course teaching of Random Signal Processing for the graduate students of professional degree， this paper analyzes the current situation of the course teaching and the problems exis-

ting in the construction of practical class， and puts forward the tea-ching reform route based on practical application ability. Through optimizing and reconstructing the teaching content system， opening up the practice teaching activities in stratified practice， innovating the Seminar teaching method， sticking to the equipment for expan-

ding the theoretical and practical skills and perfecting the compre-hensive check mechanism， the self-learning and practical application ability of graduate students is improved， so it has achieved good tea-

ching results and laid a solid foundation for the first station.

Key words random signal processing; professional degree graduate; practical and applied ability; teaching reform; MATLAB; Simulink; MOOC; general DSP development platform

1 課程建设背景

近几年来，我国军队研究生教育正加速由学术型人才培养为主向应用型人才培养为主的转变，为培养和造就大批高层次新型军事人才，打赢信息化战争提供强有力的人才和智力支持。积极发展专业学位研究生教育，不仅是适应军队研究生教育“三个转变”的需要，也是院校教育“向实战贴近，向部队靠拢，向装备聚焦”的迫切要求[1-2]。专业学位研究生教育旨在培养具备宽广领域知识、较强实践能力、优良职业素养的高层次应用型专门人才，因此在专业课程教学中需以实践应用为导向，以培养工程应用人才为目标，以“建立实践性教学体系，突出逻辑解题能力培养”为方法，全面构建实践性课堂。

专业学位研究生的课程建设，在教学理念、教学内容、质量标准、教学方式等方面，应区别于过去学术研究型人才的培养[3]。随机信号处理课程是空军工程大学立项建设的专业学位研究生课程，课题组在2017年承担了电子与通信工程专业学位研究生60个学时的该课程教学任务，依据前期对专业学位人才培养目标与定位的初步认识，以及前期课程建设中积累的一些素材和经验，着重从更新教学理念、优化重构教学内容、分层实践教学、创新教学方法、课程综合考核等多方面开展有益尝试，取得较好的教学效果。

2 随机信号处理课程教学现状分析

随机信号处理课程是信号与信息处理专业通信处理理论与技术方向，以及电子与信息系统专业雷达与通信信号处理方向硕士研究生的一门核心专业基础课程，也是一门学时较多的学位课。如何在较强的背景噪声下提取真正的信号或信号的特征，并将它们应用于工程实际，是信号处理理论的一个重要内容。工程应用中遇到的实际信号大都具有随机特性，研究随机信号的分析与处理方法有着重要的理论意义与实际意义。

本课程主要讨论现代滤波的基本理论以及基于信号模型分析的基本方法，以维纳滤波器为基础内容，以卡尔曼滤波、自适应滤波器和现代谱估计为核心内容，初步探索高阶矩谱估计、时频分析、小波变换等现代数字信号处理中的新理论和新技术[4]。随机数字信号处理在理论上涉及范围广泛，概率统计、随机过程、数值分析等是它的基本工具，信号与系统、离散时间信号处理是它的理论基础，在学科发展上与最优控制、通信理论等紧密相连，近年来又成为人工智能、模式识别、神经网络等新兴学科的理论基础之一，其应用拓展到众多的电子工程领域，如雷达、通信、电子对抗等，为复杂电子信息系统的数字信号处理实现提供坚实理论支撑。

專业学位研究生人才培养要求应以实际应用为向导，以综合素养和应用知识与能力的培养为核心，尤其是专业课程教学必须强调实践性和应用性[5]。现有课程教学资源与学员创新能力的提高，以及创新性实践教育模式的运行之间还存在一定的差距，主要表现如下。

新型信息化武器装备技术在课程内容的前沿性中体现不足  通常课程前沿性是指研究生课程内容体现学术上的先进性、高端性、创新性，是科学或学科最新成果在课程内容上的体现。对于电子与通信工程专业方向的专业学位研究生而言，毕业后主要担负高度信息化的航空电子装备保障任务。近年来，院校教育改革的主要方向是培养岗位指向明确的高层次应用型人才，在专业学位研究生培养目标上，如何在追求学术创新的同时，更要针对部队的任职需求，加强岗位任职能力的培养，实现专业学位研究生教育与任职教育的融合发展，仍是值得深入研究的问题[6]。因此，在航空电子信息化装备平台和技术日新月异的今天，新装备新技术在教学内容中的有效嵌入需要精心的教学设计与准备。

课程的教学实践内容与实战化教学贴得不紧密  通常随机信号处理算法的计算机仿真实现主要基于MATLAB软件仿真工具来完成，其目的有三：1）编程实现某一具体算法;2）对影响算法效果的各种因素进行分析;3）对同一种用途下的不同算法进行对比分析，归纳各种算法的适用环境。目前，现有的一些实验内容大多为验证性实验，难度设置上偏低，没有充分考虑信息化电子系统所处的真实战场环境与信号处理过程;其次，大多数学员仅掌握了MATLAB基本的编程技巧，对基于GUI和Simulink的可视化仿真技术仍显生疏，无法有效搭建实时的、可视化仿真系统，难以支持基于Simulink仿真建模的探究性实验和基于DSP开发平台的开放性实验的开展。

教学方法手段较为落后，学员主动参与意识不强  目前普遍采用的“一言堂”式教学方法仅仅让学员知其“理”，很少让学员知道“怎么做”。以情景认知理论、建构主义、实用主义为指导，将课程教学从知识传授为主向知识应用与职业体验为主转变，用实践训练和研讨互动等多种形式突出实践性的教学手段明显不足，抑制了学员创新思维能力的发展。

专业学位研究生课程的多样化考核机制有待完善  在课程教学中应使研究生巩固专业基础，接触学科前沿，学习科研方法，接受实践训练，培养创新能力[5]。课程考核如何区别于学术学位的论文导向型评价体制，特别是实践能力的考核如何体现，怎样科学合理地设置权重，也是一个值得探讨的问题。

3 以实践应用为导向的教学改革路线

充分利用信息化教学资源，优化重构教学内容体系  为搭建宽广、复合、动态、实用的教学内容体系，基于信号在不同维度空间（时域、频域、时频结合）处理方法手段的诸多不同，以及将原理讲授与算法仿真实现和学术科研实践有机融合的思路，对教学内容进行优化和重构，实行“一纵三横”的模块化教学。以时域离散随机信号的分析为理论基础，以时域处理→频域处理→时频域的联合处理为主线，分解为四大教学模块（信号分析、时域滤波算法、功率谱估计、时频分析与小波变换）组织实施。

利用中国大学MOOC、学堂在线、优酷视频、微课网等网络平台上校外专家的教学视频和优质教学资源，如西安电子科技大学的数字信号处理MOOC，国防科技大学的随机信号处理教学视频等，借助MATLAB仿真软件、DSP软件开发系统等多种信息化实践手段，利用装备半实物仿真任务电子训练系统平台搭建的信息化仿真训练环境，将传统课堂教学扩展为课前理论自学、课堂知识导学和课后实践拓展的分布式教学体系，构建校内与校外、课内与课外、理论与实践有机融合的实践性课堂。基于信号处理维度主线划分的“一纵三横”教学模块如图1所示。

合理设计验证性、探究性和开放性实验，实现分层实践教学  精心设计基于MATLAB仿真的原理验证性实验、基于Simulink仿真建模的探究性实验，以及基于通用DSP开发系统平台的开放性实验等三个层级的实践项目。考虑系统仿真的直观性、实时性需求，实践项目难度亦逐步提升，对原理验证性实验要求是学员普遍掌握，对探究性和开放性实验根据学员专业方向的不同与动手实践能力的不同，在成果形式上没有统一要求。

1）原理验证性实践。该类实验的主要目的是：计算机编程实现相关算法，分析影响算法性能的各种因素;对解决同一问题的不同算法，比较其性能，归纳出算法的适用环境和优缺点;把抽象的信号处理形象化，通过信号处理前后的图像对比，使学员对滤波、谱估计等理论有直观感性的认识;提升学员的编程技巧（如多维输入输出下的卡尔曼滤波、自相关矩阵的编程实现等）。最终达到对随机信号处理基本经典理论的巩固和深入理解。

2）基于Simulink仿真建模的探究性实验。该实践项目主要依托Simulink图形软件开展信号处理系统的模拟与设计研究，由学员在课外自主进行。Simulink是一款与MATLAB融为一体，对动态系统进行模拟、仿真和分析的应用软件，该软件带有丰富的工程应用方面的工具箱，其中包括用于通信系统仿真、数字信号处理的工具箱。该工具采用框图形式语言，对于搭建动态模型非常直观、方便，且可以进行交互式系统仿真，可随时修改系统模型和调整仿真参数。此类实验的主要目的是：掌握设计随机数字信号处理相关算法的原理和方法;熟悉算法实现的特性;了解各种参数对算法性能的影响，获得最优策略选择。

实验内容包括维纳线性预测、自适应滤波器、自回归过程的参数估计和功率谱估计等，根据个人的专业方向选择其中一个任务，搭建相应信号处理系统模型，从MATLAB程序中自动生成C程序，对模型进行编译，选择合适的模型参数，实现复杂数字信号处理系统的模拟与仿真。在运行过程中调整模型参数，观测不同信号算法及参数变化对示波器、频谱仪等测量仪器输出波形的影响，研判系统仿真性能及精度的改善情况，实现理论与实践的紧密结合。

3）基于通用DSP开发平台的开放性实验。该实践项目主要依托一套通用DSP开发系统（ICETEK-VC5509-A型实验箱）和配备Code Composer Studio 3.1软件的计算机，开展自适应滤波器的算法研究和DSP仿真实现。自适应滤波器是一种复杂的算法，设计它是为了在信道均衡、抵消回波、增强谱线、抑制噪声等方面有所应用。在掌握算法工作原理的基础上，该开放性实践项目的难点主要体现在建立程序设计思路和流程图，通过CCS软件环境进行程序编写，把滤波程序烧录到DSP芯片中;还需进行程序的调试与运行，最后在CCS环境下查看仿真结果，可与MATLAB仿真结果进行比较。通过硬件产品设计、调试、开发，体验模拟仿真实现与实时系统应用间的差别，使学员得到创新能力的培养。在整个实践过程中还可逐步引入在研基金项目和科研训练项目等多样实践环节，培养学员的实践创新意识与能力。

针对不同教学模块的教学特点，创新教法形式  以“紧贴装备发展、探索学科前沿，创设应用语境、增强实践技能”为指导原则，在课前、课中和课后不同时间段，合理采用精讲课、专题研讨课、自主研究课、文献课、实验报告课和嘉宾论坛课等多种课堂组织形式，适当选取基于问题牵引式、案例式、对比式、Seminar等多种符合现代教育理念的教学方法，尤其是Seminar教学法实现了传统教学的单向传导模式向双向互动模式的转化，以利于激发学员的自主学习能力和实践创新能力[7]。下面以自适应滤波算法研讨课为例，介绍Seminar教学法的组织实施过程。

1）教学内容：自适应滤波算法改进的可能途径、应用条件及其优缺点，主要从自适应权值最优点搜索方法、步长的选择最优策略、滤波器结构选取对滤波性能的影响等三个方面入手。

2）教学目标：要求学员深刻理解自适应滤波算法优化的途径，在追踪前沿、问题求解、总结归纳的基础上，敢于质疑，提出自主创新的新思路。

3）组织方法：采用Seminar教学法，组织方法和实施步骤如图2所示，分课前自学、课堂研讨、课后深化三个教学阶段进行。

①组织实施与课前自学阶段。教员课前确定“自适应滤波算法的优化策略”研讨主题，给出六篇主要参考文献，以最优权值选择、步长参数最优策略、滤波器结构优选为研讨内容，确定研讨目标要求和时间分配。学员分组选定题目后，以指定文献阅读为主，通过中国知网等平台自主查阅相关辅助资料，组内讨论后形成独立的观点，制作成PPT用于课堂展示和讨论。该阶段以学员课外自主学习为主，教员提供必要的指导，根据学员的问题通过院研究生课程教学网站平台进行分类指导。

②协助引导与课堂研讨阶段。这一阶段，首先由教员简单介绍本次所要讨论的主題和相关知识点，以及分组自主研究情况等;然后各小组分别做汇报和陈述;随后围绕主题，课程参与者向报告小组提问或给出意见和建议，并积极讨论，最后由教员点评总结。在课内的整个过程中，教员需要维持好课堂研讨气氛的活跃度，控制发言时间，引导讨论的进程和方向，及时指正学员汇报讨论中可能出现的错误，保证Seminar的顺利进行。本次课学员的课堂研讨评价结果计入最终的文献报告研讨总分。

③实践运用与课后深化阶段。课后教员仍继续引导学员积极关注自适应算法优化理论在现代雷达、通信工程实践中的应用，鼓励其利用MATLAB和Simulink仿真工具开展算法仿真，并紧密结合其论文研究方向提出自主创新的算法，并进行仿真验证与运用。学员根据课堂上提出的问题和建议，将三个方面的研讨内容进行整理，按照研讨论文格式要求形成一份关于自适应滤波算法优化策略的综合研讨报告，梳理提炼出可能的创新优化方法，熟练运用数值软件仿真工具进行仿真验证，分析其正确性和有效性。

紧贴预警探测新装备运用，拓展理论与实践技能  以专业学位研究生的任职岗位需求为牵引，在课堂教学过程中紧密衔接信息化预警探测装备新技术的运用，及时将现役新的信息化装备中信号处理问题与解决方案充实到课堂中来，实现随机信号处理新、旧理论的动态衔接，使学员较快地熟悉信息化装备中信号处理的一些关键技术。

以第二专题教学为例，维纳滤波和卡尔曼滤波的课程内容与组织形式如图3所示。首先以精讲课形式介绍两种现代滤波算法的基本原理;其次通过计算机编程对算法进行仿真实现;然后以课堂串讲和文献阅读的方式了解算法的具体应用;最后结合空中预警雷达探测新技术开展相关理论拓展研究，以及模拟战场环境，拓展其实践能力。

在理论拓展环节，以经典维纳滤波理论为基础，以当前军用航空电子装备广泛应用的阵列信号处理技术以及某型机平台应用的空时二维自适应信号处理关键技术为背景，开展多级维纳滤波器的主题文献研讨。教员指定一组学员并发布研讨任务，学员利用课外进行文献资料收集，制作PPT以课堂研讨的形式进行汇报，重点对算法原理和算法步骤进行解析，总结该算法与经典维纳滤波的异同点，深入思考阻塞矩阵的构造方法。汇报结束后，通过提问和讨论的方式形成一种生生互动、师生互动的良好局面。通过理论拓展，使学员更深刻地理解了多级维纳滤波器的基本原理，熟悉该算法在机载雷达下视工作时的杂波抑制和慢动目标检测中的运用机制，以及因其良好的降维特性在工程应用中的广泛性。

在实践拓展环节，以经典卡尔曼滤波算法为基础，以某型机平台应用的自适应机动目标跟踪模式及关键技术为背景，开展基于交互多模型和卡尔曼滤波的机动目标跟踪仿真实践。卡尔曼滤波被广泛应用于雷达对运动目标的探测与跟踪，在以往的实践教学中，主要考查学员对递推算法流程的掌握程度和数值仿真计算的能力，仿真环境的设置相对简单，如目标设置为匀速或匀加速运动，且在观察时间内运动状态无变化。然而，实际战场环境中的运动目标随时会出现转弯、躲闪或是其他特殊的攻击姿态等机动现象，通常不会保持同一种运动状态，显然采用固定的系统状态方程无法描述机动目标的运动特性，因此需要构建贴近战场真实态势的仿真环境，采用交互多模型（IMM）技术来实现对机动目标的跟踪。如仿真环境可设置为：目标在一段时间内的运动过程中，运动速率保持不变，但是在几个不同时段分别以不同的转弯速率进行机动，其余时间则进行匀速运动。

系统的观测噪声标准差已知，交互多模型算法的模型集由七个具有不同转弯速率的协同转弯模型构成，通过计算机编程结果观察机动目标跟踪的效果[8]。由于该任务工作量较大，指派四人为一组来完成，其中两人通过查阅文献或专著，分别汇报扩展卡尔曼滤波算法理论和交互多模型滤波理论，以文献汇报为主;另外两人协同开发仿真程序，课堂上主要汇报编程过程和实验结果。通过该实践拓展过程，学员依据卡尔曼滤波基础知识，自主学习掌握了交互多模型算法的基本原理，熟悉了交互多模型+卡尔曼滤波的滤波算法流程，仿真实现了具有复杂运动状态的机动目标跟踪。

其中，两名负责编程的学员在教员指导下都独立完成整个算法的程序编制，但两人在编程技巧上各有所悟，如在多维矩阵数组的编程中，分别采用元胞数组和结构体来实现，使程序更为灵巧短小，较大地提升了他们对课外专业知识的掌握能力和实践创新能力。

完善综合考核机制，区别学术学位  根据教学目标模型，改变以往笔试为主的课程考核方式，采用基于过程、注重能力的考核评价思路与方法，加大研究报告、设计制作、案例分析、想定作业等在考核中的比重，推广专题答辩、研究报告等综合考核方法，建立科学严谨、操作性强的课程成绩评价体系。

专业学位研究生教育与学术型研究生教育的教学目标有所区别，前者的教学重点是强调任职后的应用能力，即在岗位实践中解决问题的能力;而后者着重培养学员的研究能力。因此，对于专业学位研究生的课程考核也必须进行相应的调整与改革。调整后的课程考核方式以及与学术型考核的对比如表1所示。由表1可见，专业学位的课程考试方式是五项加权为学员的最终考试成绩。其中增加了课程作业指标考核，作业内容为几个专题中经典算法的编程实现，包括维纳滤波、卡尔曼滤波、经典谱估计、现代谱估计、自适应滤波实验中的五个经典算法，考核目的是使每名学员都能掌握经典算法的原理与实现，提高编程技巧。

其次，课程论文指标考核主要考查学员运用本课程所学理论解决工程实际问题的能力、论文撰写能力等。对专业学位所设置的该项指标权重低于学术型考核，且论文选题要紧贴自身的研究方向，论文可以用专题研究、研究报告、案例分析、调研报告等多种形式呈现。对于学术型研究生而言，要求更为严格，必须体现学术论文的规范性和研究成果的创新性，达到期刊发表要求。

此外，在研讨指标权重的设置上，专业学位研究生的该项考核权重要高于学术型，且研讨以主题研讨为主，即由教员指派具体任务，包括理论拓展与实践拓展两个环节，分别体现了理论的前沿性和技术的实用性。对于学术型研究生而言，研讨是以文献研讨为主，文献要求反映近几年发表的本学科领域的重要学术观点和最新成果，以学员讲解文献为主、集体讨论为辅，通过教员总结点评的形式开展。

4 结语

总之，专业学位研究生教育是当前及未来我军高层次应用型人才培养的主战场，其成败关乎能否满足高技术战争的人才需求，具有至关重要的政治和军事意义。进行军队专业学位研究生教育改革，要以教学团队建设为先导，以教学模式创新为核心。在本轮课程建设过程中，课题组成员利用教法研讨、教学实践、培训竞赛、演习演练、课题研究、技术支援等手段不断提升教学水平，形成一支师德师风好、学术水平高、教学能力强，以学科带头人为核心的胜任教学任务的课程教学团队。同时在教学理念、课程内容、教学方法、课堂形式、考核评价等方面开展了初步的改革嘗试，加大了应用能力训练内容的比例，在学员的互动参与中收到良好的教学效果，学员普遍反映自己的实践应用能力得到锻炼，分析问题与解决问题的能力得到提升。

今后将继续把握高层次应用型人才培养的特点与规律，以全面提升专业学位研究生的实践、应用与创新能力为主导，使课程建设更加能凸显专业学位研究生教育的特定职业指向性、较强实践创新性、职业性与学术性相统一、理论知识与应用能力相统一的基本特征[9]。■

参考文献

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