信号分析与处理系列课程教学改革与实践

王 坚，李玉柏，李 桓，杨 鍊

(电子科技大学 通信与信息工程学院，四川 成都 611731)

根据国际工程专业认证标准，工程专业大学生应掌握复杂工程问题中信号和系统的基本原理、掌握信号与系统的表征和数学描述、掌握信号的分析与处理方法[1]。因此，培养学生信号分析与处理能力是工程专业能力培养的基础内容，大部分电子类高校也都开设了信号分析与处理系列课程，如信号与系统、随机信号分析、数字信号处理、软件无线电技术和DSP系统实现等。然而，目前信号分析与处理系列课程不论是在 “教”，还是在 “学”都存在一些问题，如何对信号分析与处理系列课程进行改革，获得良好的教育成果，成为各大电子类高校普遍关心的问题[2－3]。

1 课程教学存在的问题

通过调查发现，信号分析与处理系列课程在“教”和 “学”方面都存在一些问题。

首先，课程组对学生进行了问卷调查，邀请了退休老教授进行随堂听课并反馈意见。从收集到的信息来看，信号分析与处理系列课程在 “教”的环节上，存在以下4个问题:

1)课程内容偏重基础，挑战性不够，难以培养学生思考问题的能力；

2)不同的课程之间知识割裂，这导致学生掌握的知识点是离散状态，在进行复杂系统设计时很难进行综合应用；

3)在大班授课模式下，由于人数众多，个体差异情况比较明显，统一的教学大纲使得教学过程中因材施教不足；

4)课程实验浅尝辄止，基本可以在不进行课前准备的情况下完成，不能真正起到提升学生动手能力的作用[4]。

其次，课程组对多届学生进行了调查，并与多位辅导员、班主任进行了沟通，发现学生的学习习惯也在逐年改变，导致 “学”的环节上也出现了如下3点问题。

1)学习主动性不强，采用 “听书模式”代替“读书模式”，即上课只听不想，课后复习与思考的时间也不够。部分同学反映，授课内容挑战性不足，也是导致其只听书不读书的原因之一。

2)采用 “搜索知识”代替 “学习知识”，习惯 “虚拟场景”代替 “现实问题”。在课后习题中，碰见疑难问题首先想到的是利用网络资源搜索答案，而很少通过思考来解决问题。

3)学生在课堂学习中更看重学分，而轻视能力的培养，导致高分低能的现象[5]。

针对信号分析与处理系列课程在教学中所面临的问题，课程组以国家精品课程建设和国家双语示范课程建设为基础，以国家级通信与信息处理示范实验中心和教育部工程实践教育中心为平台，对电子信息学科中信号分析与处理系列课程进行了教学改革，并通过实践验证了教改的效果。

2 课程教学改革的方法

近年来，课程组对信号分析与处理系列课程开展了立体化建设，并取得初步成效。在建设过程中，课程组提出了 “尽早综合运用课程知识、尽早接触工程实际、尽早开展探索研究，强化学生主动学习”的 “三尽早一强化”的教学改革思路，并进行实践。

2.1 课程体系改革

在课程体系改革方面，课程组重新优化了信号分析与处理系列课程，创新性地构建了对象多样化、课程层次化和内容国际化的三维课程体系。

1)对象多样化。

在对象多样化方面，课程组针对同一层次、不同学院的学生对象，开展了挑战性教学改革。

以国家精品课程数字信号处理为例，除了基本教学知识点外，课程组还针对4个不同学院(通信学院、英才学院、格拉斯哥学院和海外留学生)对学生提出的能力要求，设计了一个多样化的课程选择方案。如针对英才学院的学生，数字信号处理要求学生达到或部分达到SM2/EA3/EP2的工程能力。因此，课程组在教学内容上拓展了离散系统处理连续信号、有限字长效应分析等8个知识点，增加了数理滤波器硬件实现和FFT算法实现共计6个工程实践内容。对格拉斯哥学院的学生，课程组扩展了DFT信号谱分析、利用小波进行信号去噪和变采样率信号处理等工程分析内容。对海外留学生，课程组在一般的仿真实验基础上，开展了多样化的实验课程设计[6]。

2)课程层次化。

在课程层次化方面，课程组针对本科、工学硕士和应用型硕士的不同培养目标，分层次地进行课程建设[7]。以软件无线电技术课程为例进行说明。

本科生的培养以理论基础为主，其授课内容包括数字化技术 (含采样、信道、SDR结构和变采样处理等知识点)和软件化技术 (含基带编码软件化、调制解调软件化和同步技术软件化等内容)。

对工学硕士而言，课程组在本科生的课程基础上，提升了理论要求并增加了动手能力的培养。在理论方面，课程组在数字化技术部分增加了数字空域滤波，并在软件化技术方面增加了智能天线软件化和数字射频软件化等知识点；在动手能力方面，课程组增加了实践环节，并要求学生利用MATLAB软件完成成型滤波器和调制解调器的设计和仿真。

对应用型硕士而言，课程组缩短了理论课的授课时间，进一步强化其动手能力。此外，在理论课堂上，课程组将知识点讲解更改为知识点介绍，细节内容由学生课后自习。在实践课方面，课程组大幅增加了实验内容 (如通信性能测试和无线收发等实验)和课时数，并在实现手段上提出了更高的要求，即应用型硕士除了要对实验内容进行MATLAB仿真外[8]，还需利用ARM、DSP和FPGA等芯片完成实际的功能开发与调试[9－10]。

3)内容国际化。

内容的国际化，包括教材内容的国际化和授课教师的国际化两部分。

为了课程内容的国际化，课程组连续派出5位教师到国际知名大学进行交流，重点学习信号分析与处理系列课程的体系建设和实验内容建设，提升课程教育的国际视野。然后，课程组在课程教学中采用了双语授课，并选用了经典的全英文教材，将教学内容与国际知名大学接轨。如信号与系统课程采用美国工程院院士奥本海姆的 《Signals and Systems》，数字信号处理课程采用了美国加利福利亚大学米特拉教授的 《Digital Signal Processing－A Computer－based Approach》。 同时，课程组还改编了多本国外经典教材，以适合国内学生的学习习惯[11]。

此外，课程组积极邀请国外知名教授参加国际学堂，如莱斯大学教授、前TI首席科学家Frantz教授为我校学生讲授了课程Analogue Signal Processing，美国特拉华大学 Charles教授则讲授了Signal and System课程，此外还有多门课程，此处不一一列举。通过这种国际化的教学方式，不仅让学生接触到了国际知名教授的授课方式，更重要的是课程组借此机会与这些国际知名教授进行了深入交流，为我们信号分析与处理系列课程的教学改革和实践带来了巨大的帮助。

通过课程体系改革，课程组取得了一系列成果，编写并实施了多样化、多层次教学大纲21套，制作课程教案46种；编写教材、译著、讲义11本，发表教改论文7篇；在建两门MOOC课程，建成了一门MOOC课程，在线学习人数13 900人。

2.2 教学模式改革

在教学模式改革方面，课程组建立了多维度的学生学习成效评价模式。该模式在传统的期中考试成绩和期末考试成绩基础上，强化了学习过程的检测与评估，包括学生互动环节评估、课程实验评测、上机考核和课程设计考核。在此基础上，课程组以提高学生的学习成效为目的，构建了 “四突出的教学模式”:

本作品运用赋权计分的方式对专家、用人单位和学生进行实证分析研究，在试卷分析部分还采用了经典测量理论法衡量试卷结构。并且通过层次分析法，得到专家、用人单位、学生和试卷这四方面的权重，主观赋权的两两比较矩阵如表1所示。最终得到专家评价得分、用人单位评价得分、学生自我评价得分、学生试卷得分各占权重为：2/33、1/4、7/57、37/65。然后通过一致性检验得到：CR=(3/41)/0.96≈0.077，CR=0.077≤0.1，所以该两两比较矩阵满足一致性要求，其相应求得的特征向量为有效。

1)通过知识学习的仿真化、软件实验的硬件化及硬件实验的设计化，突出课程实验的挑战性；

2)通过拓展理论知识的应用性，拓展课程实验和课程设计，突出知识结构的综合性和知识应用的系统性；

3)通过MOOC教学、小班教学和研讨性教学等形式，突出教学模式的多样性；

4)结合课程资源建设，鼓励并支持学生参加DSP设计竞赛等科技竞赛，组织学生参与科技开发，突出课程设计项目的探索性。

通过教学模式改革，课程组完成了十二项校级以上教学改革项目，包括四川省教改项目 “大学生信号分析与处理能力立体化培养模式探索”，实践了多种教学模式。同时，课程组还开展了上机考试题库建设，建设了信号与系统上机考试题库80余套，建设了数字信号处理上机考试题库105套，并重点开发了系统性的课程实验73项和自主开发试验系统5套。

2.3 学习模式改革

在学习模式改革方面，课程组在教学实施的各个环节以激发学生学习的主动性为目标，推行了学生 “三自主学习模式”。具体包括:

1)通过提供MOOC主动学习、课程内容自主学习、自主选择参加小班授课、翻转课堂和研讨式教学等课程学习模式，实现学习模式的自主选择；

3)在课程设计内容和方法上，学生可以自主定义任务要求、自主定义设计方案、自主分析和验证及自主成果展示，锻炼学生的独立研究能力。

2.4 培养平台改革

在培养平台改革方面，课程组以通信与信息系统国家试验示范中心、UESTC－虹微教育部工程实践教育中心及学科国家重点实验室为依托，通过把信号分析与信息处理能力纳入通信大类专业能力培养体系，把课程实验和实验课程纳入到国家实验示范中心的工程实践教育体系，把信号分析与处理技术的体验室纳入到教育部工程实践教育中心建设及把学科重点实验室的科研成果和科研平台纳入到教学和实践环节中[12－13]，实现了信号分析与处理能力的 “四融入培养平台”建设和全面升级。

图1 四融入培养平台

信号分析与处理能力的 “四融入培养平台”如图1所示。升级后的信号分析与处理系列课程的培养平台，包括先进的并行计算与通信信号处理平台、自主设计/验证/评估的软件无线电平台、多种通信信号处理技术体验室及DSP设计大赛/Intel嵌入式竞赛/华为编程大赛等学生竞赛平台，支持了学生竞赛210人 (其中45人获得国家级奖励)，支持创新实验21项 (覆盖能力达600人/年以上)，这有效支持了学生能力的培养。

3 课程教学改革的实现成效

对系列课程教学改革和实践后，课程组开展了教学改革成效的问卷调查。调查结果表明，学生对教学改革后的信号分析与处理系列课程教学体系有较清晰的理解，90%以上的学生认为相关的课程挑战性有明显的增加，课程实验和实验课程的内容，其先进性和实践项目的系统性都有较大的提升。信号分析与处理系列课程所采取的灵活的教学模式和注重学生参与到学习过程的多维度考核制度，激发了学生学习兴趣，其主动性得到较大提高。

如图2所示，给出了课程教学改革成效对比。从图中可以看出，本次教改的成效体现在课程内容、实验项目、培养体系和教学模式4个方面。

图2 课程教改成效示意图

在课程内容上，改革前课程知识点相对独立，教学环节围绕各个知识点设置，教学方式相对单调，这使得学生对知识点之间的区别和联系认识不足。改革后，课程除了传授原有的知识点外，还拓展了能力培养，增加了知识融合应用、综合设计与探索创新等方面，使学生由学以致知向学以致用转变。

在实验项目方面，改革前课程的实验内容以验证为主，浅尝辄止，对学生动手能力提高有限。改革之后，通过知识仿真化、软件实验硬件化和硬件实验设计化等手段，实验的规模和深度都得到了较大提升，学生发现问题、分析问题和解决问题的能力得到有效提升。

在培养体系方面，改革前课程培养未根据对象的专业需求进行细化，在因材施教、因需施教方面比较薄弱。改革后，由于实现了多样化、层次化和国际化的课程体系，学生对课程知识和自身的专业背景有了更好的结合，使他们在后期的工作和学习中能更加方便、快捷地提升各自的专业能力。

在教学模式方面，改革前以教为主，更多是教师讲解而学生被动吸收，在引导学生进行思考，提升学生思维能力等方面相对较少。改革后，课程组采用了多种教学模式，以激发学生主动学习的动力。同时，课程组还提供了一系列先进的平台，将书面知识的学习引导到探索式学习上来，为学生的科研能力培养打下了坚实的基础。

4 结束语

信号分析与处理能力，是电子信息学科的学生应具备的基础能力之一。课程组针对信号分析与处理系列课程存在的问题，开展了课程体系、教学模式、学习模式和培养平台等方面的改革。在改革过程中，构建了多样化、课程层次化、内容国际化的三维课程体系，在此基础上提出了“四突出”教学模式和 “三自主”学习模式，并搭建了 “四融入”培养平台。通过改革，学校学生的动手能力和思考能力得到了有效增强，其学习积极性和有效性得到了显著提高。

[1]教育部高等学校电子电气基础课程教学指导分委员会.电子电气基础课程教学基本要求[M].北京:高等教育出版社，2011.

[2]孙晖，赵菁.信号分析与处理综合性实验设计与实现[J].实验技术与管理，2012，29(7):161－163.

[3]刘峰，段红，熊庆旭，等.信号与系统实验教学改革[J].实验技术与管理，2008，25(3):118－120.

[4]许爽，李敏.综合设计性数字信号处理实验的探讨[J].大连民族学院学报，2010，12(3):96－97.

[5]冯其红，胡伟，王增宝.改革实验教学模式培养打下生的工程实践能力[J].实验室研究与探索，2013，32(2):130－132.

[6]杨鍊，李玉柏.指导大学生电子设计竞赛的几点感悟[J].实验科学与技术，2012，10(4):303－305.

[7]杨鍊，朱学勇，蔡竟业，等.用分层次教学来提升学生的学习主动性[J].实验科学与技术，2012，10(4):314－316.

[8]王艳芬，史良，王刚.基于MATLAB软件环境的 《数字信号处理》课程新实验开发[J].实验技术与管理，2002，19(3):61－63.

[9]刘成，刘娅琴.基于FPGA软核的佩带式心电信号处理系统的设计[J].中国医疗设备，2010，25(3):37－40.

[10]周兵，纪晓亮，张海峰.基于ARM技术的便携式心电监护仪的设计[J].电子测量技术，2009，32(4):80－82.

[11]彭启琮.“数字信号处理”课程双语教学的初步实践与探讨[J].电气电子教学学报，2003，25(4):12－14.

[12]蒲丹，周丹.多层次综合性虚拟仿真实验教学中心建设经验初探[J].实验技术与管理，2014，31(3):5－8.

[13]刘玉东，刘景艳，闫有运.依托实验教学示范中心培养工程实践能力的探索和实践[J].实验室研究与探索，2012，31(3):105－108.