信号处理实践类课程教学问题分析及改进策略

张新峰 贾懋珅 窦慧晶 李晖

摘要：信号处理实践类课程是电子信息类本科生利用信号处理基础知识解决实际问题的重要教学环节。作者在教学中发现，学生理论联系实际的能力亟须加强，运用数据结构的基本思想制作课程演示实例的能力不足，信号处理课程报告中对课题结果缺乏深入的理论分析，往往停留在实验现象描述层面。据此，作者从教学内容设计、教学讲义编写等方面提出了相应的改进策略。

关键词：信号处理;理论联系实际;数据结构;线上线下结合

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2021）05-0107-03

对于电子信息工程、通信工程的本科生而言，信号处理实践类课程是必不可少的，因为熟练运用信号处理技术来解决实际问题是该类专业学生的基本功。笔者所在学校开设的相应课程为“信号处理工程训练”，该课程开设在大三下学期，此时学生已系统地学完了“信号与系统”“数字信号处理”“随机信号分析”的相关理论并完成了课内的基础实验。“信号处理工程训练”课程的开设旨在提高学生运用信号处理的基础理论解决实际工程问题的能力，这其中包括问题分析、建模，求解、结果分析等环节。由于这类课程内容抽象，多数学生不理解其物理意义，应用于实际中较为被动。笔者的出发点是让学生从解决实际工程问题出发，对问题进行分析，建立信号处理模型，然后求解并对结果进行分析。这样，能让他们体会到信号处理理论的具体应用，对基本概念和模型有更深刻的认识和掌握，同时培养了其解决复杂工程问题的能力，进而培养了他们的创新思维。

亟须解决的问题

笔者在授课过程中发现，从学生上课的实际效果看，存在如下亟须解决的问题：

①学生信号处理知识总体掌握情况较好，但理论联系实际的能力有待加强。

部分学生信号处理类课程考试的成绩很高，但在解决具体问题时，却无从下手。例如，课程中有一道心电信号处理的题目，题目为“设计一个滤波器去除工频信号的干扰”，这属于一个滤波器设计和应用的问题。学生对这道题主要的困难表现在：模仿《数字信号处理》教材上的例题设计出了滤波器，却不知道如何利用滤波器处理实际数据。教材中的滤波器一般是以Z变换的形式给出的，但是这样的滤波器在时域怎么用好多学生不明白。

②编程解决实际问题是不少学生的软肋，有些学生能够编写程序，但程序质量不高，存在多种缺陷和漏洞。

学生可以根据具体问题建立合理的模型，但不清楚如何编写程序实现模型的关键技术。课程要求学生在读懂代码的基础上，灵活运用程序，熟悉相关的算法，在理解的基础上去应用。然而，部分学生可编程完成课题的任务，但存在编程过程不够规范、所编写程序的鲁棒性不强、边界条件考虑不够等问题。多数程序还有需要完善的地方，其突出表现在程序中存在诸多缺陷和漏洞。一方面是因为边界条件没有考虑周到，未对程序做比较完善的测试;另一方面是因为学生对C语言中一些原理性的知识认识不清，导致运行程序过程中经常出现内存泄露，甚至死机的现象。

③学生对问题结论的分析往往停留在简单的现象描述上，缺乏对问题的深入分析，尤其是缺少理论分析，另外对软件程序的测试不够。

笔者对课程报告的写法做了具体的要求，包括写清楚课题的基本要求、具体的技术原理、关键的技术模块及实现代码、实验结果及分析、本课题存在的问题、可能的意见和建议以及对未来工作的展望。虽然多数学生的实验报告写出了这几个部分，在实验结果部分也说明了原始数据、实验结果，但相当一部分学生对实验现象只做了简单的描述，接着就直接说明所采用的方法适合解决什么问题，这样得出的结论显然不严谨，存在着将特殊误认为是一般的问题，没有做深入的分析，没有给出得出此结论的前提条件。另外，学生在动手编程实现方面往往是浅尝辄止，对实现的程序代码没有做足够的测试，对程序几乎没有进行优化工作和算法效率的分析。

具体策略

笔者认为，针对本课程建设中存在的问题，可以初步采取如下策略进行改进：

①多渠道征集课题素材，将其加工为适合本科生解决的实践性课题。

课题要来源于生产或生活实际，因为只有实际问题才容易引起学生的兴趣。注重经典理论的讲述与引入最新技术的相互融合[1]是增强学生理论联系实际能力的一个重要方法。课题的来源：一方面可以利用已有的资源，如自己的研究课题、相关教师的研究课题等，在此基础上加工为符合本科生实现的工程课题;另一方面可以鼓励学生进行各种实践活动，他们在实际中发现的可利用信号处理理论与方法解决的问题，经过加工和整理，也可以成为本课程的课题。此外，可以从其他专业（如生物医学工程、机械电子工程等）征集与信号处理相关的问题，从多源头征集课题，力求使课题内容丰富多彩，这样在一定程度上拓宽了学生知识应用的视野，同时也让学生体会到了信号处理理论应用的魅力。笔者鼓励学生自己提出问题、设计课题，在此基础上引导他们自己分析、解决问题。学生设计完题目之后，教师对题目的难度、综合性和数据采集条件等严格把关，确保题目的质量和数据的来源可靠。另外，笔者对课题科学地进行分级，设置不同的难度等级，以适应不同层次的学生，题目的难度分为基础类、提高类和较难类、开放性三个级别。所有学生必须完成基础类的题目，学有余力的学生可以完成提高类的题目，致力于从事研究的学生可以完成较难的题目和开放性课题。

②通过线下和线上相结合的教学方式，激发学生的学习兴趣，达到教学相长的目的。

由于这门课程既涉及数字信号处理中的抽象知识，又涉及编程实现的问题，仅仅靠课堂时间来解决学生的具体问题是远远不够的。笔者认为，可以采用线下教学和线上答疑相结合的教学方式，通过线上答疑解决学生的个性化问题，如通过腾讯会议、微信群、学习通等平台进行;线下课堂主要用于解决学生的共性问题。学生遇到的问题和有关课题的心得体会随时可以发布到相应的平台，教师也可以及时将优秀的作业或实验放到平台上，供大家学习和参考。通过学习平台学生可以了解不同的课题内容，并相互讨论，共同学习，形成良好的学习氛围。这样做的目的是培养学生的学习兴趣，让他们充分体会数字信号处理理论的作用，更重要的是讓学生领会其中的思路、逻辑、思想和方法。

③編写从理论知识到工程实践问题的过渡指导，同时注重运用数据结构思路的课程设计讲义。

讲义是实践课程的指南，设计讲义在课程中起着关键作用。实践类课程的讲义包括课题目的、基本内容、课程原理、课程思考题等。针对课程中存在的问题，笔者主要从三个方面改进实验讲义：第一，讲义要起到理论指导和工程问题的衔接作用。应突出强调课题所用关键技术的物理概念分析，突出解决实际问题的思路;不应把加强工程应用与深化数学分析对立起来，应该努力寻求理论与实践的结合点。[2]第二，提供典型的案例分析过程。注重阐述案例问题解决的逻辑性，从问题分析、模型建立、编程实现、数据测试和结果分析等多个方面进行。学生通过案例的学习，能够更快、更规范地进入课题工作。第三，增加利用数据结构的方法解决实际问题的思路指导，从数据的逻辑结构、存储结构和运算三个方面考虑问题的求解，适当考虑算法的分析和设计问题，进一步强化学生编程的规范化。教师将抽象的专业课知识转化为演示程序，将理论的应用通过图像、音视频等形式显示出来，极大地激发了学生的学习和进行科学研究的兴趣，同时通过演示实例中出现的问题，引起学生理论和方法层面的思考，进而激发学生的创新能力。

总结

“信号处理工程训练”课程在笔者所在学校开课多年，该课程越来越得到学生们的认可。笔者认为应该加强学生理论联系实际的能力，通过增加结合实际的工程案例，进一步增强学生的实践兴趣;通过线上与线下结合的教学方式，提高学生的学习兴趣和解决问题的效率;通过编写从理论知识到工程实践问题的过渡指导，同时注重运用软件工程思想的课程设计讲义，使学生解决问题规范化。信号处理理论的应用效果可以通过软件的形式表现出来，学生可以直观地发现其不足，这又是学生改进和创新的源泉。

参考文献：

[1]郑君里，谷源涛.信号与系统课程历史变革与进展[J].电气电子教学学报，2012，34（02）：1-6.

[2]郑君里，谷源涛，试谈“信号与系统”课程理论与实践之结合[J].电气电子教学学报，2014，36（03）：1-5.

作者简介：张新峰（1974—），男，山东宁津人，博士，副教授，研究方向为智能化信息处理。窦慧晶（1969—），女，吉林长春人，博士，副教授，研究方向为信号与信息处理。贾懋珅（1982—），男，河北张家口人，博士，副教授，博导，研究方向为音频信号处理。李晖（1982—），女，山东济南人，博士，讲师，研究方向为信号与信息处理。

基金项目：教育部-华为技术有限公司产学合作协同育人项目（40042001202010）、北京工业大学教育教学研究课题重点项目（ER2020A002）、北京工业大学教育教学项目“‘数字信号处理共享案例库构建及案例教学法优化策略研究”（编号：ER2020B008）。