“信号检测与估值”本科教学研究与设计

王 丰

(广东工业大学 信息工程学院， 广东 广州 510006)

0 引言

“信号检测与估值”课程是我国高等院校电子信息类专业的重要专业课，内容涉及通信、雷达、遥控遥测、自动控制等电子信息传输系统的信号检测和参量估计基本问题[1]，理论性强，数学推导公式较多，学生接受起来相对困难，学习效果不太理想。为了提高学生学习积极性，更好地开展教学活动，配合我校教学团队建设，我们进行了“信号检测与估值”本科教学研究和设计探索。

1 课程内容梳理

“信号检测与估值”是我校信息工程专业的专业选修课程，针对大三年级第二学期的信息工程专业本科生开课，学生规模在200人左右。本课程教材选用张明友编著的《信号检测与估值(第三版)》，由电子工业出版社发行[1]。表1梳理了我校信息工程学院信息工程专业的32学时、2学分的“信号检测与估值”的教学内容和学时分配，课堂授课以基本概念和基本原理为主。

第一章是全书的核心，全面阐述了“信号检测与估值”的基本概念和基本理论，是随后各章的导引，因此，本课程分配16学时。通过第1章授课，使学生掌握信号检测和估计所使用的各种准则，以及对应的理论推导和实践实例。为进一步加强知识传授，我们在第一章授课后，专门分配2学时开展第1章基本知识点的总结答疑工作，例如，通过课堂板书和程序仿真，让学生真正学习和熟悉理论推导和应用过程，解决学生“似懂非懂”、“似是而非”的现象。经过几个学期的教学实践表明，此举能有效加深学生对知识点的消化和理解。

表1 广东工业大学信息工程专业32学时“信号检测与估值”教学内容和学时分配

值得注意的是，由于授课内容多且比较抽象，公式推导复杂，因此不可避免会与非常有限的32学时相冲突，这需要适当把控日常授课节奏、内容取舍、以及深浅掌握，不宜造成前紧后松或前松后紧的局面。

2 基于Matlab仿真作业的设置

“信号检测与估值”课程目的是熟悉和理解信号检测与估计基本原理，使学生能够在电子信息领域应用信号检测与估计技术，能够阅读相关技术文献，为更深入的科学研究和实践应用奠定坚实基础[2]。

由于课程内容较多(见表1)，可上课时间只有32学时，因此，课堂授课仍然以基本概念基本原理为主。根据这门课的调查结果，学生普遍反映该课程内容繁多，枯燥乏味，不会应用课堂上学习的信号检测与估计准则。如何有效提高学生的学习兴趣和加强理论联系实际，是“信号检测与估值”本科教学研究和设计亟待解决的核心问题。

给学生布置基于Matlab的仿真作业，有点类似与课程配套实验，或者小型课程设计任务。我们的指导思想是理论联系实际，在参照“数字信号处理”教学经验的基础上，提出了布置基于Matlab仿真作业的方案。由于考虑到大三年级本科生的专业课任务较重，学生的课余时间非常有限，我们减少课后习题练习，基于Matlab仿真作业的选择也是少而精，并且是以验证性仿真为主，重现教材附图或者画出课后典型习题的理论曲线，要求学生提交作业报告中包含清晰详细的仿真流程图和代码，加深对经典理论公式的认识和理解，学以致用，这也为学生大四年级的毕业设计做好坚实的铺垫。该教学实践分别在2018年春季学期和2019年春季学期试点了2年，教学效果显著。

基于Matlab仿真作业的题目分别为：①重现教材第1章第1.3节的图1.9贝叶斯平均风险曲线、极大极小化风险曲线、特定判决门限的风险曲线；②画出习题1.8中，基于最大似然估计量、最大后验估计量、最小均方误差估计量关于观测量的曲线；③重现教材第2章第2.2节图2.10的二元通信相参相移键控系统、相参频移键控系统的检测性能曲线；④重现教材第2章第2.2节的图2.11相参雷达系统的检测性能曲线。

对于每个基于Matlab仿真作业，均涉及多个知识点，这需要学生厘清解决问题思路，提供关键的理论公式，画出详细的仿真流程图，并附带注释的Matlab代码。考虑到每学期的时间，每次作业设置倒计时，完成时间一般控制在3周之内。

3 仿真作业实践的过程管理

基于Matlab仿真作业布置下去以后，最重要的就是学生的仿真实践环节。对于这个环节的把握，直接关系到学生作业完成的效果。对于基于Matlab仿真作业研究环节，我们划分为3个时间阶段，叙述如下。

(1)在第一个时间阶段，学生最主要的任务是研读教材和课件，分析要重现的曲线，阅读老师指出的关键理论公式。值得指出的是，公式的使用是非常关键的入门功课。很多学生看公式经常走马观花，看完之后似懂非懂，似是而非。而公式使用的过程，需要逐字逐句挖掘内涵，落到Matlab仿真实现的结果。这就锻炼了学生的综合理解能力，暴露了知识点的问题和混淆的偏差。

(2)在第二个时间阶段，学生动手编写Matlab的m文件，“依葫芦画瓢”重现曲线，建立仿真流程图，形成Matlab源代码，调试程序，重现曲线。

(3)在第三个阶段，学生要思考和总结仿真过程的易错点和关键点，要求学生总结完成作业过程中的关键步骤。学生在其完成作业过程中遇到问题，可以通过电子邮件或在线QQ连线方式答疑解惑。

实践表明，大三年级本科生通过授课教师的课堂带领，可以很快地投入到基于Matlab仿真作业中去。这个课余实践环节成功激发了很多学生的学习热情，对本课程产生了浓厚兴趣。在批改学生提交的基于Matlab仿真作业过程中，我们发掘了很多学生的科研潜力，使一部分学生提前进入各个实验室，钻研实践，答疑解惑，极大促进了学生更顺利完成大四学年的毕业设计任务，有些学生本科阶段已经发表学术论文。

4 考评方式的改革

在增加基于Matlab仿真作业的实践下，“信号检测与估值”课程考核改革很有必要。传统的纸质试卷无法反映理论联系实际的能力，也不利于激发学生作业参与度和客观评价学生学习效果。因此，我们改变单一的试卷考试为多元化的考核方法。在教学实践中，我们加强过程性考核，将学生的日常表现、作业完成度与总成绩紧密挂钩，总成绩由课堂讨论、基于Matlab仿真作业成绩、期末试卷成绩三部分构成，然后按照10%、30%、60%的权重加载一起，作为学生的最终成绩。

在课堂讨论环节的考核，我们有意识设置一些选择题和判断题，甚至开放题，通过雨课堂的方式推送给学生，给学生思考和答题时间，回答正确就记一次分值，实践表明这样可有效调动课堂气氛，避免教师自问自答和满堂灌，而且还可以避免学生注意力不集中，调动学生学习积极性。经过2个学期的教学实践，学生的学习积极性得到了普遍提高，学生的最低分由57分提高了68分，平均分提高了7个百分点。

5 结语

本文梳理了“信号检测与估值”本科教学内容，引入了基于Matlab仿真作业的实践环节，改革了课程考评方法。基于“理论联系实际”指导思想，每次Matlab仿真作业相当于完成一个小型的课程设计。通过研读教材、将理论公式转化为Matlab仿真源代码、作业报告提交、课堂问答等环节，保证了学生的学习效果，活跃了教学氛围，取得了比较满意的试点结果，这为“信号检测与估值”本科教学与设计提供了有益的参考。