信号处理多课程互融互通的实验教学改革与实践

宋佳乾

［摘 要］文章结合宁夏大学电子信息类专业基础核心课程实验开设情况，提出将多门和信号处理相关的课程实践教学内容相互融合，教学手段相互贯通，以课程群的方式建设信号处理实验实践课程，形成“三层四面”的教学体系，“五式”结合的教学方法以及多元化的实验评价考核指标，重构整个课程群的教学方案。经过5学期的教学实践，课程群形式的实验教学有效地提高了整个信号处理课程的运行效率，在自主学习意识、知识学习能力、情感价值观念、动手创新实践四个培养方面均对学生起到了积极作用，成体系的实验方案具有推广应用价值。

［关键词］课程群建设；信号处理；实验教学改革

［中图分类号］G642［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）04-0068-05

根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要 （2010-2020 年）》和《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》的精神及课程设置当适应当今社会学科之间的互融互通这一原则，要在制定教学体系时充分考虑课程群的整体建设[1]。信号处理相关课程是电子信息类专业学生必修的基础课程[2]，其所附带的实验课程更是帮助学生将数学物理概念转化为工程概念的“排头兵”。因此，在课程实验内容、方式、手段、评价环节应进行全方位的整合优化，形成新的课程体系，促进思政融合产生“1+1>2”的效果[3]，以课程群的方式进行实验教学改革[4]。

一、信号处理课程群建设初衷

宁夏大学（以下简称本校）相关专业开设了Matlab 语言、信号与系统、数字信号处理、DSP技术及应用、数字图像处理等5门和信号处理相关的专业选修、必修课程。5门课程的培养计划均安排有学时不等的实验实践教学环节，但仅有信号与系统课程有独立实验课程，其余4门均为课内实验，且5门课程的实验均为任课教师自行设计、自行开设，在教学体系方面没有做到统筹规划，在选择课程实验内容时也仅仅考虑本门课程要达成的目标，没有和其余课程的知识点交叉关联起来，导致课堂教学存在以下问题。

部分学生学习Matlab 语言这门课时，仅将其作为一门计算机编程语言学习，对这门课程在后续的3门课程学习中的重要性没有理解，为学而学。

信号与系统、数字信号处理、DSP 技术及应用与数字图像处理几门课程在知识点上相互联系，信号与系统实验课程主要采用软硬结合的方式，数字信号处理和数字图像处理主要采用 Matlab 软件仿真的实验形式，DSP 技术及应用采用硬件实验模式。由于实验課时紧张，实验的内容和方法选取较为保守，均以验证性实验为主，而且在实验内容选择上出现了重复的情况，例如采样定理实验在信号与系统、数字信号处理和后续的通信原理课程实验中都有选取，虽然三门课程对该定理的应用和要求有所差别，但也应统筹考虑，在不多的实验课时内完成无重叠的实验实践内容。

五门课的实验没有形成整体的实验教学体系，内容选择也没有承上启下，联系生活实际的实验内容较少。在实验方法上，学生仅仅对理论知识进行验证，观察实验现象和结果，遇到设计实验方案、分析实验结果等问题时就三缄其口，本质还是对理论概念理解不清，导致教学效果大打折扣。

思政映射融入点不清晰，信号处理系列实验课程中蕴含较多思政育人素材，在课程实验的教学过程中，应该利用信息媒介、实验流程讲解、实验结果讨论等方式，将思想政治教育内容与实践实验知识技能教育内容有机融合起来。

当前，本校的信号处理相关课程的实验教学依旧采用Matlab软件仿真实验，上课教师先讲，学生结合教师的讲解观察教师实验操作步骤，按照给定的参数进行编程观察程序运行情况，基本只能完成验证性实验的相关问题，在自己发现问题、解决问题、分析问题的收获上基本为零。实验模式的固化导致学生对实验兴趣全无，仅仅为了完成任务而完成实验，更有甚者，做完实验仍不知实验原理是什么，学生工程应用实践能力得不到提升。实验内容更新缓慢，最终的实验报告千篇一律，复制粘贴现象严重，教师在批改时也无法判定孰是孰非，不利于培养学生的综合实践能力。

因此，有必要在信号处理专业性极强的系列课程实验教学中开展课程群教学改革研究，做到课程衔接的承前启后，形成整套的实验教学体系，优化整个课程的实验教学环节，结合理论课程的教学实际情况，开展以少量验证性实验为基础、设计和综合性实验为拓展的软硬结合实验内容，培养学生成为动手能力强、宽口径的应用型人才。

二、信号处理课程群教学模式改革思路

建立课程群的目的是对所有信号处理相关课程统一规划，其中包含对整个教学模式进行再设计的过程。

（一）制定“多层次、自易而难、互相统一”的实践教学体系

按照“加强基础、拓宽专业，强化实践、突出能力、注重创新、体现个性”的教育理念[5]，根据工程认证相关要求并结合本专业人才培养和毕业要求，统筹规划信号处理课程群五门实验课程教学方案，在考核评价和目标达成方面统一谋划，加入多个工程实践案例，以应用工具学习为基础、提升学生理论实践能力为要求、培养学生探索创新能力为目标，建立包括语言工具层次、基础实验层次、综合实验层次的“多层次、自易而难、相互统一”的实验实践教学体系，最终服务于培养学生的创新实践能力（见图1）。  [信

（二）形成自主式、合作式、研究式及结合式的实验教学方法

信号处理课程群的几门实验教学课程以发挥学生的主观能动性为主，学生可以在教师及大纲要求的实验内容下自主选择感兴趣的实验项目。针对验证性实验，可以提供实验原理和实验仪器，由学生自主完成，设计性实验则考查学生对知识的理解与掌握程度，不设置统一的实验步骤和内容，利用实验室现有的设备和耗材完成实验。

课程群实验中开设一些项目性实验内容，学生通过查阅文献、综合设计、团队协作、总结归纳等方式以小组形式完成实验项目。要求学生自己组成3～4人的小组，互相商讨决定实验方案，集体现场完成实验，并将结果写成论文的形式上传至电子实验报告中。

通过“自主式、合作式、研究式”的实验，可以改变现有的教师教、学生复制一遍教师操作的教学方法。学生选择自己感兴趣的实验项目后，分析具体问题，思考理论学习内容，结合实验设备及工具，设计实验流程，完成实验，验证实验结果的正确性，最终分析实验结果。经过这一系列学习，学生可以加深对理论知识的理解，在实验环节中增强思维能力，及时修正自己的实验方案，得到正确的结果，从而加强理论联系实际的能力。

（三）构建多元化的学生成绩考核办法

实验教学内容增加相应的难度，使用综合课程设计的方式作为课程最后评价的方式，改变实验报告撰写“定终身”的习惯做法，增加形成性评价环节，教师在实验过程中通过观察及提问有效评价学生对实验原理、方法、结果的理解与掌握程度。

以考核学生实验项目成绩为例，根据专业认证四个目标分解情况，在实验考核方法上，主要考核内容将包含以下几个部分：（1）课前考查环节，主要考查上一次实验思考问题、实验预习报告的完成情况；（2）课中实验操作环节，主要包括学生实验设计和操作流程、实验小组互评、结果记录分析等；（3）课后作业环节，主要是电子化实验报告的上传评分以及最终课程论文的考核评价。课程结束后计算课程目标达成度，反馈实验教学设计，进一步评价实验教学目标达成。在评价过程中，严格按照课程群实验方案中的考核评价细则规范打分。

教师在相关课程教学方案设计之间加强沟通联系，真正做到课程衔接的承前启后，紧跟社会发展前沿热点，不断更新、完善实验教学内容，将创新与实际应用相结合，改善教学模式，围绕工程认证人才培养目标设置评价方式方法，形成以过程性评价为主，辅以学生自主评价的新模式。

三、信号处理课程群实验教学实践

信号处理课程群中各门课程的教学安排见表1。

课程的基础模块是Matlab语言，其作为后续4门课程中均要使用的语言工具，在大二上学期首先开课，主要是讲解Matlab软件的使用和编程方法，作为基础应用型课程和课程群实验课程仿真工具，需要率先激发学生的学习兴趣。信号与系统和数字信号处理两门课程具有很强的相关性，重点学习信号通过系统获得的响应问题，以时域、频域、复频域求解方法为主，先连续后离散。其实验课程进行滤波器的设计，围绕怎样将信号处理的基本理论算法付诸实践，作为专业基础课和专业必修课程的实验内容，其奠定了课程群以及后续工程应用的基础。DSP技术与应用承接上述两门课程，讲解数字信号处理理论和算法的硬件实现，数字图像处理则是更为提升学生的学习宽广度，从一维信号向二维信号迈进，帮助学生掌握使用软件工具处理图像的基本方法，以及常用的图像处理软件的原理。几门课程之间的关联性极高，相互交叉、相互融合、相互贯通，在实践过程中需要统一设置“价值引领、知识探究、能力建设、态度养成”的四维教学目标，重新编制教学大纲，对相同的内容进行整合删减，加入实践应用型项目，最终实现课程层层递进、自易而难的“三层四面”设计体系（见图2）。

实验教学改革中将工程应用放在首位，统领各个实验课程目标设置及课程方案，制定“验证+设计+综合”实验实践计划，统一各课程评价标准，建立电子化实验内容讲解和报告提交模式。

（一）实验教学方式

摒弃现行的以教师为中心、“全程灌输+少许板书”式的实验原理讲解教学形式，重新制作课程群实验教学多媒体课件，结合“多媒体+板书”的形式，充分发挥多媒体教学在信号系列课程中的优势。例如，在Matlab语言的绘图实验中，以高等数学中最美的曲线“心型线”为例，让学生能直观地看到数学知识的立体化、动画化；在信号与系统的硬件实验中，将实验板投射到PPT中，直接连线，模拟结果，二者结合可将理论性较强的概念变得易于理解，在讲解课程的同时，利用雨课堂完成实验报告中目的、设备、原理部分的填写，实验结束学生按要求直接上传实验结果，完成整个实验的过程。

采用问题启发式教学，结合自主式、合作式、研究式及结合式教学方法形成“五式”教学模式，重点关注学生发现、提出、解决问题的习惯养成。例如，在Matlab语言教学实验的第一节课中，展示Matlab软件在图像、信号、通信、绘图等方面的应用问题，引发学生学习兴趣；在信号与系统的卷积实验中，利用卷积和的原理处理图片上的污点，激发学生的问题意识；在数字图像处理实验中介绍解决血液样本显微图像中细胞计数这一问题；等等。做到每节课都有问题、有思考、有结果。

（二）实验教学内容

整个课程群的实验教学体系采用的软件工具为Matlab和Code Composer Studio，硬件設备为LTE-XH-03A信号与系统综合实验箱和ICETEK-DM6437-A评估板，按照制定的“三层四面”教学体系，将40个实验内容优化调整，删除重复实验，以培养学生创新实践能力为目标，制定从验证性实验到设计性到综合性实验的总流程，低年级以验证性实验为主，高年级以综合性实验为主。同时，以承上启下作为选取实验内容的基本原则，从而形成如图3所示的实验内容。

工具软件应用方面主要包含Matlab软件和两个硬件实验箱的基本操作讲解，目的是帮助学生掌握实验课程群软硬件平台的基本操作，以简单的验证性实验考查学生对软硬件的熟悉程度，为下一步进行较高难度的验证性和设计性实验打下基础。

验证设计实践方面含有两个部分：一是纯验证性实验，在工具应用实验的基础之上，以信号与系统和数字信号处理这两门整个课程群的重点课程为主，选取其基础重点内容设计实验，从而加深学生对重点知识的理解，逐步提升学生对基础实验的基本技能掌握程度和理论落地实践的意识。二是设计为主、验证为辅的设计性实验，主要是考查学生实验设计能力，讲解这部分实验内容的时候，首先完成理论的软硬件验证，随后要求学生根据给定的参数自行按照前述验证性实验的步骤完成实验设计并实现，增强学生解决问题的能力。

综合设计实践方面主要要求学生运用前面所学习的课程群中相关课程的理论和实践知识解决难度适中的信号处理和图像处理的相关问题，体现课程的“高阶性”，学生独立完成课程实验，撰写课程项目工作报告，完成所属实验课程。设置这一环节的目的是要求学生在掌握基本的设计工具和基础操作的前提下，根据多门课程学習的知识综合运用所学习到的知识、编程技巧，对提出的问题进行综合设计实现，提高解决工程实践问题的能力。

信号处理课程群实验教学以层层递进的实验教学体系和开放性的实验教学内容为基础，拓展学生的知识层面，提升其创新实践能力。自2021年进行教学改革以来，课程群教师积极指导学生参与大学生数学建模、电子设计竞赛、大学生创新项目等，成绩斐然，尤其是指导本科生获得“基于Matlab的数字音频信号处理系统”的软件著作权，充分体现了课程工程应用的落地实效。

四、结语

课程群建设根据本校特点，结合新工科实验实践活动要求，突破课程单一化的局限性，统筹规划信号处理系列实验实践课程的内容和体系，坚持在实验教学中做到科学性与价值性、知识性与思想性的辩证统一，配合理论课积极融入课程思政内容，明确在实验课程中培养学生的科学精神、工匠精神、规矩意识和团队精神。通过教学目标、学习需求、教学过程、评价方式、持续改进的实验教学模式，形成前后衔接、不断强化深入的实验内容和体系化的实施方案，更符合社会对本专业学生能力的要求，学生在价值、知识、能力、态度四个维度均得到了有目共睹的提升。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 李鸿燕，张雪英，史健芳，等.“数字信号处理”课程群教学实践改革[J].电气电子教学学报，2019，41（3）：26-29.

[2] 李敏通，赵继政，吴婷婷，等.信号处理类课程群课程体系建设与教学改革探讨[J].高教学刊，2015（14）：90-91.

[3] 向泽，周卫.“新工科+大思政”视角下基础工程多元融合教学模式构建[J].高教学刊，2023，9（24）：116-119.

[4] 陈纯锴，汤春明，李秀艳，等.新工科背景下信号处理类课群体系改革与实践[J].高师理科学刊，2022，42（12）：86-89.

[5] 李敏，刘俊.“信号处理”课程群实验实践教学改革与实践[J].教育教学论坛，2020（23）：156-158.

［责任编辑：雷 艳］