信号处理课程群实验教学体系的构建

王艳芬，张剑英，张晓光，蔡利梅

(中国矿业大学 信电学院，江苏 徐州221116)

0 引 言

为了适应当今社会学科之间相互渗透和交叉的发展和变革，需要构建21 世纪人才培养所需的新的课程体系，充分发挥课程群结构整体功能效益［1-2］。因此，近年来不同专业都出现了课程群的建设项目和建设成果［2-5］。比如，东南大学信息学院在2002 年就获得江苏省信号与信息处理优秀课程群奖，其在信号处理领域的影响力一直在全省名列前茅。2007 年重庆大学承担了重庆市高等教育关于信息类专业信号与信息处理课程群改造与建设的研究项目，重组、整合和优化课程教学内容，构建了新的课程体系，建立了电子信息类专业信号与信息处理课程群［2］。包括信号与系统、数字信号处理、随机信号分析、计算机图像处理、DSP 技术等课程。

基于电子信息类专业信号处理类课程内容的紧密关系，结合我校专业课程设置特点，提出将“信号与线性系统”、“数字信号处理”、“DSP 原理与应用”、“语音信号处理”和“图像处理”5 门课构成信号处理课程群进行综合优化建设。

信号处理课程群在教学时间安排上前后顺接，且在内容方面承上启下，相互关联。其中“信号与线性系统”是信号分析基础课程，主要学习连续和离散时间信号通过线性时不变系统的基本理论和基本分析方法，是“数字信号处理”重要的前修课程;“数字信号处理”课程是在前修课的基础上重点学习离散傅里叶变换理论、FFT 频谱分析、数字滤波器设计等数字信号处理技术;“DSP 原理与应用”是将“数字信号处理”的基本理论和算法付诸实现的途径和方法，是一门实践性很强的课程;“语音信号处理”主要学习语音信号处理的基础知识、语音信号的各种分析和处理技术及其应用。“图像处理”是将信号从一维分析上升到二维分析，是信息处理中十分活跃的一个分支，也是信息处理的重要应用。上述课程既相互交叉，互不相同，各自独立设课，却具有不可分的内在联系，如果配合不好，就不能形成一个有机的整体。

1 融入CDIO 理念，建立树状交织模块化课程

1.1 融入CDIO 理念，优化课程体系

CDIO 以产品研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间存在有机联系的方式学习工程。CDIO 理念是:充分利用大学学科齐全、学习资源丰富的条件，以尽可能接近工程实际涉及技术、经济、企业和社会的团队综合设计大项目为主要载体，结合专业核心课程的教学，使学生在CDIO 的全过程中不断地在工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4 个方面得到全面的训练和提高［6］。

围绕培养学生创新能力，融入CDIO 工程教育模式的理念，科学规划、重组信号处理相关课程，构建信号处理课程群。协调各课程之间的内容，调整结构体系，注重课程逻辑顺序与衔接，统一编写各门课程教学大纲，使课程群中各门课程知识系统化。同时，按知识点的递进，增强实验体系建设，调整实践课程比例，加强创新型综合性实验或课程设计。同时，将各课程中的重叠部分内容进行合理衔接、自然过渡［7］。结合新的培养计划的制定，重新修订课程教学大纲，使课程群教学内容具有良好的连续性、系统性，知识结构更加合理。做到前后课程衔接好，左右课程结合好，以重视基础理论—强化软硬结合—突出应用实践为主线，建立纵向传承、横向互补的课程体系。

1.2 树状交织模块化课程体系

信号处理课程群5 门课中，“信号与线性系统”、“数字信号处理”是2 门关联性很强的专业基础课，是信息类专业的骨干核心课程，属于课程群中的基础理论部分，组成基础模块，也是我们重点建设的课程;而“DSP 原理与应用”，又是“数字信号处理”课程理论的硬件实现，是理论联系实际的硬件平台，所以“数字信号处理”和“DSP 原理与应用”2 门课组成理论实践模块;“语音信号处理”和“图像处理”是信号处理理论和实践的具体应用，组成应用模块。3 个模块纵向传承、横向交叠互补，构成“树状交织模块化”课程体系，如图1 所示。其中“数字信号处理”在前两个模块中有交织，也体现了“数字信号处理”课程的重要地位。因为该课程具有理论性、实践性、应用性强的特点，在高校电子信息类专业的课程体系中占有十分重要的地位，其教学教改模式对于其它类似的专业基础课具有重要的参考借鉴价值。经过多年的改革实践，我校的“数字信号处理”课程建设取得较好成绩，2010 年被评为江苏省精品课程。因此以精品课程建设为龙头，必将会带动课程群其他课程的改革与建设。

图1 树状交织模块化课程体系

2 构建三平台、五层面阶梯式实践教学模式

2.1 实践教学模式的构建

实验教学改革与建设是课程群建设的重要组成部分。课程群的5 门课程均在我院的电工电子实验教学中心和专业实验中心来完成，该中心在2009 年被评为国家级实验教学示范中心。此实验室不仅面向学生的课程实验进行开放，而且配有创新实验室，面向课程设计、课外实践活动、毕业设计等环节开放。另外，配合数字信号处理课程的实践，还设置了数字信号处理(DSP)硬件实验室，内含32 台我们自己开发的TMS320C54 系列DSP 硬件实验装置，可以满足同学们开展课外实践动手活动，进行大学生科技训练项目以及做DSP 相关的毕业设计课题等，该DSP 硬件实验室与数字信号处理实验室相互依存和补充。

借助国家级示范中心优良的实践条件，以培养学生探究创新能力为目标，构建多层面阶梯式实践教学模式，并融入CDIO 工程教育模式的理念，以实验教学体系、实验室建设、实验教学方法为改革主线，进行验证性—设计性—综合研究性实验的多层面结合，实现单门课程实验—课程群系统综合设计—课外参与科研课题的阶梯式推进，建立包括基础平台实验、课程群系统综合实验和创新研究型实验等方面的实践教学体系，如图2 所示。

图2 三平台、五层面阶梯式实践教学模式

2.2 实践教学模式的涵义及实现

图2 中，基于3 个平台的实验课程体系分为5 个层面:基础验证性实验、设计性实验、综合性实验和课程群系统综合实验以及课外创新实验。这5 个层面依次递增，构成阶梯式实践教学模式。所谓阶梯式实验模式是指把课程教学的能力培养和知识目标划分成若干个阶梯式递进的子目标，从简单到复杂，从单一到综合阶梯式递进，以完成一个较大的目标。

(1) 基础实验室平台。在基础实验室平台完成单门课程基础实验，主要开展验证性、设计性和综合性3个层面的实验内容。

基础验证性实验，目的是加深学生对理论课程基本概念、基本原理等教学内容的理解，重点是对学生所学课程相关学科的基本实验技能和动手能力的培养;

设计性实验，是指给定实验要求和条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验，侧重对学生专业技能掌握和分析问题、解决问题的能力的培养;

综合性实验是在学生具有一定基础实验知识和基本操作技能的基础上，运用某一课程或多门课程的知识和实验方法进行综合训练的一种实验［8］。

在基础实验室平台完成的一般是指一些传统实验，多数是验证性实验，设计和综合实验较少。

(2) 专业综合实验室平台。利用专业综合实验室平台将课程群多门课程的知识综合在一起，实施一个较大型的综合性设计实验。即在该平台实现第4 层面的课程群系统综合设计实验。根据信号处理课程群的特点，这5 门课程基本上都要用到信息处理仿真语言Matlab，因此首先设置基于软件编程的综合实验，在此基础上增加开拓学生创新能力的DSP 硬件与语音和图像处理相结合的综合设计性实验。例如，基于DSP的语音信号频谱分析和语音均衡器的设计等。即围绕信号处理这个核心，突出Matlab 软件仿真和DSP 系统硬件实现的两条主线，并贯穿在整个实践环节。

(3) 创新研究实验室平台。利用创新研究实验室平台完成课外创新实验，这是一种更高层面(第5 层面)的实验。通过课外指导学生参加大学生电子设计大赛、参加教师科研课题和参加国家、省、校科研训练计划等形式，将课程群的建设延伸到课外，加强学生对专业应用能力、工程推理和解决问题能力的培养以及团队协作能力、创造性能力的培养。

构建的三平台、五层面的阶梯式实验体系促进了知识向技能的转化，单项技能向综合素质的转化，也体现了CDIO 大纲中对学生能力培养的要求［9-10］。

在“信号与线性系统”、“数字信号处理”课程中以Matlab 语言为工具课内完成多个基础实验，并在课后开展关于Matlab 软件综合研究课题的探究性学习［11-13］;在后续课“DSP 原理与应用”课程中，除了完成基于Matlab 语言和TMS320C54 系列DSP 汇编语言实现算法仿真的软件实验外，还开设了DSP 系统实验等硬件实验［14-15］;在“语音信号处理”和“图像处理”课内是软件实验，在大四第一学期的“信号处理综合实验”中设置了开拓学生创新能力的DSP 与语音和图像处理相结合的综合性、设计性实验等内容，形成一个完整的信号处理课程群实验体系，软硬件并重。同时在课外指导学生参加大学生电子设计大赛和科研训练计划，并通过让学生模拟科研课题研究或直接参与教师的课题研究，加强了学生能力的培养。自2008 年以来，本课程群老师直接指导的学生获得国家级科研训练计划3 项、省级2 项，获得电子设计大赛全国一等奖2 项、二等奖3 项，江苏省一等奖1 项、二等奖2 项，机器人大赛国家一等奖3 项。另外，指导的学生结合“图像处理”课程知识所做的课题“基于改进模糊聚类的脑部磁共振图像分割方法”获江苏省普通高等学校优秀毕业设计二等奖。

3 结 语

根据我校专业设置特点，提出将“信号与线性系统”、“数字信号处理”，“DSP 原理与应用”，“语音信号处理”和“图像处理”5 门课构成信号处理课程群进行建设，围绕学生创新能力培养，协调各课程之间的关系，打破课程与课程之间传统的单维关系，互为补充、相互关联，以“点”形成“面”，建立了逐层递进、整体优化的树状交织模块化课程体系，更加符合信息社会对学生知识结构和能力结构的需要;依托国家级教学实验示范中心，构建了三平台、五层面阶梯式实践教学模式。这对整个专业建设起到非常重要的作用，更加有利于培养创新型的高素质人才。

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