应用型本科院校信号处理类课程群新工科建设初探

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　　摘要：信号处理类课程群是通信工程专业课程体系建设的重要环节，该环节对通信工程专业在新工科背景下的转型升级具有重要促进作用。文章以应用型本科院校为例，结合当前新一轮的产业变革、科技革命、新经济发展形势和中国制造2025国家战略等对地方应用型人才的需求，在保留课程核心理论知识的同时，对教学内容和实践内容进行重构，探索建设符合新时代要求的信号处理类课程群。引入认知与建构的教学理论，充分利用丰富的网络资源和编程平台，帮助学生更好地满足地方新经济环境下通信行业对人才的要求。
　　关键词：新工科;应用型本科;通信工程;信号处理;课程群建设
　　中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）01-0274-03
　　 一、引言
　　“新工科”建设是主动应对新一轮科技革命与产业变革的战略行动。地方高校，尤其是新建地方应用型本科院校要对区域经济发展和产业转型升级提供智力支持，把“新工科”建设作为院校应用型转型改革的“催化剂”，人才培养方案与课程体系建设更是要围绕这一点而展开[1-5]。近几年传统通信行业受到互联网和人工智能浪潮的冲击和影响[6]。在此背景下，通信工程专业急需转型、改造和升级。结合新的一轮产业变革、科技革命、新经济发展形势和中国制造2025的国家战略对创新型工科人才的需求，在保留课程基础理论结构的同时，借鉴“卓越工程师培养计划”[7]“CDIO工程教育模式[8]”和“OBE成果导向教育[9]”的理念，对传统的课程内容进行优化，建设符合新建应用型本科院校在新时代要求的信号处理类课程群，对于通信工程专业转型具有重大意义。考虑新建本科院校学生的特点[10]，在课程群改革前期探索的基础上[11]，借助学校的数字福建智能化生产物联网实验平台，聚焦物联网前沿的信息与信号处理技术发展与应用[12-14]，丰富课程群体系内容，开拓学生的视野与思路，进一步提高学生的创业创新能力，为我校通信工程专业在新工科背景下的应用型转型寻找突破口，也为其他新建地方应用型本科院校的通信工程专业的发展转型做出示范。
　　二、优化教学内容
　　信号处理类课程群由信号与系统、数字信号处理和DSP应用技术三门课程构成，其中，“信号与系统”着重于信号的描述和系统的分析;“数字信号处理”着重于数字信号处理的方法和技术实现;“DSP应用技术”着重于数字信号处理系统的软硬件开发及应用。目前开设的这些课程内容，大多还停留在基础知识的传授上，所列举的案例仍然局限于经典信号处理问题，缺乏“新工科”所提倡的“六个新”，难以满足通信工程专业在新时期转型所需专业基础的要求。这对于数学门槛较高的信号处理理论以及新建本科院校的学生来说，更加难以理解。一方面亟待提高学生学习信号处理类课程的积极性，另一方面亟须探索通信工程专业的转型发展方向，使培养的学生跟上时代的步伐。因此，在原有的信息处理课程群教学内容的基础上，新增了部分信号处理内容，可分为三个方面：物联网中的信号处理、人工智能问题的信号处理和大数据问题的信号处理。物联网中的信号处理包括信号采集、信号编码和实时信号处理。其中实时信号处理对众多的物联网应用场景显得十分重要。人工智能问题的信号处理包括信号分类、信号分割和信号压缩，可覆盖语音信号处理和图像信号处理两个深度学习的热门领域。大数据問题的信号处理主要包括图表示、矩阵填充、随机逼近、统计学习和凸优化。物联网中的信号处理需要人工智能和大数据方法的支撑，人工智能问题的信号处理可提高物联网应用或大数据应用中的智能水平，大数据问题的信号处理与人工智能方法有紧密联系，且在物联网中有着直接的应用。新增的教学案例取材于学院各科研平台有关项目，往届优秀的双创项目和教师自身的科研项目。新知识、新内容的引入不能牺牲原有信号处理课程群内容中的必要课时，只能点到为止，更深入的扩展可在其他选修课上进行。引入的目的最终要回归到对信号处理基础的巩固和对本质问题的思考。
　　三、重构实践内容
　　为了适应“新工科”背景下新建地方本科院校的转型改革，有必要对信号处理课程群的实践内容进行重构，以实现在新环境下应用型本科人才的培养目标。目前课程群开设的实践内容，仿真实验偏多，硬件实验偏少;尽管已增设了一部分的综合和设计实验，以及课程设计，但课程群实践内容之间缺乏紧密且统一的联系，难以形成连贯闭环的实践环节。因此在原有信号处理课程群实践内容的基础上，要重构各课程的实验内容。信号与系统课实验多增加关于离散信号与离散系统的内容;数字信号处理课实验的编程语言由MATLAB改为DSP builder。DSP Builder在算法友好的开发环境中帮助设计人员缩短DSP设计周期。MATLAB和Altera DSP Builder模块以及Altera知识产权（IP）MegaCore功能相结合，将系统级设计实现和DSP算法开发相连接。数字信号处理课程设计的编程语言由MATLAB改为FPGA的HDL（Verilog HDL或VHDL）。调整后的实践内容从MATLAB到DSP builder再到HDL语言，即是从算法级到结构级再到RTL（Register Transfer Level）级的转变，使得信号处理实验不再停留于理论的仿真验证，更趋于电路的实际验证和设计实现。遵循理论指导实践原则，在数字信号处理课程设计中开设与教学内容相适应的实践方向，如无线传感网中的语音采集与处理。其涉及语音采集、语音编码、语音去噪、语音分析、语音分割和语音识别中的一个或若干个关键技术。再如无线传感网中的图像采集与处理，其涉及图像采集、图像编码、图像去噪、图像分析、图像分割和图像识别中的若干个关键技术。
　　四、教学方式改革
　　现有的教学方式大多还是“填鸭式”，教师在课堂上卖力地推导公式，通过图例生动地讲解信号处理原理，学生在讲台下无动于衷。实验课教学也大多是验证性的。这样的教学方式不再适合当前的教学改革，尤其在有限的学时中，需要讲授的内容又是多学科多方面的，这对讲授对象为新建本科院校的学生来说更是巨大的挑战。教学内容的丰富与更新还不足以调动学生的积极性，相反，若仍然采用“满堂灌”的方式，则会适得其反，会让学生觉得内容杂乱繁多，无从下手。所以笔者期望从三个方面对教学方式加以改革：（1）借助网络多媒体技术，让学生直观形象地掌握基础知识，激发学生的学习兴趣。引入翻转课堂思想，在教学过程中，充分利用慕课（MOOC）或其他网络资源，通过使用在线智慧教学工具，在线上线下与学生互动，全面提升学生的课堂教学体验。将课程的重点和难点以外的内容留给学生在课下线上自学，在有限的课程时间内让教学过程专注于课程的重点和难点，提高课堂效率;将课程新增的案例内容通过慕课（MOOC）或其他网络资源系统展示出来，以此扩展学生的学习视野，充分激发学生的学习兴趣;将课程扩展的实践内容通过慕课（MOOC）或其他网络资源在课下线上入门学习，培养学生课外自学的能力。“雨课堂”作为典型的智慧教学工具，在上一轮其他专业基础课程的教学过程中使用，且已尝到甜头。（2）精心设计相关案例或课题用于教学和实践环节，使学生明确学习目的，提高自身处理复杂工程问题的能力。引入任务驱动教学法和项目驱动教学法，借助教材，电子教案，网络多媒体资源等多种教学素材，在教学环节中，从浅显的案例入手，带动理论的学习和应用软件的实操，围绕一个共同的任务目标展开学习，以任务的完成结果检验和总结整个学习过程。在实践环节中，通过项目课题的形式进行教学，使学生在解决问题的过程中习惯于项目的完整方式，所设置的项目课题包含课程群各门课程知识。搭建信号处理与其他学科内容之间的桥梁，如设计温度采集过程中信号采样设计和基于Zigbee技术的温度采集系统设计。（3）综合运用Python、LABVIEW和MATLAB三种软件平台，从算法仿真到算法设计再到硬件开发，不同层次的学生均可找到适合自己的信号处理学习工具，进而降低学生学习的门槛。 　　五、考核方式改革
　　现有的考核方式主要以平时成绩、期中成绩和期末成绩为衡量标准。尽管开始强调要遵循过程性的考核原则，但实际操作起来仍存在一些问题，如考核形式单一、只注重卷面成绩等。因此，笔者拟从两个方面对考核方式进行改革。一方面考核形式多样化，综合运用测验、报告、设计、竞赛等多种考核方式。考核结果取决于学生在竞赛中的表现，主要由考试名次，指导教师评价，队友评价和自我评价构成;另一方面在实践课程过程性考核中加入對学生查阅检索资料，调查研究、综合分析和协作的能力的考查。检索资料可从参考文献及其引用情况的质量中得到反映;调查研究可从报告撰写的规范程度上看到;综合分析能力主要来自学生对实践过程的描述与分析的详细准确程度;协作能力主要来自指导教师与队友的评价。
　　六、结语
　　在建设“新工科”背景下，本文对我校通信工程专业的信号处理类课程群转型建设进行了初步探索，把新一轮科技革命的核心技术知识纳入课程群教学内容和实践内容，为了保证教学效果，达到教学目的，引入翻转课堂思想，吸纳任务驱动法与项目驱动法，充分利用网络媒体资源，流行的编程平台和智慧教学工具为课程群教学全过程服务，考核形式多样化，改进实践过程考核的量化指标。完成学习后，学生可以对信号处理技术应用有较深入的掌握和较全面的了解，可直接满足地方新经济发展的需求。
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　　On the Construction of Emerging Engineering Education of Signal Processing Courses in Application-oriented Universities
　　FANG Hui，FENG Hui-bin，LIN Wen，CAO Xin-rong，YANG Qing
　　（College of Computer and Control Engineering，Minjiang University，Fuzhou，Fujian 350108，China）
　　Abstract：Signal processing course group is an important link in the course system construction of communication engineering specialty，which plays an important role in promoting the transformation and upgrading of communication engineering specialty under the background of Emerging Engineering Education.This paper takes application-oriented universities as an example.With the needs of the local applied talents for current new round of industrial transformation，scientific and technological revolution，the new economic development situation and the national strategy of "Made in China 2025"，we reconstruct the teaching content and practical content and explore the construction of signal processing course group in line with the new era，while retain the core theoretical knowledge of the curriculum.Introduce the teaching theory of cognition and construction and make full use of abundant network resources and programming platform with aim to help students better adapt to the talents requirements of communication industry under the new local economic environment.
　　Key words：Emerging Engineering Education;applied undergraduate;communication engineering;signal processing;course group construction
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