“信号处理”课程群实验实践教学改革与实践
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作者:李敏 刘俊
[摘 要] 该文旨在为解决现有信号处理课程群实验实践教学中存在的问题与不足，针对“MATLAB技术及应用”“信号与系统”“数字信号处理”“DSP原理及应用”和“数字图像处理”五门课程构成的信号处理课程群实验实践教学环节，从实验实践教学体系、教学方法、教学质量监控三方面进行了改革和实践。制定“模块化、层次化、相互衔接、整体统一”实验实践教学体系，形成了“自主式、合作式、结合式”实验实践教学方法，建立一套完整的实验实践质量监控体系。通过实践检验，教学成效明显。
[关键词] 信号处理课程群;实验实践教学体系;教学方法;教学质量监控
[基金项目] 2016年度重庆大学教改项目（2016Y16）;2017年度重庆大学实验教改项目（2017S26）
[作者简介] 李 敏（1978—），女，四川人，重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室高级工程师，主要从事传感器技术、嵌入式系统与信号处理、实验教学与创新研究。
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）23-0156-03 [收稿日期] 2019-11-05
一、引言
课程群是以单门课程为基础，整合两门或以上内容相关联或程度逐步加深的课程组成一个结构合理、层次清晰、课程间相互连接、相互配合、相互照应的连环式课程群体。课程群通过对课程的重新规划、设计填补原先课程间的空白，删除原先课程间的重复内容，体现群内一门课程对另一门课程的意义，并使学生更好地把握一门课程与其他课程以及整个课程群的关系，从而达到整体大于部分之和的效益[1-3]。
笔者所在的学院开设与“信号处理”相关的课程有“MATLAB技术及应用”“信号与系统”“数字信号处理”“DSP技术及应用”和“数字图像处理”五门课程，“MATLAB技术及应用”是信号处理的主要工具软件技术，“信号与系统”和“数字信号处理”是三个专业重要的基础课，“DSP技术及应用”和“数字图像处理”是专业选修课。根据培养计划，上述五门课程都安排有学时不等的实验实践教学环节，但都是课程内实验，独立开设，没有形成统一的实验实践教学体系，实验内容的安排也没有考虑到课程之间的联系和知识点的重叠与交叉，主要存在以下几个问题。
1.学生在可以选修“MATLAB技术及应用”课程时，并不清楚MATLAB技术对学习“信号与系统”“数字信号处理”等信号处理课程的重要性，即便选修了，学习目的也不明确，导致收效甚微。
2.“信号与系统”和“数字信号处理”两门实验课的内容主要是用MATLAB软件对连续和离散信号进行处理和分析，碍于实验课时，实验内容和方法较为陈旧且各自应用重点不突出。
3.由于五门课程没有形成整体统一的实验实践教学体系，实验内容没有做到承上启下，普遍存在工程概念薄弱、理论联系实际不足、原理和方法与应用脱节等问题，加大了学生理解难度而且应用意义又不明确，教学效果并不理想。
基于以上问题，结合笔者所在学校专业课程设置特点，将“MATLAB技术及应用”“信号与系统”“数字信号处理”“DSP原理及应用”和“数字图像处理”五门课程构成信号处理课程群的实验实践教學环节进行优化，从课程群实践教学体系、教学方法、教学质量监控三方面进行了研究和实践[4-5]。
二、制定“模块化、层次化、相互衔接、整体统一”的实验实践教学体系
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，进一步加重实验实践教学内容在整个人才培养方案中的比重，完善本课程群实验实践教学内容，满足学生主动获取知识的需要。针对信号处理数学分析量大、工程性强的特点，在深入分析课程理论内容及组成结构的基础上，结合适应素质教育和工程教育对电子信息类专业人才培养的要求，依托测控仪器与光电技术重庆市实验教学示范中心，以培养学生探索创新能力为目标，构建多层面阶梯式实验实践教学模式，并融入CDIO工程教育模式的理念，建立包括软件工具实验模块、基础实验模块、课程群系统综合实验模块和创新研究型实验模块的多模块、多层次的信号处理课程群实验实践教学体系，图1为该实验实践教学体系的结构示意图。
1.软件工具模块。在软件工具模块平台上，完成信号处理课程群实验实践教学所需的软件工具技术的实验实践教学，主要有MATLAB软件技术实验、C程序设计实验。
2.基础实验模块。在基础实验模块平台完成单门课程基础实验，主要开展验证性、设计性和综合性三个层面的实验内容。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。
3.课程群综合实验模块。利用课程群综合实验模块平台将信号处理课程群多门课程的知识综合在一起，实施综合性设计制作实验实践。即在该平台实现第四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，这五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硬件与软件相结合的综合设计性实验。例如，基于DSP的心电信号频谱分析和雷达信号处理的设计制作等。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，并贯穿在整个实验实践环节。
4.创新研究实验模块。利用创新研究实验模块平台完成课外创新实验，这是一种更高层面（第五层面）的实验。通过课外指导学生参加各种学科竞赛、教师科研课题和企业实习等形式，将课程群的建设延伸到课外，加强学生对专业应用能力、工程推理能力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。
三、改革实践教学方法，突出以学生为中心
改进实验教学方法，注重科学性与趣味性相结合，建立以育人为本、以学生为主体、以知识掌握为基础、以创新能力培养为核心、以综合素质提高为目标的实验教学方式，提高实践中发现问题、分析问题、解决问题的能力，形成了自主式、合作式、研究式及结合式的实验教学方法[6-8]。 （一）自主式
根据“以学生为本、以能力培养为核心”的教学理念，信号处理课程群实验教学都采用采取开放式管理，发挥学生的主观能动性，主要体现在：一是可以在实验大纲总的要求下在题库里面自主选择实验项目。二是可以自主选择实验方案和实验仪器，对于综合性设计性实验项目，学生可以自主选择实验方案和所需的实验仪器。三是可以自主选择实验时间，实验教学计划只规定完成实验项目的时间段，实验室全天面向学生开放，学生可以在规定的时间范围内根据实验内容和自己的学习计划自由选择做实验的时间。
（二）合作式
针对有一定难度且工作量较大的部分综合设计型和研究创新型实验，要求学生3～4人一组，共同拟定实验方案，集体完成实验项目并写出总结报告。培养学生查阅文献、综合设计、团队协作、总结归纳等能力。采用合作方式进行，先将题目内容要求按照总体设计方案分成若干子模块，组内学生协商选择不同的子模块，按照进度要求协作完成，通过组员协同努力，合作完成整体设计并写出设计报告。
（三）结合式
打破实验教学与理论教学之间的界限，探索理论教学与实验教学相结合的新方法。改变过去那种教师先讲、学生再做、“抱着学生走”的教学方法。将有些实践性较强的理论教学内容，直接放在实验过程中讲授，利用实验室多媒体条件边讲授边实验，实现理论与实践结合，十分直观。另一方面，在理论课中也结合实验内容进行讲授有助于理解。学生们拿到实验项目，首先是自己去分析，然后在做相应实验时，再去验证，看自己的分析是否正确。通过这样的方式，不仅使学生对理论有了深刻的理解，同时又促进学生在实验中带着问题去做，去验证自己对理论理解的正确性，加强了理论联系实际的能力。
四、建立实验实践教学质量监控体系
所有实验教学手段的目的都是希望提高教学质量。为了进一步提升教学质量，有必要针对实验实践环节建立一套完整的质量监控体系。教学质量监控体系是全员参与的、对教学全过程和影响教学质量的各个方面实施的监控。其全员性要求所有与教学相关的人员，都参与教学质量的监控;全过程是指对影响实践教学质量的每一环节、每个阶段实施监控，以阶段性目标的达成保证高质量结果的实现;全面性要求对影响实验实践教学质量的各个方面，如师资队伍、教学管理、课程建设等进行监控。
以考核学生实验项目成绩为例，在实验考核方法上，采用多元考核办法进行综合评定，注重考评方式的多样化和考评指标的规范化，以保持对学生学习成绩和教师教学效果检验的客观公正性。主要考核内容包括：实验出勤率、实验操作、实验方案正确性（设计型实验）。全方位、多元考核体系有助于激发学生实验参与积极性和加强实验教学的规范化管理。通过实验实践教学质量监控体系的实施达到如下成效：
1.教师的教学积极性提高明显。教师更加注重每一个实验实践教学环节的质量标准，实验课前准备更充分、课中辅导更仔细、课后报告批改和教学资料总结更加规范、详细。
2.学生学习主动性明显加强，动手实践能力明显提高。学生更加重视实验实践教学环节，上课的积极性和主动性明显提高，实现从“被动学习”向“主动学习”的转变。
3.教学信息收集、整理和反馈效率明显提高。通过对实验实践类课程各环节的全面监控，及时发现和解决实验实践教学过程存在的问题，保证教学各环节处于良性循环状态和持续改进状态。
五、实施效果
利用学院“光、机、电、算”交叉学科优势，以培养学生的实践能力和研究创新能力为目标，在实验实践教学内容、教学方法、教学质量监督等方面进行了优化。加强与科研、工程和生产实际的结合，设计出可供学生多角度、多途径、多方法进行思考和探究的实验项目，改造了传统的实验实践教学方法，激发了学生探究学习的欲望。在管理模式上，建立教师指导下的学生自主管理的实验室运行模式与全开放运行机制，为学生自主学习、自主实践提供了支撑平台。强化了创新意识和工程教育理念，激发了学生学习的主动性和创造性，提高了实验实践教学水平和质量，取得了显著效果。
参考文献
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Reform and Practice of Signal Processing Course Group Experimental Practice Teaching
LI Min，LIU Jun
（Key Laboratory of Optoelectronic Technology and System of the Education Ministry of China，Chongqing University，Chongqing 400044，China）
Abstract：In order to solve the problems and shortcomings of the experimental practice teaching in Signal Processing course group，including MATLAB Technology and Applications，Signals and Systems，Digital Signal Processing，DSP Principles and Applications and Digital Image Processing，reform and practice have been carried out from three aspects：experimental practice teaching system，teaching method and teaching quality monitoring.The experimental practice teaching system of "modular，hierarchical，mutual connection，and overall unification" is formulated;the experimental practice teaching method of "autonomous，cooperative，combined" experimental practice teaching method is formed;a complete set of experimental practice quality monitoring system is established.And the teaching effect is obvious through the practice test.
Key words：Signal Processing course group;experimental practice teaching system;teaching method;teaching quality monitoring
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