信号处理与系统课程教学改革初探

来源:用户上传      作者: 王　展　黄纪军　吴　京

　　【摘要】本文介绍了国防科技大学“信号处理与系统”课程教学改革的具体做法,包括整合教学内容,优化课程体系,开展精讲多练,实施双语教学,更新实验内容,加强学员创新能力培养,以及建立网络课程和高水平教材体系等措施,取得了较好效果。
　　【关键词】信号处理与系统 教学改革
　　【中图分类号】H191 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)09(b)-0020-02
　　
　　“信号与系统分析”和“数字信号处理”是我校电子信息类专业的专业基础课程,从1980年率先在全国开出至今已经连续开课近30年。为了适应新时期学科发展和人才培养的要求,又于2000年起在全国率先开展课程的教学改革工作:将“信号与系统分析”和“数字信号处理”两门课程合并为目前的“信号处理与系统”一门课程。将两门课程内容融为一体,减少了重复,精简了课时,增强了内容的系统性,优化了教学内容。另一方面为适应新的学习内容,改进教学方法和学习方法,采用多媒体教学,开展精讲多练,开始网上课堂,采用英文原版教材和双语教学等措施。这些对于更全面地培养人才和更好地进行后续专业课程的教学无疑起到积极的推动作用。
　　
　　1 在课程体系与教学内容方面,减少重复,精简课时,增强内系统性,突出军队特色,教学与科研相结合,大力优化教学内容和课程体系
　　1)改变现行的以系统分析为主体,信号分析服从系统分析需要的格局,牢固建立起信号分析为基础,系统分析与综合是为信号分析与综合服务的观念。摆正主、从、因、果关系,抓住根本,加强基础,使学员通过学习不仅能用解析方法对任一信号进行分析,而且能用数字方法对实际信号进行分析。
　　2)在分析方法上突出时域与频域分析,把其他分析方法、数学上的变换看作运算工具,根据时域或频域分析的需要灵活应用。改变传统的左一个方法,右一个方法,在诸多方法中使学员头绪纷繁,不知所措,或误认为抓住几个数学变换也就行了。以至让数学掩盖了最本质的内容,从而把信号分析、系统分析、信号处理与系统综合有机地联系起来。
　　3)切实加强理论联系实际,实现物理概念、数学概念与工程概念三统一,原理、方法与应用三结合。改变现行的原理、方法与应用相脱节的知识结构模式。使学员学了知道有什么用和怎么用,用了,知道是否切合实际。通过实践环节进一步提高对分析问题和解决问题能力的培养。在已有基础上把学与用结合起来,理论方法与实际需要联系起来。
　　4)理顺课程体系,把整体的教学内容知识结构(知识、能力、素质)分几个子模块构成,明确定位,突出其功能及其在全局中所处的地位。信号处理与系统新课程体系的建立,明确提出了以信号分析为基础,系统分析为桥梁,处理技术为手段,系统综合为目的。在内容上,离散与连续并重;分析与综合并重;经典与近代并重。随着超大规模集成电路及DSP器件飞速发展,适当增加硬件实现的内容,充分重视那些行之有效、在发展过程具有生命力的理论与方法的介绍,以利开拓思路,因材施教,提高水平。
　　5)突出课程的军队特色,为“打得赢”提供技术储备。信号处理技术在军事中的应用十分广泛,尤其在当今高科技信息战的背景之下,雷达、电子对抗、战场侦察、武器制导、目标识别等许多方面都与信号处理密切相关。作为军校,只有在讲解信号处理传统理论与应用的基础上突出其军事背景,才能为高水平军事技术人才和指挥人才的培养提供学术保障。
　　6)始终坚持教学与科研相结合,以科研促进教学。通过将科研中取得的成果部分应用于教学,丰富了教学内容。使学生在接触本学科的新理论、新技术,把握信号分析与处理发展前沿和趋势的同时,工程实际应用能力也得以提高。
　　
　　2 在教学方法方面,改革授课方式,紧抓精讲多练和双语教学,力保教学效果优秀
　　1)改革以前的单纯的讲授模式,革新为以下三种基本方式。(1)讲课方式,抓住基础内容系统讲,有了基础重点讲,逐步放开;(2)讨论课方式,有的内容在自学基础上,在教员指导下进行讨论。通过讨论深化自学的内容;(3)读书报告方式,规定每位学员每学期至少交一篇读书报告,鼓励多写,报告的内容指定与自选相结合。前者在开学初,由教员结合本学期的教学内容提出几个值得深化、扩展和研究的问题,由学生自愿报名。根据不同课题分组组织起来,分工负责,按规定时间提交报告,后者自选的内容体裁不限,可以是阶段学习心得、综述、专题、编程技巧和值得注意的问题等等,但要求用自己的语言尽量写出特色、写出水平。召开读书报告会进行交流,全体参加。把具有代表性、写得比较好、有特色的文章,经过充分准备,在班上交流,共同提高;
　　2)采用最新英文原版教材,开展双语教学实践。,我们于2004年采用最新英文原版教材,开展双语教学实践。目的是使学员一方面能及时了解和掌握一些新的相关理论、分析方法以及应用实例,提高创新能力,另一方面适应新的学习内容和教学方法,改进学习方法,同时培养学员在专业基础课程学习中熟练运用英语进行读写的能力,进一步提高他们的英语水平。
　　3)进行“精讲多练”的教学方法探索,摆脱单一的满堂灌的现象,从以教师为中心转移到以学生为中心,使学生由被动的继承式学习为主动的创造性的学习。对课程的基本内容,特别是基本概念和基本定理,在课程上讲深、讲透,尔后给学生较多的时间进行自主学习和练习,练习采用多种形式,如习题课、大型综合性作业和与课程相关的小课题研究,以培养学生的创造性思维能力。
　　
　　3 在实践性教学环节方面,强调仿真实验、课程实验和课程设计有机结合,更新实验内容和实验设备,加强学生创新能力的培养
　　实践性教学环节不是理论教学的附属品,而是一个相对应的重要的教学环节,是提高本课程教学质量的关键。实践性教学环节不仅仅是课堂理论的验证,而且要对学员进行系统的科学实验基本技能的训练,培养学员理论联系实际,分析问题和解决问题等多方面的能力。
　　1)建设高水平信号处理与系统实验室。技术先进的统实验条件是先进实验内容的主要支撑,为此,我校投资600万元,完成了信号与信息处理实验室建设,专门开设本科生“信号处理应用”实验课程。本着“强调基础、拓宽专业、突出创新”的原则,对原有的实验内容进行了改革。原有的实验课程以验证实验为主,与课程讲授相配套,以软件实验为主,着重培养学生的基本技能和动手能力。现在的实验内容强调验证实验、综合实验和设计实验相结合,软件实验和硬件实验相结合的一个整体,突出了学生创新能力的培养。
　　2)开设示教实践和增开新实验。培养学员的注意力、观察力、辨别力,同时可以增强学员学习的兴趣。开出示教实验。观察模拟信号进行实时数字处理全过程,了解处理系统硬件模块的构成、音频信号频谱变化规律、取样率变化及数字滤波效果等。允许学员自由上机操作,最后写出报告;增开新实验。利用专用数字信号处理器进行仿真实验,提高学员软硬结合的能力。
　　3)加强课程设计。培养学员的设计能力和独立工作的能力。以往信号处理与系统教学过程只安排了很少的课程设计。课程组认为作为主干专业基础课,为了使学员牢固掌握所学内容,培养各种能力,必须安排课程设计。具体办法是:设计题目统一由教员给出,如设计一数字滤波器并用查表法实现。但滤波器的类型、技术指标、精度等,要求由每位学生自行确定,不能有重复。在上交的报告中,必须包括有关图表、频率特性、理论与实际差异的分析等。

　　4)加强计算机在课程学习中的应用。根据我校学员每人都有计算机的特点,要求学员做作业尽量用计算机作仿真实验,搞设计写报告一定要用计算机计算、仿真并打出有关曲线、图表,加强编程能力、计算机操作能力和仿真工具使用能力的锻炼。
　　
　　4 在网络课程和教材建设方面,建立完备的网络课程和高质量英文原版教材和自编教材体系
　　网络课程教学是课堂教学的延伸,网络课程的内容包括课程的基本信息、课程的教学内容、教学参考资料、网上虚拟实验、网上作业提交和批改、网上答疑。目前我校的网络教学平台已经很好地实现了网上答疑和网上作业的功能,因此,在网络课程建设方面,重点开发了网络课程课件和网上虚拟实验。通过网络课程课件,使学生利用网络课程能够自主进行学习。利用Flash和Java Applet开发信号处理与系统的虚拟实验,使学生能够利用网络虚拟实验环境完成本课程的仿真实验。
　　教材是课程体系的支撑,在课程教学中具有十分重要的基础地位。为此课程组在长期从事该课程的教学工作的同时,始终把高质量的教材建设看作为教学改革的重点,仔细阅读了该课程国内外大量的教材和教学辅导参考书籍,并从内容、结构编排等方面对它们进行了对比研究,总结了它们各自的主要特点,并就一些与教材有关的问题进行了思考。考虑到我们目前授课对象有军事技术类、军事指挥类,类型不一样,教材也应不同。对军事技术类学生我们从2004年选用许多国际一流大学正在作为主要教材使用的高质量的、最新版原文教材B.P.Lathi著的由牛津大学出版社出版的《Linear Systems and Signals》作为教材。该教材的内容的广度和深度与我国大学本科所开设的“信号与系统”或类似课程所涉及的内容并无异样,但全书突出基本概念的直观性和启发性,以及教学结果的物理意义。对学生来说,不仅导致对各种概念的深入理解和易于领悟,而且会使他们对学习感到乐趣,这正符合我国当前提倡的素质教育和创新教育的思想;该教材每章都有小结有助于学生总结出这一章所得到的主要结论,另外全书配有大量的例题,练习题(有答案)和不同难度的精选习题,可以测试学生的理解程度;本教材还有丰富的Matlab脚本资源,使学生可利用脚本资源作他们想做的事,他们可以在计算机仿真上得到初步训练和更大的领悟,并为他们的创新意识和才能的发挥提供无限的空间。对军事指挥类学生要突出其军事指挥的特点,则以自编教材为主进行教学。在教材编写上,参照国外新的教材编写理论,减少繁琐的数学推导,突出对基本概念的阐述,同时教材的组织从具体的实例到抽象的概念,很多概念和结论都是通过具体的实例引出的,避免了单调的概念和理论陈述,减少了学员的畏惧感。通过这些应用实例,使学员对信号处理与系统的基本理论的主要应用领域有一个入门性的理解。在教材中引入大量的基于MATLAB的信号处理实例,同时引入信号处理仿真的专题性的介绍、仿真实验和一定数量的基于MATLAB的仿真作业,增加课程的实践性教学环节,加强了学员的实践性能力培养,引导学员自主学习和进行研究性地学习。
　　从课程建立特别是实施教学改革以来,课程教学质量得到显著提高,先后被列为校重点课程和军队优质课程,获得校教学成果奖一项,教学组有2人获军队院校育才奖银奖,2人获校本科教学优秀奖二等奖,4人次获学校教学优秀三等奖,2人次获学院优秀中青年主讲教师称号,发表教学研讨论文16篇。先后编写出版了教材4部。其中2部获校自编教材一等奖。毕业学员受到了用人单位的好评,普遍反映在此方面的基础扎实、专业面宽、发展潜力大。同时该课程的改革带动了硕士生《数字信号处理》和博士生《现代信号处理》课程的建设。完成了从本科、硕士到博士的系列教育计划,取得了良好的教学效果和人才培养成果。

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