王艷芬，張劍英，張曉光，蔡利梅

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信電學(xué)院，江蘇 徐州221116)

0 引 言

為了適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)學(xué)科之間相互滲透和交叉的發(fā)展和變革，需要構(gòu)建21 世紀(jì)人才培養(yǎng)所需的新的課程體系，充分發(fā)揮課程群結(jié)構(gòu)整體功能效益［1-2］。因此，近年來(lái)不同專業(yè)都出現(xiàn)了課程群的建設(shè)項(xiàng)目和建設(shè)成果［2-5］。比如，東南大學(xué)信息學(xué)院在2002 年就獲得江蘇省信號(hào)與信息處理優(yōu)秀課程群獎(jiǎng)，其在信號(hào)處理領(lǐng)域的影響力一直在全省名列前茅。2007 年重慶大學(xué)承擔(dān)了重慶市高等教育關(guān)于信息類專業(yè)信號(hào)與信息處理課程群改造與建設(shè)的研究項(xiàng)目，重組、整合和優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建了新的課程體系，建立了電子信息類專業(yè)信號(hào)與信息處理課程群［2］。包括信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、隨機(jī)信號(hào)分析、計(jì)算機(jī)圖像處理、DSP 技術(shù)等課程。

基于電子信息類專業(yè)信號(hào)處理類課程內(nèi)容的緊密關(guān)系，結(jié)合我校專業(yè)課程設(shè)置特點(diǎn)，提出將“信號(hào)與線性系統(tǒng)”、“數(shù)字信號(hào)處理”、“DSP 原理與應(yīng)用”、“語(yǔ)音信號(hào)處理”和“圖像處理”5 門課構(gòu)成信號(hào)處理課程群進(jìn)行綜合優(yōu)化建設(shè)。

信號(hào)處理課程群在教學(xué)時(shí)間安排上前后順接，且在內(nèi)容方面承上啟下，相互關(guān)聯(lián)。其中“信號(hào)與線性系統(tǒng)”是信號(hào)分析基礎(chǔ)課程，主要學(xué)習(xí)連續(xù)和離散時(shí)間信號(hào)通過(guò)線性時(shí)不變系統(tǒng)的基本理論和基本分析方法，是“數(shù)字信號(hào)處理”重要的前修課程;“數(shù)字信號(hào)處理”課程是在前修課的基礎(chǔ)上重點(diǎn)學(xué)習(xí)離散傅里葉變換理論、FFT 頻譜分析、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)等數(shù)字信號(hào)處理技術(shù);“DSP 原理與應(yīng)用”是將“數(shù)字信號(hào)處理”的基本理論和算法付諸實(shí)現(xiàn)的途徑和方法，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程;“語(yǔ)音信號(hào)處理”主要學(xué)習(xí)語(yǔ)音信號(hào)處理的基礎(chǔ)知識(shí)、語(yǔ)音信號(hào)的各種分析和處理技術(shù)及其應(yīng)用?！皥D像處理”是將信號(hào)從一維分析上升到二維分析，是信息處理中十分活躍的一個(gè)分支，也是信息處理的重要應(yīng)用。上述課程既相互交叉，互不相同，各自獨(dú)立設(shè)課，卻具有不可分的內(nèi)在聯(lián)系，如果配合不好，就不能形成一個(gè)有機(jī)的整體。

1 融入CDIO 理念，建立樹(shù)狀交織模塊化課程

1.1 融入CDIO 理念，優(yōu)化課程體系

CDIO 以產(chǎn)品研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間存在有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO 理念是:充分利用大學(xué)學(xué)科齊全、學(xué)習(xí)資源豐富的條件，以盡可能接近工程實(shí)際涉及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、企業(yè)和社會(huì)的團(tuán)隊(duì)綜合設(shè)計(jì)大項(xiàng)目為主要載體，結(jié)合專業(yè)核心課程的教學(xué)，使學(xué)生在CDIO 的全過(guò)程中不斷地在工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力4 個(gè)方面得到全面的訓(xùn)練和提高［6］。

圍繞培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，融入CDIO 工程教育模式的理念，科學(xué)規(guī)劃、重組信號(hào)處理相關(guān)課程，構(gòu)建信號(hào)處理課程群。協(xié)調(diào)各課程之間的內(nèi)容，調(diào)整結(jié)構(gòu)體系，注重課程邏輯順序與銜接，統(tǒng)一編寫(xiě)各門課程教學(xué)大綱，使課程群中各門課程知識(shí)系統(tǒng)化。同時(shí)，按知識(shí)點(diǎn)的遞進(jìn)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)，調(diào)整實(shí)踐課程比例，加強(qiáng)創(chuàng)新型綜合性實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)。同時(shí)，將各課程中的重疊部分內(nèi)容進(jìn)行合理銜接、自然過(guò)渡［7］。結(jié)合新的培養(yǎng)計(jì)劃的制定，重新修訂課程教學(xué)大綱，使課程群教學(xué)內(nèi)容具有良好的連續(xù)性、系統(tǒng)性，知識(shí)結(jié)構(gòu)更加合理。做到前后課程銜接好，左右課程結(jié)合好，以重視基礎(chǔ)理論—強(qiáng)化軟硬結(jié)合—突出應(yīng)用實(shí)踐為主線，建立縱向傳承、橫向互補(bǔ)的課程體系。

1.2 樹(shù)狀交織模塊化課程體系

信號(hào)處理課程群5 門課中，“信號(hào)與線性系統(tǒng)”、“數(shù)字信號(hào)處理”是2 門關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是信息類專業(yè)的骨干核心課程，屬于課程群中的基礎(chǔ)理論部分，組成基礎(chǔ)模塊，也是我們重點(diǎn)建設(shè)的課程;而“DSP 原理與應(yīng)用”，又是“數(shù)字信號(hào)處理”課程理論的硬件實(shí)現(xiàn)，是理論聯(lián)系實(shí)際的硬件平臺(tái)，所以“數(shù)字信號(hào)處理”和“DSP 原理與應(yīng)用”2 門課組成理論實(shí)踐模塊;“語(yǔ)音信號(hào)處理”和“圖像處理”是信號(hào)處理理論和實(shí)踐的具體應(yīng)用，組成應(yīng)用模塊。3 個(gè)模塊縱向傳承、橫向交疊互補(bǔ)，構(gòu)成“樹(shù)狀交織模塊化”課程體系，如圖1 所示。其中“數(shù)字信號(hào)處理”在前兩個(gè)模塊中有交織，也體現(xiàn)了“數(shù)字信號(hào)處理”課程的重要地位。因?yàn)樵撜n程具有理論性、實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在高校電子信息類專業(yè)的課程體系中占有十分重要的地位，其教學(xué)教改模式對(duì)于其它類似的專業(yè)基礎(chǔ)課具有重要的參考借鑒價(jià)值。經(jīng)過(guò)多年的改革實(shí)踐，我校的“數(shù)字信號(hào)處理”課程建設(shè)取得較好成績(jī)，2010 年被評(píng)為江蘇省精品課程。因此以精品課程建設(shè)為龍頭，必將會(huì)帶動(dòng)課程群其他課程的改革與建設(shè)。

圖1 樹(shù)狀交織模塊化課程體系

2 構(gòu)建三平臺(tái)、五層面階梯式實(shí)踐教學(xué)模式

2.1 實(shí)踐教學(xué)模式的構(gòu)建

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與建設(shè)是課程群建設(shè)的重要組成部分。課程群的5 門課程均在我院的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和專業(yè)實(shí)驗(yàn)中心來(lái)完成，該中心在2009 年被評(píng)為國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。此實(shí)驗(yàn)室不僅面向?qū)W生的課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行開(kāi)放，而且配有創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，面向課程設(shè)計(jì)、課外實(shí)踐活動(dòng)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)開(kāi)放。另外，配合數(shù)字信號(hào)處理課程的實(shí)踐，還設(shè)置了數(shù)字信號(hào)處理(DSP)硬件實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)含32 臺(tái)我們自己開(kāi)發(fā)的TMS320C54 系列DSP 硬件實(shí)驗(yàn)裝置，可以滿足同學(xué)們開(kāi)展課外實(shí)踐動(dòng)手活動(dòng)，進(jìn)行大學(xué)生科技訓(xùn)練項(xiàng)目以及做DSP 相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題等，該DSP 硬件實(shí)驗(yàn)室與數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)室相互依存和補(bǔ)充。

借助國(guó)家級(jí)示范中心優(yōu)良的實(shí)踐條件，以培養(yǎng)學(xué)生探究創(chuàng)新能力為目標(biāo)，構(gòu)建多層面階梯式實(shí)踐教學(xué)模式，并融入CDIO 工程教育模式的理念，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法為改革主線，進(jìn)行驗(yàn)證性—設(shè)計(jì)性—綜合研究性實(shí)驗(yàn)的多層面結(jié)合，實(shí)現(xiàn)單門課程實(shí)驗(yàn)—課程群系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)—課外參與科研課題的階梯式推進(jìn)，建立包括基礎(chǔ)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)、課程群系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)等方面的實(shí)踐教學(xué)體系，如圖2 所示。

圖2 三平臺(tái)、五層面階梯式實(shí)踐教學(xué)模式

2.2 實(shí)踐教學(xué)模式的涵義及實(shí)現(xiàn)

圖2 中，基于3 個(gè)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)課程體系分為5 個(gè)層面:基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和課程群系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)以及課外創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。這5 個(gè)層面依次遞增，構(gòu)成階梯式實(shí)踐教學(xué)模式。所謂階梯式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞侵赴颜n程教學(xué)的能力培養(yǎng)和知識(shí)目標(biāo)劃分成若干個(gè)階梯式遞進(jìn)的子目標(biāo)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從單一到綜合階梯式遞進(jìn)，以完成一個(gè)較大的目標(biāo)。

(1) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)完成單門課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，主要開(kāi)展驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和綜合性3個(gè)層面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，目的是加深學(xué)生對(duì)理論課程基本概念、基本原理等教學(xué)內(nèi)容的理解，重點(diǎn)是對(duì)學(xué)生所學(xué)課程相關(guān)學(xué)科的基本實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力的培養(yǎng);

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，是指給定實(shí)驗(yàn)要求和條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，側(cè)重對(duì)學(xué)生專業(yè)技能掌握和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力的培養(yǎng);

綜合性實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生具有一定基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識(shí)和基本操作技能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用某一課程或多門課程的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種實(shí)驗(yàn)［8］。

在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)完成的一般是指一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，多數(shù)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)和綜合實(shí)驗(yàn)較少。

(2) 專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)。利用專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)將課程群多門課程的知識(shí)綜合在一起，實(shí)施一個(gè)較大型的綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。即在該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)第4 層面的課程群系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)信號(hào)處理課程群的特點(diǎn)，這5 門課程基本上都要用到信息處理仿真語(yǔ)言Matlab，因此首先設(shè)置基于軟件編程的綜合實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上增加開(kāi)拓學(xué)生創(chuàng)新能力的DSP 硬件與語(yǔ)音和圖像處理相結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。例如，基于DSP的語(yǔ)音信號(hào)頻譜分析和語(yǔ)音均衡器的設(shè)計(jì)等。即圍繞信號(hào)處理這個(gè)核心，突出Matlab 軟件仿真和DSP 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)的兩條主線，并貫穿在整個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)。

(3) 創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)。利用創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)完成課外創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，這是一種更高層面(第5 層面)的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)課外指導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、參加教師科研課題和參加國(guó)家、省、校科研訓(xùn)練計(jì)劃等形式，將課程群的建設(shè)延伸到課外，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)應(yīng)用能力、工程推理和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)造性能力的培養(yǎng)。

構(gòu)建的三平臺(tái)、五層面的階梯式實(shí)驗(yàn)體系促進(jìn)了知識(shí)向技能的轉(zhuǎn)化，單項(xiàng)技能向綜合素質(zhì)的轉(zhuǎn)化，也體現(xiàn)了CDIO 大綱中對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的要求［9-10］。

在“信號(hào)與線性系統(tǒng)”、“數(shù)字信號(hào)處理”課程中以Matlab 語(yǔ)言為工具課內(nèi)完成多個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，并在課后開(kāi)展關(guān)于Matlab 軟件綜合研究課題的探究性學(xué)習(xí)［11-13］;在后續(xù)課“DSP 原理與應(yīng)用”課程中，除了完成基于Matlab 語(yǔ)言和TMS320C54 系列DSP 匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)算法仿真的軟件實(shí)驗(yàn)外，還開(kāi)設(shè)了DSP 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等硬件實(shí)驗(yàn)［14-15］;在“語(yǔ)音信號(hào)處理”和“圖像處理”課內(nèi)是軟件實(shí)驗(yàn)，在大四第一學(xué)期的“信號(hào)處理綜合實(shí)驗(yàn)”中設(shè)置了開(kāi)拓學(xué)生創(chuàng)新能力的DSP 與語(yǔ)音和圖像處理相結(jié)合的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，形成一個(gè)完整的信號(hào)處理課程群實(shí)驗(yàn)體系，軟硬件并重。同時(shí)在課外指導(dǎo)學(xué)生參加大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽和科研訓(xùn)練計(jì)劃，并通過(guò)讓學(xué)生模擬科研課題研究或直接參與教師的課題研究，加強(qiáng)了學(xué)生能力的培養(yǎng)。自2008 年以來(lái)，本課程群老師直接指導(dǎo)的學(xué)生獲得國(guó)家級(jí)科研訓(xùn)練計(jì)劃3 項(xiàng)、省級(jí)2 項(xiàng)，獲得電子設(shè)計(jì)大賽全國(guó)一等獎(jiǎng)2 項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3 項(xiàng)，江蘇省一等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2 項(xiàng)，機(jī)器人大賽國(guó)家一等獎(jiǎng)3 項(xiàng)。另外，指導(dǎo)的學(xué)生結(jié)合“圖像處理”課程知識(shí)所做的課題“基于改進(jìn)模糊聚類的腦部磁共振圖像分割方法”獲江蘇省普通高等學(xué)校優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)二等獎(jiǎng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)我校專業(yè)設(shè)置特點(diǎn)，提出將“信號(hào)與線性系統(tǒng)”、“數(shù)字信號(hào)處理”，“DSP 原理與應(yīng)用”，“語(yǔ)音信號(hào)處理”和“圖像處理”5 門課構(gòu)成信號(hào)處理課程群進(jìn)行建設(shè)，圍繞學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，協(xié)調(diào)各課程之間的關(guān)系，打破課程與課程之間傳統(tǒng)的單維關(guān)系，互為補(bǔ)充、相互關(guān)聯(lián)，以“點(diǎn)”形成“面”，建立了逐層遞進(jìn)、整體優(yōu)化的樹(shù)狀交織模塊化課程體系，更加符合信息社會(huì)對(duì)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)的需要;依托國(guó)家級(jí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)示范中心，構(gòu)建了三平臺(tái)、五層面階梯式實(shí)踐教學(xué)模式。這對(duì)整個(gè)專業(yè)建設(shè)起到非常重要的作用，更加有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型的高素質(zhì)人才。

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