尚宇

【摘 要】 本文主要闡述了信號處理系列課程的主要研究內(nèi)容，分析了該課程體系內(nèi)課程之間、課程與相關(guān)課程之間的關(guān)系，針對不同專業(yè)設(shè)計了兩種課程體系Map，并對課程群內(nèi)課程的整體教學(xué)、實驗內(nèi)容進行了規(guī)劃設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】 電氣信息；信號處理；課程體系

近年來，隨著以語言處理、圖像處理、大數(shù)據(jù)分析處理等為核心技術(shù)的人工智能技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號獲取與處理的技術(shù)從制造業(yè)領(lǐng)域擴大到農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、教育、能源、國防等諸多領(lǐng)域，不斷給人類社會帶來更多發(fā)展。由此，隨著信號處理理論與方法應(yīng)用的范圍的擴大，信號處理系列課程也成為國內(nèi)外各個工科專業(yè)的核心課程，除了電子類專業(yè)，光電、機電、計算機、生物醫(yī)學(xué)等各專業(yè)也均已開設(shè)信號處理系列課程。由于存在著與原有課程體系的銜接，其在教學(xué)體系建設(shè)和教學(xué)內(nèi)容安排上存在各種問題。

一、課程群建設(shè)思路

面向國內(nèi)外高等教育的發(fā)展，跟蹤學(xué)科發(fā)展，借鑒CDIO 理念，以信號處理課群為背景，拓寬電氣信息類專業(yè)知識模塊為突破口，體現(xiàn)“厚基礎(chǔ)，重應(yīng)用”的特點，構(gòu)建信號處理系列課程體系，及時引入高等工程教育的教研與科研成果，強化基本方法、基本技能，提高綜合素養(yǎng)，實現(xiàn)具有普適性的學(xué)科大類工程基礎(chǔ)教育的目標(biāo)，并建立可持續(xù)發(fā)展的良好機制。

由于信號處理系列課程均以數(shù)學(xué)為主要工具，其理論性和應(yīng)用性都很強，體系內(nèi)課程之間及與相關(guān)課程之間在內(nèi)容上具有一定的重疊性，需要分析各門課程內(nèi)容的側(cè)重點，理清課程之間的相互關(guān)系以保證課程內(nèi)容的有效銜接，將其作為一個整體進行優(yōu)化整合，以形成模塊化的理論教學(xué)體系，并在大類知識平臺上建立層次化的實踐教學(xué)體系。在該體系下，注重理論與實驗教學(xué)的有機融合，注重工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

二、理論課程體系構(gòu)建

1、構(gòu)建專業(yè)相關(guān)基礎(chǔ)課程Map

通過深入研究信號處理系列課程在各專業(yè)中與前開、后續(xù)課程的知識相關(guān)性，按照國家“卓越工程師計劃”的要求，按照知識領(lǐng)域、知識點構(gòu)造知識能力矩陣，理順各知識點的銜接關(guān)系，進一步理清對應(yīng)課程的學(xué)期設(shè)置，為使其在培養(yǎng)計劃中的設(shè)置更為合理奠定基礎(chǔ)。

在電氣信息大類學(xué)科中，通識教育的核心課程中，信號處理類課程主要包括信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理兩門核心課程，根據(jù)專業(yè)需求還有信號分析與處理、DSP 技術(shù)及應(yīng)用以及系列實驗課程等核心課程。結(jié)合各專業(yè)的開課情況，構(gòu)建電工電子類專業(yè)基礎(chǔ)課程體系Map，如圖1所示，可供開設(shè)專業(yè)選擇參考。對信號處理類課程整體要求較高的專業(yè)可以采用（a），要求較低的專業(yè)可以采用（b） 圖結(jié)構(gòu)。各專業(yè)可根據(jù)實際需要選擇開設(shè)的課程及學(xué)期學(xué)時。

電氣信息類專業(yè)的首要專業(yè)基礎(chǔ)課程為“電路”（非電專業(yè)為“電路分析”）課程，它也是“自動控制原理”以及信號處理系列課程的理論基礎(chǔ)，一般課程群中的基礎(chǔ)課程“信號與系統(tǒng)”需設(shè)置在“電路”開課后的學(xué)期。“自動控制原理”課程一般可以與“信號與系統(tǒng)”同時開設(shè)。若有些專業(yè)對信號處理類課程要求不高，建議開設(shè)“信號分析與處理”課程，建議學(xué)時為64學(xué)時（至少48學(xué)時），由教學(xué)經(jīng)驗，開設(shè)在“自動控制原理”課程之后授課效果較好。

2、建立課程群體系結(jié)構(gòu)

按照信號分析→系統(tǒng)分析→信號的數(shù)字處理→系統(tǒng)的實現(xiàn)作為教學(xué)體系的組織結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)原理、方法和應(yīng)用的有機結(jié)合，構(gòu)建課群內(nèi)課程的知識能力矩陣。各專業(yè)可選擇與本專業(yè)相適應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時，以形成適合本專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容完善、分工合理的教學(xué)體系。建立信號處理課程群內(nèi)課程的體系結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

課程群中，信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理兩門課程為核心基礎(chǔ)，以連續(xù)時間信號與系統(tǒng)的分析和處理為基礎(chǔ)，以離散時間信號與系統(tǒng)的分析和處理為目的。按照目前的技術(shù)發(fā)展，信號處理的核心概念應(yīng)主要放在離散域的頻域（即ω域）的分析和處理。

圖2 信號處理課程群體系結(jié)構(gòu)

三、課程群教學(xué)內(nèi)容的整體優(yōu)化設(shè)計

1、“信號與系統(tǒng)”

“信號與系統(tǒng)”課程的傳統(tǒng)內(nèi)容包括信號分析與線性系統(tǒng)分析兩部分內(nèi)容。按照研究對象所在時間域分為連續(xù)時間和離散時間信號與系統(tǒng)兩種系統(tǒng)；按照處理方法可以分為時域分析方法和變換域分析方法兩類方法。變換域的方法主要概括為頻域（ω域）、復(fù)頻域（s域）和Z變換（Z域）。課程中重要的運算方法是卷積積分/卷積和的概念。當(dāng)今由于計算機技術(shù)及各類工程軟件的普及，從變換域的角度，課程重點應(yīng)放在信號的頻譜分析以及系統(tǒng)的頻率響應(yīng)上；從時間域的角度，課程重點應(yīng)放在離散域分析。電路的時域方程求解，逆變換的求解應(yīng)弱化。

2、“電路”與“信號與系統(tǒng)”

電路課程應(yīng)主要介紹電路的基本概念和電路定律，其線性電阻電路、線性動態(tài)電路時域分析的方法與定理是所有后續(xù)課程的基礎(chǔ)。其傳統(tǒng)內(nèi)容中，除電氣工程專業(yè)外，均可適當(dāng)進行削減，傅里葉級數(shù)、復(fù)頻域分析等均可放至后續(xù)“信號與系統(tǒng)”課程。

3、“信號與系統(tǒng)”與“自動控制原理”

這兩門課程分別是弱電、強電專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程。主要內(nèi)容均包含對線性系統(tǒng)進行分析的內(nèi)容，除了頻域外，其他變換域兩者均有涉及，內(nèi)容上不可避免存在有重疊，區(qū)別僅在涉及的深度與廣度?！白詣涌刂圃怼敝攸c在對系統(tǒng)的分析，主要掌握控制系統(tǒng)的基本原理、分析方法，如控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可控性等，關(guān)注系統(tǒng)的建模、分析和綜合?！靶盘柵c系統(tǒng)”課程更為關(guān)注信號的分析，尤其是信號的頻域分析，從頻譜分析角度掌握信號和系統(tǒng)之間的關(guān)系。

4、“信號與系統(tǒng)”與“數(shù)字信號處理”

“信號與系統(tǒng)”是“數(shù)字信號處理”的理論基礎(chǔ)，兩者從理論上來說，是同一個理論體系細(xì)分后的結(jié)果，內(nèi)容本身并不存在重復(fù)，只是由于大多數(shù)“數(shù)字信號處理”教材，為了保證教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性和完整性，往往將抽樣定理、離散信號與系統(tǒng)的時、頻域分析方法等內(nèi)容再次進行了闡述。

“數(shù)字信號處理”的教學(xué)內(nèi)容注重面向工程實際，主要突出數(shù)字化方法與技術(shù)，其重點內(nèi)容應(yīng)放在DFT、FFT算法、數(shù)字濾波器有關(guān)原理與設(shè)計方法?？梢詫㈦x散時間傅里葉變換、離散傅里葉級數(shù)等基礎(chǔ)概念下移，適當(dāng)增加現(xiàn)代信號處理的內(nèi)容。

5、“信號分析與處理”

“信號分析與處理”課程為“信號與系統(tǒng)”與“數(shù)字信號處理”兩門課程的綜合體，適用于有信號處理知識需求但學(xué)時要求無法滿足的專業(yè)。實際運行中，若專業(yè)開設(shè)了“自動控制理論”，建議作為其后續(xù)課程開設(shè)。該課程由于學(xué)時有限，一般只能涉及信號分析與處理的基本原理與分析方法：信號的傅里葉頻譜、抽樣定理、信號的傳輸與濾波、DTFT、DFT、FFT、數(shù)字濾波器的基本設(shè)計方法等內(nèi)容。

四、實驗課程體系構(gòu)建

1、分層次設(shè)計實踐教學(xué)

整體規(guī)劃內(nèi)容，體現(xiàn)從原理到工程應(yīng)用，構(gòu)建與“厚基礎(chǔ)，重應(yīng)用”培養(yǎng)目標(biāo)相一致的“軟硬結(jié)合，循序漸進，培養(yǎng)創(chuàng)新意識”的信號處理實踐教學(xué)培養(yǎng)體系。

仍然按照“信號分析→系統(tǒng)分析→信號的數(shù)字處理→系統(tǒng)的實現(xiàn)”組織整個課程群實驗體系的內(nèi)容，改革實驗方式，注重基礎(chǔ)性實驗，增加綜合性、設(shè)計性實驗，其層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

隨著信號處理學(xué)科技術(shù)的發(fā)展，海量存儲器的出現(xiàn)使得用C語言等高級語言在DSP上實現(xiàn)變得更為容易，從而我們可以在實驗室中以更接近于實際工程開發(fā)的過程，

用軟硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)信號處理的設(shè)計過程?；谛盘柼幚碚n程體系整體規(guī)劃實驗教學(xué)內(nèi)容，不同專業(yè)可以采用不同的實現(xiàn)方案。在整個系列課程的實驗設(shè)計中，我們按照同一個內(nèi)容的基于MATLAB軟件平臺的基礎(chǔ)軟件仿真實驗到DSP或ARM硬件實現(xiàn)的對應(yīng)關(guān)系進行實驗設(shè)計，并構(gòu)造基于實際系統(tǒng)的綜合、設(shè)計性實驗，從而讓實驗更接近于實際的數(shù)字信號處理系統(tǒng)。

2、基于CDIO理念中的二、三級項目原則來設(shè)計實驗內(nèi)容

將科研項目中的以心電信號處理、汽輪機震動信號處理、語音信號處理等實際數(shù)字信號處理系統(tǒng)規(guī)劃為二級項目內(nèi)容（通過綜合課程設(shè)計實施），從工程應(yīng)用的角度出發(fā)設(shè)計題目，規(guī)劃設(shè)計課內(nèi)的三級項目內(nèi)容，且實驗內(nèi)容具有從基礎(chǔ)到提高的層次性。

基礎(chǔ)實驗主要包括基本信號運算、典型信號的實現(xiàn)、卷積與相關(guān)的實現(xiàn)、連續(xù)信號的頻譜分析、離散信號的頻譜分析、時域/頻域抽樣、系統(tǒng)分析等內(nèi)容；綜合設(shè)計性實驗的內(nèi)容主要是將信號處理系統(tǒng)的各子系統(tǒng)構(gòu)建的系列的濾波實驗；軟硬結(jié)合實驗及綜合設(shè)計部分主要放在FFT分析連續(xù)信號的頻譜及濾波處理、信號的采樣與濾波，以及用DSP/ARM實現(xiàn)語音、心電信號等信號壓縮、實時濾波、頻譜分析等內(nèi)容。

3、探索新的實踐教學(xué)實施方式

我們在設(shè)計的信號分析與處理實驗中，設(shè)計了信號分析、系統(tǒng)分析、信號處理綜合實驗三個板塊。由于每個板塊中的實驗內(nèi)容都具有對應(yīng)地層次性，各專業(yè)可根據(jù)教學(xué)的深廣度需求靈活選擇與教學(xué)配套的內(nèi)容。如在信號分析板塊實驗中，信號的頻域分析包括周期信號的頻譜、非周期信號的頻譜、信號的時域采樣等內(nèi)容，可在其中選擇部分內(nèi)容作為實驗內(nèi)容，也可以作為課后作業(yè)進行練習(xí)。對實驗學(xué)時較少的專業(yè)，還可以將信號處理綜合實驗板塊的內(nèi)容變更為開放性實驗或大型程序作業(yè)環(huán)節(jié)。

在具體實施中，我們將其作為大型程序設(shè)計作業(yè)進行了嘗試，有意識培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新、團隊協(xié)作意識。具體實施步驟如下：

（1）制定了以二級項目驅(qū)動的程序設(shè)計任務(wù)書。任務(wù)書僅提供工程項目背景介紹及需要的設(shè)計指標(biāo)，不提供設(shè)計方案，設(shè)計需要處理的信號也由學(xué)生自行采集。

（2）實施時間：開課中期～課程結(jié)束后一周。

（3）實施方式：由教師指定學(xué)生成立3人小組，由學(xué)生自由分工。采取指定組合的形式是為了更接近實際工作中，個人無法選擇合作伙伴的情況，以鍛煉學(xué)生的協(xié)作能力。

（4）項目考核：采取撰寫設(shè)計報告的方式評定成績。學(xué)生需設(shè)計報告、源程序。項目組按照規(guī)范撰寫項目報告，并在指定時間內(nèi)提交報告、有關(guān)數(shù)據(jù)、源程序及運行結(jié)果，并進行結(jié)果分析。學(xué)生提交報告時，同時提交自評成績與互評成績，最終學(xué)生的個人成績由項目組成績與自互評成績加權(quán)進行評定。

從實施效果來看，學(xué)生以超乎預(yù)料的熱情按時完成了設(shè)計任務(wù)，并在實施過程中提出了很多建設(shè)性意見，收到良好效果。

五、結(jié)語

課程體系的內(nèi)容應(yīng)是隨著技術(shù)的發(fā)展不斷更新的，如何面向工程實際構(gòu)建符合電氣信息類各專業(yè)要求的信號處理課程體系，優(yōu)化教學(xué)和實踐教學(xué)內(nèi)容，需要我們持續(xù)研究探索。我們希望通過信號處理理論與實驗教學(xué)體系的研究和構(gòu)建，使學(xué)生熟悉理論知識，掌握從軟件仿真到硬件處理的系統(tǒng)設(shè)計方法和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并解決問題的能力。

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【作者簡介】

尚 宇（1973.2-）女，河南洛陽人，西安工業(yè)大學(xué)教授，研究方向：信號與信息處理.