崔文超， 孫水發(fā)， 龔國強(qiáng)

(三峽大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

信息處理類課程實(shí)踐教學(xué)體系研究

崔文超， 孫水發(fā)， 龔國強(qiáng)

(三峽大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

本文針對(duì)目前信息處理類課程實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，提出了“三線一體”的思路來改善教學(xué)環(huán)節(jié)，即以 “課時(shí)線”來合理安排實(shí)踐項(xiàng)目課時(shí)；以 “維度線”來循序漸進(jìn)提升信號(hào)處理維度；以“難度線”由淺入深提高實(shí)踐動(dòng)手能力。教學(xué)實(shí)踐表明，新的教學(xué)模式能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生的科技創(chuàng)新能力，有效地提高學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

教學(xué)改革；實(shí)踐教學(xué)；課程體系；信息處理

0 引言

按照教育部與中興通訊就在本科高校共同建設(shè)“ICT產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地”簽訂的戰(zhàn)略合作協(xié)議，自2015年至2020年期間，中興通訊將為合作高校的每個(gè)創(chuàng)新基地捐贈(zèng)平均500萬元設(shè)備，并且派專家團(tuán)隊(duì)與合作高校聯(lián)合制定人才培養(yǎng)方案、聯(lián)合開發(fā)教材、共建實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)、聯(lián)合教學(xué)、聯(lián)合開發(fā)教學(xué)資源庫、提供就業(yè)支持等，同時(shí)中興通訊將市場(chǎng)需求轉(zhuǎn)化而來的企業(yè)研發(fā)項(xiàng)目引入基地，為基地提供研發(fā)與服務(wù)需求， 提升合作院校參與ICT行業(yè)科研的能力，推動(dòng)應(yīng)用科研反哺專業(yè)建設(shè)[1]。

我校作為通信類、電子信息類、計(jì)算機(jī)類專業(yè)基礎(chǔ)較好的地方本科院校，積極爭(zhēng)取到了這一難得的發(fā)展機(jī)遇。于2015年7月，我校計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院、科技學(xué)院與中興通訊正式簽約共建“2015-2020年教育部-中興通訊ICT產(chǎn)教融合三峽大學(xué)創(chuàng)新基地”，目前基地各項(xiàng)建設(shè)正在緊鑼密鼓地開展[2]。

在此背景下，為適應(yīng)ICT創(chuàng)新基地的發(fā)展要求，我校就通信工程、電子信息工程以及電子信息科學(xué)與技術(shù)三個(gè)專業(yè)相關(guān)的信息處理類課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了有針對(duì)性的優(yōu)化調(diào)整和改革，以解決目前該類課程實(shí)踐教學(xué)中存在的問題：①某些課程理論講解過多，課上列舉工程實(shí)例較少，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)理論知識(shí)學(xué)習(xí)興趣不足；②某些課程之間存在重疊的內(nèi)容，相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)部分應(yīng)統(tǒng)一安排，以免出現(xiàn)重復(fù)設(shè)置；③注意課程之間的銜接性，以體系教學(xué)的形式制定人才培養(yǎng)方案，讓學(xué)生循序漸進(jìn)、由易到難系統(tǒng)地推進(jìn)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)；④綜合性實(shí)踐教學(xué)部分設(shè)置不足，影響了綜合性實(shí)踐教學(xué)的開展。

針對(duì)上述問題，我校信息處理類課程課題組提出了“三線一體”的思路來改善教學(xué)環(huán)節(jié)，即以“課時(shí)線”來合理安排實(shí)踐項(xiàng)目學(xué)時(shí)，以“維度線”來循序漸進(jìn)加深實(shí)踐項(xiàng)目難度，以“難度線”由淺入深提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。以下就此思路作具體的介紹。

1 信息處理類課程實(shí)踐教學(xué)體系改革

我校信息處理類課程主要根據(jù)信息處理的各個(gè)環(huán)節(jié)而設(shè)置:如“信號(hào)與系統(tǒng)”課程針對(duì)信息的獲?。弧靶畔⒄撆c編碼”和“通信原理”課程針對(duì)信息的傳輸與通信技術(shù)；“數(shù)字信號(hào)處理”和“隨機(jī)信號(hào)分析”針對(duì)信息采集與處理技術(shù)；而對(duì)于信號(hào)的理解和識(shí)別開設(shè)了“數(shù)字圖像處理”和“多媒體技術(shù)”等課程；對(duì)于信息處理的硬件實(shí)現(xiàn)開設(shè)了“DSP原理及應(yīng)用”和“嵌入式項(xiàng)目開發(fā)”等[3]。為促進(jìn)這類課程的理論知識(shí)掌握，相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)包括課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目綜合實(shí)驗(yàn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)都是必不可少的，為更加合理有效地安排實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，課題組擬從以下三個(gè)方面來開展實(shí)踐教學(xué)體系改革。

1.1以不同課時(shí)合理安排實(shí)踐項(xiàng)目

根據(jù)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容所涵蓋的知識(shí)點(diǎn)多少可分為課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)兩大項(xiàng)。

課程實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)具體的理論原理進(jìn)行驗(yàn)證型觀察，或者對(duì)具體的某一信號(hào)處理方法進(jìn)行仿真分析，以加強(qiáng)該部分的理論或方法學(xué)習(xí)。比如通信原理實(shí)驗(yàn)通常利用專用實(shí)驗(yàn)箱產(chǎn)生各種調(diào)制解調(diào)信號(hào)并用示波器觀察，以幫助學(xué)生理解整個(gè)調(diào)制解調(diào)過程信號(hào)的變化情況[4]；而數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)通常包含的FFT頻譜分析，能讓學(xué)生加深該方法在工程應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)[5]。這類課程實(shí)驗(yàn)通常不超過16課時(shí)，如表1所示。

課程設(shè)計(jì)相比課程實(shí)驗(yàn)，需要學(xué)生綜合利用所學(xué)的一門或多門課程，系統(tǒng)地完成一個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)例，這類實(shí)踐項(xiàng)目需要集中一周時(shí)間來完成。比如，表1中的課程設(shè)計(jì)“Matlab與信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，筆者曾給學(xué)生安排如下的選題：采集一段真實(shí)的語音信號(hào)，人為加入兩種單頻噪聲，觀察語音信號(hào)在時(shí)域和頻域的變化；并設(shè)計(jì)合適的數(shù)字濾波器處理加噪語音信號(hào)，還原清晰的語音信號(hào)，該實(shí)踐項(xiàng)目的模塊框圖如圖1所示。由于在前期的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)分別進(jìn)行了關(guān)于信號(hào)頻譜分析、濾波器設(shè)計(jì)等方面的實(shí)驗(yàn)，該課程設(shè)計(jì)旨在以語音信號(hào)處理作為切入點(diǎn)，讓學(xué)生從方案制定、可行性分析、仿真實(shí)現(xiàn)等方面完成多阻帶濾波器的工程應(yīng)用實(shí)例分析，能有效加強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

另外還有一類實(shí)踐項(xiàng)目為畢業(yè)設(shè)計(jì)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是教學(xué)過程的最后階段采用的一種總結(jié)性的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。要求學(xué)生花費(fèi)3個(gè)月左右時(shí)間，針對(duì)某一課題，綜合運(yùn)用本專業(yè)有關(guān)課程的理論和技術(shù)，做出解決實(shí)際問題的設(shè)計(jì)。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生對(duì)某一課題作專門深入系統(tǒng)的研究，鞏固、擴(kuò)大、加深已有知識(shí)，培養(yǎng)綜合運(yùn)用已有知識(shí)獨(dú)立解決問題的能力。表1也列出了部分課題組近兩年獲得的校優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)題目。

表1 信息處理類實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目分類

圖1 語音信號(hào)處理模塊框圖

1.2以信號(hào)維度逐漸加深實(shí)踐項(xiàng)目

依據(jù)信號(hào)處理類實(shí)踐項(xiàng)目所處理的信號(hào)可分為一維簡(jiǎn)單信號(hào)、二維圖像信號(hào)和三維視頻信號(hào)。隨著信號(hào)維度上升，處理數(shù)據(jù)量加大，相應(yīng)的信號(hào)處理算法也變得復(fù)雜。再有，信息處理類工程應(yīng)用中大多處理的信號(hào)為圖像或視頻信號(hào)，因此課題組考慮按信號(hào)維度循序漸進(jìn)加深實(shí)踐項(xiàng)目。如圖2所示給出了典型的3類以信號(hào)維度設(shè)置的實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目。其中課程實(shí)驗(yàn)中包含的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)、數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)和數(shù)字視頻處理實(shí)驗(yàn)分別針對(duì)3種維度信號(hào)進(jìn)行基本的處理算法仿真，讓學(xué)生直觀感受待處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同。比如，對(duì)去噪算法，學(xué)生通過循序漸進(jìn)解決信號(hào)去噪、圖像去噪和視頻去噪，能較好地發(fā)現(xiàn)其中的異同，找出不同維度信號(hào)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這在一定程度上也能促進(jìn)其它一維信號(hào)基本處理算法的二維或三維擴(kuò)展，提高學(xué)生舉一反三、觸類旁通的能力[5～7]。圖2(b)(c)是分別針對(duì)DSP技術(shù)和FPGA開發(fā)設(shè)置的不同維度的實(shí)踐項(xiàng)目。兩者的一維信號(hào)處理項(xiàng)目都來自于課程實(shí)驗(yàn)(表1所示)，相應(yīng)的二維和三維實(shí)踐項(xiàng)目來源于課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)(表1所示)，列出的課程設(shè)計(jì)題目能清楚看到處理的信號(hào)分別為圖像和視頻信號(hào)。學(xué)生通過一維項(xiàng)目的強(qiáng)化訓(xùn)練和二、三維項(xiàng)目的實(shí)踐拓展，能有效促進(jìn)學(xué)生解決信息處理類工程應(yīng)用中出現(xiàn)的實(shí)際問題。

1.3以考查難度逐步提升實(shí)踐項(xiàng)目

依據(jù)實(shí)踐項(xiàng)目所要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)，課題組按“原理驗(yàn)證-仿真設(shè)計(jì)-硬件實(shí)現(xiàn)”這條“難度線”來逐步提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。表2列出了以此分類的實(shí)踐項(xiàng)目的考查要求。

原理驗(yàn)證型實(shí)踐項(xiàng)目只需要完成某一理論或方法的觀察性結(jié)果演示，因此能正確說明過程中涉及的理論知識(shí)點(diǎn)即可。比如，“通信原理”中的2PSK調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)，能正確繪出并解釋調(diào)制解調(diào)原理框圖，能用示波器清晰觀察到調(diào)制和解調(diào)信號(hào)并正確畫出各輸出結(jié)點(diǎn)波形即可[4]。

仿真設(shè)計(jì)型項(xiàng)目則需要完全理解信號(hào)處理算法原理，然后利用某種計(jì)算機(jī)語言完成算法仿真，能正確調(diào)試算法相關(guān)參數(shù)，得到理論算法結(jié)果。比如數(shù)字圖像的中值濾波去噪方法，若考慮利用Matlab語言實(shí)現(xiàn)，較簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法是利用函數(shù)medfilt2( )實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)已經(jīng)封裝好圖像中值濾波算法，因此采用該函數(shù)來實(shí)現(xiàn)只能算作原理驗(yàn)證型。真正的仿真設(shè)計(jì)型項(xiàng)目應(yīng)該利用編程語句完成算法設(shè)計(jì)，這樣既可以促進(jìn)理論算法的理解，又能從中發(fā)現(xiàn)經(jīng)典算法的不足，從而為進(jìn)一步的改進(jìn)算法做探索性的嘗試，如文獻(xiàn)[8]所述。因此表2列出的仿真設(shè)計(jì)型項(xiàng)目考查要求明顯高于原理驗(yàn)證型項(xiàng)目。

(a)課程實(shí)驗(yàn) (b) DSP技術(shù)

(c) FPGA開發(fā)

對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)類實(shí)踐項(xiàng)目，因?yàn)橐呀?jīng)接近工程應(yīng)用中的產(chǎn)品化終端，需要學(xué)生同時(shí)掌握好硬件開發(fā)和軟件開發(fā)的技能，所以其考查要求最高，要求的動(dòng)手能力最強(qiáng)。比如上述的圖像中值濾波，考慮利用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，則要完成表2列出的相應(yīng)考查要求[9]。

2 實(shí)踐教學(xué)體系改革階段性成效

課題組按照“三線一體”改革思路，對(duì)信息處理類實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行了一年多時(shí)間的調(diào)整和優(yōu)化，取得了一定的階段性成效：①學(xué)生的理論學(xué)習(xí)興趣有所提高，課程不及格率有所下降；②學(xué)生的科技創(chuàng)新動(dòng)力得到激發(fā)，報(bào)名參加校級(jí)和全國性的電子設(shè)計(jì)大賽的人數(shù)增加，也取得了較好的成績(jī)。如2016年有5組學(xué)生分別獲得湖北省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)“TI杯”湖北賽區(qū)二、三等獎(jiǎng)；③考研過線學(xué)生在專業(yè)技能面試中通過率較往年有較大的提高，學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力得到考研學(xué)校的認(rèn)可；④最重要的就是學(xué)生畢業(yè)后就業(yè)率的提高，如表3所示列出了改革前后3個(gè)信息處理類相關(guān)專業(yè)的就業(yè)率情況，可以看到，改革前的2015年，3個(gè)專業(yè)的平均就業(yè)率為96.35%，低于所在學(xué)院的平均就業(yè)率96.42%，而改革后的2016年，全國的大中專畢業(yè)生達(dá)756萬之眾，比2015年多出16萬，就業(yè)的形式更嚴(yán)峻，但3個(gè)專業(yè)的就業(yè)率都高于學(xué)院平均就業(yè)率， 且平均就業(yè)率也高于2015年。這充分說明實(shí)踐教學(xué)體系改革后學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力增強(qiáng)。

表2 信息處理類實(shí)踐項(xiàng)目考查要求

表3 實(shí)踐教學(xué)體系改革前后的就業(yè)率對(duì)比

3 結(jié)語

本文介紹的信息處理類課程目前階段進(jìn)行的改革主要基于自身的實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目體系進(jìn)行的，“三線一體”的改革思路主要對(duì)現(xiàn)有的實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化整合，注重循序漸進(jìn)、由淺入深，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的科技創(chuàng)新熱情，一定程度上提高了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，增強(qiáng)了學(xué)生在就業(yè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著后期中興通訊ICT三峽大學(xué)創(chuàng)新基地的建設(shè)完成，課題組將著手與中興工程師聯(lián)合制定人才培養(yǎng)方案、聯(lián)合開發(fā)教材、共建實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)、聯(lián)合教學(xué)、聯(lián)合開發(fā)教學(xué)資源庫等。在這種校企合作的雙贏模式下，我校的信息處理類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量必將獲得更大的提高。

[1] 凡塔. 教育部-中興通訊共建本科“ICT產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地”[EB/OL].:搜狐教育, 2014-12-08: [online] http://learning.sohu.com/20141208/n406761406.shtml.

[2] 翟瑾. 三峽大學(xué)與中興通訊簽約共建教育部ICT產(chǎn)教融合創(chuàng)新基地[EB/OL].:中國高校之窗, 2015-7-22: [online] http://www.gx211.com/news/2015722/n1598284104.html.

[3] 孫祥娥, 劉益成, 李永全等. 關(guān)于電子與信息工程專業(yè)信號(hào)與信息處理類課程體系設(shè)置的研究[J]. 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 26(6): 27-29.

[4] 王福昌, 潘曉明. 通信原理實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2007年5月.

[5] 張建平. 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2010年1月.

[6] 楊杰. 數(shù)字圖像處理及Matlab實(shí)現(xiàn)：學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2010年7月.

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ResearchonthePracticalTeachingSystemofInformationProcessingCourses

CUIWen-chao,SUNShui-fa,GONGGuo-qiang

(CollegeofComputerandInformationTechnology,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

To handle the problems existed in the practical teaching for information processing courses, an idea called “Three Lines, A System” is presented to improve the teaching processes. Specifically, the first “period” line is set up to arrange the reasonable periods for different practical projects; the second “dimension” line is built to gradually increase the signal dimension of the practical projects; the third “difficulty” line is constructed to step by step promote the problem-solving ability. The teaching practices show that this new teaching mode can not only motivate the learning interest, but also enhance the scientific innovation ability, resulting in effectively improving the employment competitiveness.

teaching reform; practical teaching; course system; information processing

2016-10-23;

2017-04-29

三峽大學(xué)高等教育研究項(xiàng)目“適應(yīng)ICT發(fā)展要求的信息處理類課程實(shí)踐教學(xué)體系研究”(編號(hào)：1546)

崔文超 (1979-)，男，博士，副教授，主要從事信號(hào)與圖像處理的教學(xué)和研究，E-mail: wenchao-cui@163.com

G642

A

1008-0686(2017)05-0134-04