李敏 劉俊

[摘 要] 該文旨在為解決現(xiàn)有信號(hào)處理課程群實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中存在的問題與不足，針對(duì)“MATLAB技術(shù)及應(yīng)用”“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”“DSP原理及應(yīng)用”和“數(shù)字圖像處理”五門課程構(gòu)成的信號(hào)處理課程群實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，從實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系、教學(xué)方法、教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控三方面進(jìn)行了改革和實(shí)踐。制定“模塊化、層次化、相互銜接、整體統(tǒng)一”實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系，形成了“自主式、合作式、結(jié)合式”實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方法，建立一套完整的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐質(zhì)量監(jiān)控體系。通過實(shí)踐檢驗(yàn)，教學(xué)成效明顯。

[關(guān)鍵詞] 信號(hào)處理課程群;實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系;教學(xué)方法;教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控

[基金項(xiàng)目] 2016年度重慶大學(xué)教改項(xiàng)目（2016Y16）;2017年度重慶大學(xué)實(shí)驗(yàn)教改項(xiàng)目（2017S26）

[作者簡介] 李 敏（1978—），女，四川人，重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師，主要從事傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)與信號(hào)處理、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）23-0156-03? ? [收稿日期] 2019-11-05

一、引言

課程群是以單門課程為基礎(chǔ)，整合兩門或以上內(nèi)容相關(guān)聯(lián)或程度逐步加深的課程組成一個(gè)結(jié)構(gòu)合理、層次清晰、課程間相互連接、相互配合、相互照應(yīng)的連環(huán)式課程群體。課程群通過對(duì)課程的重新規(guī)劃、設(shè)計(jì)填補(bǔ)原先課程間的空白，刪除原先課程間的重復(fù)內(nèi)容，體現(xiàn)群內(nèi)一門課程對(duì)另一門課程的意義，并使學(xué)生更好地把握一門課程與其他課程以及整個(gè)課程群的關(guān)系，從而達(dá)到整體大于部分之和的效益[1-3]。

筆者所在的學(xué)院開設(shè)與“信號(hào)處理”相關(guān)的課程有“MATLAB技術(shù)及應(yīng)用”“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”“DSP技術(shù)及應(yīng)用”和“數(shù)字圖像處理”五門課程，“MATLAB技術(shù)及應(yīng)用”是信號(hào)處理的主要工具軟件技術(shù)，“信號(hào)與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號(hào)處理”是三個(gè)專業(yè)重要的基礎(chǔ)課，“DSP技術(shù)及應(yīng)用”和“數(shù)字圖像處理”是專業(yè)選修課。根據(jù)培養(yǎng)計(jì)劃，上述五門課程都安排有學(xué)時(shí)不等的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，但都是課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)，獨(dú)立開設(shè)，沒有形成統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排也沒有考慮到課程之間的聯(lián)系和知識(shí)點(diǎn)的重疊與交叉，主要存在以下幾個(gè)問題。

1.學(xué)生在可以選修“MATLAB技術(shù)及應(yīng)用”課程時(shí)，并不清楚MATLAB技術(shù)對(duì)學(xué)習(xí)“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”等信號(hào)處理課程的重要性，即便選修了，學(xué)習(xí)目的也不明確，導(dǎo)致收效甚微。

2.“信號(hào)與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號(hào)處理”兩門實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容主要是用MATLAB軟件對(duì)連續(xù)和離散信號(hào)進(jìn)行處理和分析，礙于實(shí)驗(yàn)課時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法較為陳舊且各自應(yīng)用重點(diǎn)不突出。

3.由于五門課程沒有形成整體統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒有做到承上啟下，普遍存在工程概念薄弱、理論聯(lián)系實(shí)際不足、原理和方法與應(yīng)用脫節(jié)等問題，加大了學(xué)生理解難度而且應(yīng)用意義又不明確，教學(xué)效果并不理想。

基于以上問題，結(jié)合筆者所在學(xué)校專業(yè)課程設(shè)置特點(diǎn)，將“MATLAB技術(shù)及應(yīng)用”“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”“DSP原理及應(yīng)用”和“數(shù)字圖像處理”五門課程構(gòu)成信號(hào)處理課程群的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，從課程群實(shí)踐教學(xué)體系、教學(xué)方法、教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控三方面進(jìn)行了研究和實(shí)踐[4-5]。

二、制定“模塊化、層次化、相互銜接、整體統(tǒng)一”的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系

按照“加強(qiáng)基礎(chǔ)、拓寬專業(yè)、強(qiáng)化實(shí)踐、突出能力、注重創(chuàng)新、體現(xiàn)個(gè)性”的教育理念，進(jìn)一步加重實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容在整個(gè)人才培養(yǎng)方案中的比重，完善本課程群實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，滿足學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)的需要。針對(duì)信號(hào)處理數(shù)學(xué)分析量大、工程性強(qiáng)的特點(diǎn)，在深入分析課程理論內(nèi)容及組成結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合適應(yīng)素質(zhì)教育和工程教育對(duì)電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，依托測控儀器與光電技術(shù)重慶市實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，以培養(yǎng)學(xué)生探索創(chuàng)新能力為目標(biāo)，構(gòu)建多層面階梯式實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式，并融入CDIO工程教育模式的理念，建立包括軟件工具實(shí)驗(yàn)?zāi)K、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K、課程群系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K和創(chuàng)新研究型實(shí)驗(yàn)?zāi)K的多模塊、多層次的信號(hào)處理課程群實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系，圖1為該實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系的結(jié)構(gòu)示意圖。

1.軟件工具模塊。在軟件工具模塊平臺(tái)上，完成信號(hào)處理課程群實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)所需的軟件工具技術(shù)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，主要有MATLAB軟件技術(shù)實(shí)驗(yàn)、C程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

2.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K平臺(tái)完成單門課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，主要開展驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和綜合性三個(gè)層面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。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。

3.課程群綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K。利用課程群綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K平臺(tái)將信號(hào)處理課程群多門課程的知識(shí)綜合在一起，實(shí)施綜合性設(shè)計(jì)制作實(shí)驗(yàn)實(shí)踐。即在該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)第四層面的課程群系統(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)，這五門課程基本上都要用到信息處理仿真語言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)上增加開拓學(xué)生創(chuàng)新能力的DSP硬件與軟件相結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。例如，基于DSP的心電信號(hào)頻譜分析和雷達(dá)信號(hào)處理的設(shè)計(jì)制作等。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)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)。

4.創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)?zāi)K。利用創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)?zāi)K平臺(tái)完成課外創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，這是一種更高層面（第五層面）的實(shí)驗(yàn)。通過課外指導(dǎo)學(xué)生參加各種學(xué)科競賽、教師科研課題和企業(yè)實(shí)習(xí)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、工程推理能力和解決問題能力的培養(yǎng)以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、創(chuàng)造性能力的培養(yǎng)。

三、改革實(shí)踐教學(xué)方法，突出以學(xué)生為中心

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，注重科學(xué)性與趣味性相結(jié)合，建立以育人為本、以學(xué)生為主體、以知識(shí)掌握為基礎(chǔ)、以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心、以綜合素質(zhì)提高為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，提高實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，形成了自主式、合作式、研究式及結(jié)合式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[6-8]。

（一）自主式

根據(jù)“以學(xué)生為本、以能力培養(yǎng)為核心”的教學(xué)理念，信號(hào)處理課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)都采用采取開放式管理，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，主要體現(xiàn)在：一是可以在實(shí)驗(yàn)大綱總的要求下在題庫里面自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。二是可以自主選擇實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)于綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可以自主選擇實(shí)驗(yàn)方案和所需的實(shí)驗(yàn)儀器。三是可以自主選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃只規(guī)定完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的時(shí)間段，實(shí)驗(yàn)室全天面向?qū)W生開放，學(xué)生可以在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和自己的學(xué)習(xí)計(jì)劃自由選擇做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。

（二）合作式

針對(duì)有一定難度且工作量較大的部分綜合設(shè)計(jì)型和研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生3～4人一組，共同擬定實(shí)驗(yàn)方案，集體完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并寫出總結(jié)報(bào)告。培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、綜合設(shè)計(jì)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、總結(jié)歸納等能力。采用合作方式進(jìn)行，先將題目內(nèi)容要求按照總體設(shè)計(jì)方案分成若干子模塊，組內(nèi)學(xué)生協(xié)商選擇不同的子模塊，按照進(jìn)度要求協(xié)作完成，通過組員協(xié)同努力，合作完成整體設(shè)計(jì)并寫出設(shè)計(jì)報(bào)告。

（三）結(jié)合式

打破實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)之間的界限，探索理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的新方法。改變過去那種教師先講、學(xué)生再做、“抱著學(xué)生走”的教學(xué)方法。將有些實(shí)踐性較強(qiáng)的理論教學(xué)內(nèi)容，直接放在實(shí)驗(yàn)過程中講授，利用實(shí)驗(yàn)室多媒體條件邊講授邊實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐結(jié)合，十分直觀。另一方面，在理論課中也結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行講授有助于理解。學(xué)生們拿到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，首先是自己去分析，然后在做相應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，再去驗(yàn)證，看自己的分析是否正確。通過這樣的方式，不僅使學(xué)生對(duì)理論有了深刻的理解，同時(shí)又促進(jìn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中帶著問題去做，去驗(yàn)證自己對(duì)理論理解的正確性，加強(qiáng)了理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

四、建立實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控體系

所有實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的目的都是希望提高教學(xué)質(zhì)量。為了進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量，有必要針對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)建立一套完整的質(zhì)量監(jiān)控體系。教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控體系是全員參與的、對(duì)教學(xué)全過程和影響教學(xué)質(zhì)量的各個(gè)方面實(shí)施的監(jiān)控。其全員性要求所有與教學(xué)相關(guān)的人員，都參與教學(xué)質(zhì)量的監(jiān)控;全過程是指對(duì)影響實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的每一環(huán)節(jié)、每個(gè)階段實(shí)施監(jiān)控，以階段性目標(biāo)的達(dá)成保證高質(zhì)量結(jié)果的實(shí)現(xiàn);全面性要求對(duì)影響實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的各個(gè)方面，如師資隊(duì)伍、教學(xué)管理、課程建設(shè)等進(jìn)行監(jiān)控。

以考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成績?yōu)槔趯?shí)驗(yàn)考核方法上，采用多元考核辦法進(jìn)行綜合評(píng)定，注重考評(píng)方式的多樣化和考評(píng)指標(biāo)的規(guī)范化，以保持對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成績和教師教學(xué)效果檢驗(yàn)的客觀公正性。主要考核內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)出勤率、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)方案正確性（設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)）。全方位、多元考核體系有助于激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與積極性和加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的規(guī)范化管理。通過實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控體系的實(shí)施達(dá)到如下成效：

1.教師的教學(xué)積極性提高明顯。教師更加注重每一個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)課前準(zhǔn)備更充分、課中輔導(dǎo)更仔細(xì)、課后報(bào)告批改和教學(xué)資料總結(jié)更加規(guī)范、詳細(xì)。

2.學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性明顯加強(qiáng)，動(dòng)手實(shí)踐能力明顯提高。學(xué)生更加重視實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，上課的積極性和主動(dòng)性明顯提高，實(shí)現(xiàn)從“被動(dòng)學(xué)習(xí)”向“主動(dòng)學(xué)習(xí)”的轉(zhuǎn)變。

3.教學(xué)信息收集、整理和反饋效率明顯提高。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐類課程各環(huán)節(jié)的全面監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)過程存在的問題，保證教學(xué)各環(huán)節(jié)處于良性循環(huán)狀態(tài)和持續(xù)改進(jìn)狀態(tài)。

五、實(shí)施效果

利用學(xué)院“光、機(jī)、電、算”交叉學(xué)科優(yōu)勢，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和研究創(chuàng)新能力為目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)質(zhì)量監(jiān)督等方面進(jìn)行了優(yōu)化。加強(qiáng)與科研、工程和生產(chǎn)實(shí)際的結(jié)合，設(shè)計(jì)出可供學(xué)生多角度、多途徑、多方法進(jìn)行思考和探究的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，改造了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方法，激發(fā)了學(xué)生探究學(xué)習(xí)的欲望。在管理模式上，建立教師指導(dǎo)下的學(xué)生自主管理的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行模式與全開放運(yùn)行機(jī)制，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐提供了支撐平臺(tái)。強(qiáng)化了創(chuàng)新意識(shí)和工程教育理念，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，提高了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)水平和質(zhì)量，取得了顯著效果。

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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