陳純鍇，湯春明，李秀艷，關(guān)雪梅

（天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387）

隨著人工智能技術(shù)發(fā)展，對智能信息處理技術(shù)人員需求量增加，對信號處理相關(guān)專業(yè)的教學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量的要求也不斷提高.天津工業(yè)大學(xué)電子信息工程專業(yè)自 2000 年成立以來積極開展信號處理相關(guān)課程群的建設(shè)工作，按照學(xué)科特點和專業(yè)優(yōu)勢，在信號檢測、圖像處理、計算機視覺等方向進行教學(xué)改革與實踐[1-2].同時，根據(jù)計算機、電子電路以及圖像處理技術(shù)特點，優(yōu)化專業(yè)培養(yǎng)方案結(jié)構(gòu)，最重要的是進行課群改革，取得了顯著的人才培養(yǎng)特色.目前，電子信息工程專業(yè)開設(shè)信號與系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理等信號處理類課程，它們都是核心課程.厘清課程間的前后關(guān)系、開設(shè)學(xué)期及對應(yīng)實驗實踐課設(shè)置都很重要，所以在專業(yè)建設(shè)與課程建設(shè)中間增加了課群建設(shè)，信號處理課程群改革對本專業(yè)建設(shè)、學(xué)科特色的凝練都起到了積極的促進作用，取得了一些成績，同時對其他高校類似的教學(xué)改革與實踐也有重要參考價值[3-5].

1 基于新工科的信號處理類課程群體系

1.1 課程群體系構(gòu)建

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展，新產(chǎn)業(yè)、新工科以及學(xué)科交叉日益增大，為適應(yīng)國家倡導(dǎo)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的要求，高教司大力推動新工科建設(shè)，逐步形成“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”新工科建設(shè)的“三部曲”，在工程教育方面形成了具有中國特色的新工科新建設(shè)模式[6-8].2020年學(xué)校進行了新一輪的培養(yǎng)方案修訂，根據(jù)電子專業(yè)特色及新工科建設(shè)新機遇，積極進行修訂并確定了電子系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用、智能信息處理2個專業(yè)的培養(yǎng)方向.課程群建設(shè)是當(dāng)前課程改革和建設(shè)的熱點，隨著學(xué)科的相互滲透和交叉，對原有課程建設(shè)進行改革，重新構(gòu)建課程體系結(jié)構(gòu)，從一門課程建設(shè)向課程群建設(shè)轉(zhuǎn)變，電子信息工程專業(yè)課程體系由三大課程群組成（見圖1）.

圖1 電子信息工程專業(yè)課程體系

專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)信息處理方面的基本理論，以信號處理與模式識別技術(shù)為核心，以電路理論與計算機為主要工具，探索對圖像、語音、視頻等信息進行處理、分類、理解.受到信息處理方面的基本訓(xùn)練，在信息處理及智能儀器、機器視覺及人工智能等領(lǐng)域深入研究，培養(yǎng)具有新工科為背景的新時代高級工程技術(shù)人才.在課程體系中以電路與場課群、計算機課群為兩翼，信號處理課群為核心，形成了硬件+軟件+算法的新課程體系，新體系中的信號處理課群無疑是建設(shè)的重中之重.

1.2 課程群建設(shè)目標(biāo)

本次課程群體系改革根據(jù)新工科特點，對電子信息工程專業(yè)相關(guān)課程設(shè)置進行改革，將現(xiàn)代信號處理技術(shù)增加到原來舊的專業(yè)培養(yǎng)方案中.在培養(yǎng)模式上需要有一定的理論創(chuàng)新，形成以智能信息處理為方向，以圖像處理、視頻圖像檢測與識別為特色的人才培養(yǎng)模式，增強學(xué)生理論分析能力和實踐動手能力，從而提高創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)水平，獲得高質(zhì)量就業(yè).以新工科模式對原來本專業(yè)課程重新組合，通過凝練特色，形成3個課程群.通過教學(xué)改革研究，以科研促進教學(xué)改革，加強高水平人才引進，打造一流教師隊伍.以新工科建設(shè)為契機，做好人才與隊伍培養(yǎng)工作，提升科研實力，打造一支動手能力強的高水平學(xué)術(shù)隊伍.結(jié)合線下教學(xué)與線上教學(xué)，改革工程人才培養(yǎng)的新方法，在根本上撼動單向灌輸?shù)年惲?xí)，倒逼教師將更多的精力用于教學(xué)[9-12].

1.3 關(guān)鍵問題

CDIO 工程教育模式是2000 年后發(fā)展起來的，由構(gòu)想、設(shè)計、實施和運作4個部分構(gòu)成.根據(jù)工程教育模式構(gòu)造了立體的信號課程群體系，修改課程內(nèi)容，梳理課程相互關(guān)系，研究新的教學(xué)方法和評價方式.信號與系統(tǒng)課程以模擬信號分析求系統(tǒng)響應(yīng)，采用三大變換方法進行變換域分析，利用系統(tǒng)分析工具、零極點圖和梅森公式解決系統(tǒng)分析問題；數(shù)字信號處理課程側(cè)重點在離散信號的分析，以離散傅里葉變換為核心，F(xiàn)FT 快速傅里葉變換進行算法分析和計算，IIR 和FIR 濾波器進行數(shù)字濾波的設(shè)計和計算，其中IIR 濾波器設(shè)計包括脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法，F(xiàn)IR 濾波器則采用窗函數(shù)和頻率采樣法來設(shè)計；隨機信號分析課程完成隨機信號時域和頻域分析；數(shù)字圖像處理課程側(cè)重二維空間信號圖像預(yù)處理、圖像增強、圖像分割和圖像檢測等基本原理和處理方法.這樣，在全局上進行設(shè)計，在課群組統(tǒng)一協(xié)調(diào)，可以避免知識點的缺失和重疊多次出現(xiàn)在不同課程的現(xiàn)象.

理論和實踐教學(xué)分配上，打破各自界限，理論課與實踐課教師必須一人完成，增加實踐教學(xué)學(xué)時比例.按照課群整體優(yōu)化的思路，對原有教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、更新和整合而成，從而做到在教學(xué)時數(shù)有較大幅度壓縮的情況下，更好地滿足培養(yǎng)學(xué)生理論基礎(chǔ)扎實、知識面寬、能力強的要求.

2 課群建設(shè)方法

2.1 建設(shè)思路

課堂教學(xué)中，按照遞進式進行理論內(nèi)容的介紹，從簡單到復(fù)雜的規(guī)律進行講解.知識點之間有承上啟下的描述，內(nèi)容有由此及彼的歸納.在數(shù)學(xué)上定義，在物理上闡述性質(zhì)，在工程上延伸應(yīng)用.以理論知識為載體，在介紹基本理論中增加復(fù)雜工程問題的范例，鍛煉學(xué)生思考分析問題能力和解決工程問題能力，提高科研和創(chuàng)新能力.根據(jù)這樣課群建設(shè)思路，側(cè)重優(yōu)化課程內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，提高教師授課水平以及增強學(xué)生工程分析和創(chuàng)新能力，發(fā)揮教師在課堂上的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體作用，改革教學(xué)方法，線上線下結(jié)合，加強教師和學(xué)生的互動與交流，并在機制上和評價上進行跟蹤.依托科研、教學(xué)團隊，提高教師科研教學(xué)水平.科研團隊與教學(xué)團隊可交叉融合但定位職責(zé)要清晰，做到教研相長[13-15].

2.2 CDIO 模式課群平臺

CDIO 模式課群平臺見圖2，第1層是基礎(chǔ)平臺層，具體有信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理和隨機信號分析3門課程；第2層是專業(yè)核心層，包括數(shù)字圖像處理、機器視覺、模式識別；第3層是特色模塊層，包括人工智能導(dǎo)論、云計算、機器學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)處理、語音識別.針對信號處理類課群的課程內(nèi)容既需要深而多的數(shù)學(xué)知識，又與具體工程聯(lián)系緊密的特點，按照課群整體優(yōu)化的思路，對原有教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、更新和整合而成，從而做到在教學(xué)時數(shù)有較大幅度壓縮的情況下，更好地滿足培養(yǎng)學(xué)生理論基礎(chǔ)扎實、知識面寬、能力強的要求.在2020 年培養(yǎng)方案制定中，按照CDIO 理念重新修訂教學(xué)大綱.對聯(lián)系緊密課程知識進行整理，避免知識交叉，課程組教師講授課程不少于3門，并且3年一輪換，既增強教師的理論水平，又使得教學(xué)改革進一步深入.在教學(xué)過程深入融入CDIO 工程教育理念：構(gòu)想、設(shè)計、實施和運作，加強大學(xué)生思考能力、全局分析能力、創(chuàng)新設(shè)計能力和實際動手能力.

圖2 CDIO 模式信號處理課群平臺

2.3 按知識點模塊形式梳理教學(xué)內(nèi)容

致力于：信號處理+案例庫、信號處理+思政元素、信號處理+應(yīng)用實踐3 種模式.案例庫來自課程組教師的科研以及指導(dǎo)學(xué)生的各類電子設(shè)計競賽題目，按照3個知識模塊進行分類，包括單片機信號處理，圖像檢測與識別信號處理以及語音信號處理；課程思政是近年來國家倡導(dǎo)的，在教學(xué)過程中對大學(xué)生的世界觀、人生觀進行引導(dǎo)，增加教學(xué)中科學(xué)家科學(xué)精神和堅毅攻關(guān)能力培養(yǎng)，構(gòu)建了每門課程的思政元素案例庫，教學(xué)中潛移默化引導(dǎo)和潤物無聲帶入和教育；應(yīng)用實踐是改革的重點，按照上述構(gòu)建的課程平臺，增加實驗比例，以科研促進教學(xué)，提高學(xué)生動手實踐能力.

3 實踐教學(xué)實施與效果

（1）2020 級培養(yǎng)方案已經(jīng)實施，得到了學(xué)生和專家的廣泛好評.國網(wǎng)電力科學(xué)天津研究院電源技術(shù)中心、天津天堰醫(yī)教科技開發(fā)有限公司、天津易而速機器人公司等10 家企業(yè)的專家，同時天津大學(xué)、天津師范大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)相關(guān)專業(yè)教授對我校電子信息工程專業(yè)培養(yǎng)方案進行了評議，對該培養(yǎng)方案給予了認可與好評.

（2）面向工程需求，培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力強的應(yīng)用型人才.不斷引進具有工程應(yīng)用背景的綜合性、設(shè)計性實驗項目，創(chuàng)建了機器視覺實驗室、天津工業(yè)大學(xué)-Xilinx 信號傳輸與處理聯(lián)合實驗室、飛思卡爾MCU/DSP 及應(yīng)用實驗室、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合實驗室4 個與現(xiàn)代電子信息技術(shù)相適應(yīng)的先進聯(lián)合實驗室.這些實驗室成為了學(xué)生創(chuàng)新實踐基地.借助良好的實驗條件，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo)，本專業(yè)學(xué)生參加電子設(shè)計競賽取得優(yōu)異成績.2020 年以來，在全國電子設(shè)計競賽、機器人大賽、全國大學(xué)生生物醫(yī)學(xué)電子競賽、全國物聯(lián)網(wǎng)競賽中獲得優(yōu)異成績.

（3）本專業(yè)和相關(guān)電子公司、圖像處理公司建立實習(xí)實踐合作，已有500 多名學(xué)生到企業(yè)進行了實習(xí)實踐，企業(yè)反映學(xué)生動手能力強，基本功扎實，校外實習(xí)質(zhì)量較高.專業(yè)教師前往天津經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)對多家高新企業(yè)進行了調(diào)研和參觀，并與企業(yè)專家進行了廣泛而深入的交流，加強了校企聯(lián)合科技創(chuàng)新，促進智能信息處理技術(shù)產(chǎn)學(xué)研合作，為智能信息處理相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研合作提供了新思路.

4 結(jié)語

本文以天津工業(yè)大學(xué)電子信息工程專業(yè)為例，介紹了以能力培養(yǎng)為主線、分層次的信號處理課群體系及其關(guān)系，提出了信號處理課群新體系、建設(shè)思路、理論實踐教學(xué)結(jié)合新模式，按照信號處理+案例庫、信號處理+思政元素、信號處理+應(yīng)用實踐3種模式組織教學(xué)，實施理論實踐結(jié)合，提升學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力.通過2年的實踐，信號處理課群建設(shè)與改革取得良好效果.