面向“卓越工程师”的课程教学研究与探索

2014-03-26董庆贺殷贤华许川佩

实验技术与管理 2014年7期

董庆贺,殷贤华,李伟,许川佩

(桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林 541004)

为贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》和《国家中长期人才发展规划纲要(2010—2020年)》的重大改革项目，教育部于2010年6月正式提出了“卓越工程师教育培养计划”(简称“卓越计划”)，旨在培养一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才。卓越计划遵循“行业指导、校企合作、分类实施、形式多样”的原则，重点是培养学生的工程实践能力、分析能力、创新能力和沟通能力[1-2]。作为处于教学一线的教师，唯有从自己讲授的课程着手，改变教学观念，更新教学手段，完善知识体系，使学生从被动式学习转为主动式探索，全面提高学生自身素质。

信号处理是电子信息类专业的一门重要的基础必修课，传统教学主要以理论为主，强调公式和性质的推导及其熟练应用，以做习题的形式来强化学生的运算能力，忽略了自我学习能力的培养，学生普遍感到枯燥无味，不知所学何用，严重制约了教学效果[3-4]。为改善这种教学状况，分别从课堂教学形式、实验教学、知识拓展和课程体系的合理构建等方面进行研究，以达到对学生分析问题、解决问题和自主学习能力的培养。

1 课堂教学改革

课堂教学是学生获取理论知识的主要渠道，教师的工作就是点燃学生学习的热情。因此，要摈弃教学形式单一和满堂灌的现象，教师应根据所教授的知识点采取灵活多变的教学形式，将灌输式教育向启发式教育进行转换，让学生主动地参与进教学之中，调动学生学习的积极性。结合多年的教学经验，尝试采取以下方法，并取得了良好的教学效果。

(1) 淡化数学运算，强调数学概念和工程概念。比如“信号处理”中讲解离散傅里叶变换DFT时，不能简单地仅介绍其公式和性质的表达式，而是要让学生理解为何用DFT，而不是用其他傅里叶变换CTFT、CTFS、DTFT、DFS对模拟信号进行频谱分析。由于模拟信号在时域和频域上均是连续信号，而计算机仅能处理数字信号，因此必须要对连续信号进行离散化处理。通过图形对比的形式(如图1所示)，利用“一个域的离散化必然造成另一个域的周期延拓”的结论，介绍所学过的几种傅里叶变换对之间的联系和区别[5]，从而能从本质上理解利用DFT对模拟信号进行频谱分析时所造成的混叠误差、栅栏误差和频谱泄露的原因，以及数字角频率、离散频率、模拟频率(Hz)、模拟角频率(rad/s)间的转换关系[6]。

图1 几种傅里叶变换之间的关系对照图

(2) 以提出问题或案例分析的形式启发学生进行思考和讨论。学习的目的在于运用，教学中要注重对学生分析问题和解决问题能力的培养。比如讲授频谱分析时，要求学生对频率为6 500 Hz、7 000 Hz和9 000 Hz的正弦叠加信号进行频谱分析[7]。首先，指导学生如何将一个应用问题转换为数学问题，xa(t)=cos(2π×6 500t)+cos(2π×7 000t)+cos(2π×9 000t)；然后，利用Matlab自带函数DFT时，DFT的输入参数为：离散信号x(n)和抽样点数N。那么，如何将连续信号转换为离散信号？采样频率fs和抽样点数N又如何确定？分析问题之后，留一定的时间给学生进行思考，然后当场利用Matlab编程画出频谱图，根据图形结果再次提出问题：改变fs和N后频谱图会发生何种变化？修改参数给出具体图形，并思考：为什么会有这样的变化，原因是什么？通过这样层层发问、学生回答的形式，诱使学生不断地思考，不仅可以有效地将学生融入课堂之中，扭转了被动接受知识的现象，并在潜移默化中提高了学生综合运用知识分析、解决问题的能力。

(3) 有效地使用教学仿真软件。课堂教学时间有限，合理使用教学仿真软化对改善教学效果具有很好的辅助作用。除教学生使用Matlab信号处理箱的仿真工具FDATool、SPTool和Wvtool[8]之外，根据授课需要自行开发了基于Matlab GUI的信号处理课程仿真软件，在讲解DFT的应用时，除对正弦叠加进行进行频谱分析外，还可对音频信号进行频谱分析(如图2所示)。实时调入音频文件，可以对其添加不同类型的噪声[9]，直接观察前后时域波形和频谱图，并播放音频文件，聆听前后声音的变换。实践表明，在教学中采用现代化教学手段，借助图形、声音等形式，可大大触动学生的视觉和听觉系统，活跃课堂气氛，很好地调动学生学习的兴趣，并进一步加深学生对理论知识的理解和应用。

图2 教学仿真软件之音频信号的频谱分析界面

2 实验教学与理论教学的融合

目前实验教学和理论教学大部分都处于孤立状态，各有不同的教师负责[10]，实验也大多是验证性实验，学生根据要求得出结果即可，对于为什么结果是这样鲜有考虑。因此虽然开设了许多实验环节，但基本上都流于形式，学生也是应付了事，抄袭现象严重。要解决这些存在的问题，首先就要打破理论教学与实验教学的界限，理论教师走进实验室。根据调查，发现理论课教师亲自带实验时：

(1) 学生更重视实验，更活跃，遇到问题更愿意主动向教师寻求帮助，实验过程中也更加积极认真，抄袭现象大幅减少；

(2) 验收时不光看结果，更关注学生通过实验对于理论知识的理解和掌握，能有效地指导学生将实验与相关理论进行结合；

(3) 对实验过程中出现的问题能及时有效地进行总结和讲解，从中发现学生的知识薄弱点，促使教师在理论教学中进行相应的改进和加强，实验和理论教学相互促进，形成良性循环；

(4) 实验是小班制教学，一次30人以下，有助于教师根据学生知识掌握的情况进行因材施教，设置难度不同的实验项目。

实践表明，理论教师亲自带实验的做法，受到了学生的普遍欢迎，学生学习的兴趣高涨，对知识的掌握也更好、更牢固，在考试中取得的成绩，相比之下也要更好。

3 自我学习能力的培养

在当今信息爆炸的年代，学习能力的培养至关重要，古语说“授人以鱼，不如授之以渔。”一名优秀的教师，不能仅限于传授课本知识，还要教会学生自学的方法，那么首要问题就是掌握如何在知识的海洋中获取自己所需的有用的知识。

知识的搜索目前学生只会使用Baidu、Google搜索引擎，这是远远不够的。我校具有非常丰富的电子资源，如超星、方正、书生电子图书，以及中国知网、维普科技、万方、IEEE Electronic Library等期刊论文数据库，但本科生鲜有使用。在教学中要注意引导和培养学生使用电子资源库。比如关于滤波器的优化设计方法有很多，如模拟退火算法、蚁群优化算法、粒子群算法、遗传算法等，但教科书上甚少涉及。为拓展学生视野，可以此为作业内容促使学生去查阅资料。首先，教学生使用电子资源库的方法，包括查询、下载、阅读、追踪，然后让学生自己查询阅读，并写一篇综述，在课堂上介绍自己查阅的内容，教师进行点评和总结。这样不仅大大拓宽了学生的知识面，为学生提供了利用计算机学习的另外一种用途，而且培养了学生的自我学习能力和沟通能力。

4 课程交互，构建持续式学习

信号处理算法需要借助于硬件平台来实现工程应用。硬件实现即利用通用或专用的DSP芯片(或FPGA芯片)来完成信号处理的方法，利用其进行开发和设计对培养学生的工程实践能力非常重要[11]。我校开设了“DSP原理及应用”和“EDA技术及应用”这2门课程，但在讲授时只是介绍硬件系统的体系结构、指令系统及芯片开发工具和软件编程，缺乏实际应用开发，与专业基础课基本处于孤立的状态，内容缺乏交互融合，使得学生仍不知道如何将理论知识从工程实践角度具体去实现。

工具只是是一种手段，关键在于如何利用工具去解决工程实际问题。大学课程的设置大都遵循由基础课到专业课、由理论到软硬件实现，再到具体应用，课程之间更应注重先后衔接、前后呼应及知识的交互融合，从而构建循序渐进的、持续式学习[12-13]。为此，这2门课程应添加相应的工程设计题目，或者在课程设计中增加采用DSP(或FPGA)进行信号处理和分析方面的训练，从而培养学生的综合应用能力和动手能力。