专业学位研究生“现代信号处理”课程教学探索

文传博

【摘要】现代信号处理是电气工程领域专业学位研究生的一门主要专业课，起到了承上启下的连贯作用，在整个培养体系中占有重要地位。本文以专业学位研究生培养目标与所授课程的性质为出发点，针对该领域研究生的实际需求，结合作者多年来在现代信号处理课程教学中的经验与体会，提出该课程一系列的改革方案。该方案从研究生培养目标，课程内容组织，课堂授课手段及考核方式等几点展开，特别对理论结合仿真教学模式的探索，考核方式的多样化等方面做了详细的分析与描述。

【关键词】现代信号处理 教学改革 专业学位研究生

【基金项目】上海电机学院“信号处理与分析”课程建设（编号：A1-0225-15-006-36）。自动化专业-人才培养模式研究（编号：A1-5701-15-004-01-01）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）12-0157-02

一、引言

与传统信号处理方法相比，现代信号处理技术在非线性、非平稳随机信号的检测问题、时域-频域变化规律等方面具有良好的效果，可以将不同频率组成的混合信号根据频率的不同分为块信号，从而可实现信号特征提取，故障诊断等常用功能。信号处理技术是现代电气电子工程的基础，近二十年来发展十分迅速并取得了诸多研究成果，是工程领域应用研究最为广泛的焦点之一，特别是高阶统计量、频域分析理论和小波变换等技术一直是研究的热点，几乎涉及到电气工程领域的各个方面。另一方面，由于电气工程普遍应用于各个领域，因此电气领域专业硕士研究生的培养也体现除了当前学科之间互相渗透的特点，其所研究的课题一般都属于学科交叉的范畴。为此，根据对应的工业背景，掌握好现代信号处理的常规技术对该专业学位研究生是十分必要的。事实上，“现代信号处理”近年来一直是我校电气工程专业学位硕士研究生的主干课程，它以培养研究生掌握现代信号分析技术、提高科学实践能力为目的[1]。该课程属于基础专业课，理论性和实践性要求高，对成功培养一名合格的研究生发挥着重要的作用，又由于现代信号处理技术具有极强的生命力，因此它对学生以后的工作也有深远的影响。当前“现代信号处理”课程的教学内容集中在介绍不同待处理对象的基本特征分析，处理技术的基本原理。要求学生了解和掌握Wiener滤波、Kalman滤波、自适应滤波与功率谱估计、小波变换及其在相关工程领域中的应用[2]。

但需要指出的是当前无论是教材的出版还是教学内容的设置，重点都在实现理论知识的强化，而由于该课程需要较高的数学知识，概念难懂，计算多，理论性较强等特点，常常导致学生无法取得理想效果。但事实上电气领域专业硕士的培养更多的强调以应用为主，理论为辅，若不改进讲教学方法，学生很难将现代信号处理的理论知识与电气工程的实际问题相对应，学习过程中容易出现厌学、死记硬背等不良学习状况[3]。另外，由于本课程理论先进，内容丰富，仅靠少量的学时教师无法详细的介绍各种信号处理技术及应用，因此教学过程中往往只抓理论重点，而变相的忽略了对实践能力的要求。为此，本文从“现代信号处理”课程的特点出发，对如何提高教学质量作出如下探讨。

二、教学内容建设

电气工程领域专业学位研究生的培养目标与学术研究生的培养有较大差别，因此，教学内容的选择也需根据培养目的的不同而不同。以笔者单位上海电机学院为例，我校电气工程领域专业学位硕士研究生旨在“培养具有坚实的电气工程领域基础知识和系统的电气工程及风电技术专门知识，能够独立运用本领域的先进方法和现代技术手段解决工程问题，具有承担工程技术或工程管理工作的能力，能胜任电气工程及风电新技术的研究开发、新技术应用等工作的高层次、复合型、应用型的工程技术及管理人才。”由培养目标可以看出应用背景非常明确，对于专业硕士研究生，选取的教材应通俗易懂，言简意赅。但当前该课程内容涉及大量的定理、数学公式及理论推导，而专业学位的学生来说，他们将来不做专业的学术性研究。因此若不做出改变，仍然不考虑应用背景，只集中在复杂理论的推导中，将与培养学生的初衷相悖。故而在选择授课内容时，应更加注重整个知识的完备性、概念的清晰性、不同处理方法的逻辑性、在不影响理解的前提下尽可能的简化数学推导，从而使学生既对系统有总体的把握，又不会无暇顾忌应用的学习。基于“现代信号处理”课程所涵盖的主要知识点，结合电气工程专业硕士的培养目标，我们对授课的主要内容进行了梳理。努力把握调整后内容的深度和广度，更好的体现理论性的同时，通过在高科技中的应用体现其先进性。总体而言，我们在理论知识的选择上对Kalman 滤波、Wiener滤波、功率谱分析等常用技术均会结合应用背景介绍基本方法，重点体现不同方法之间的相互关系、性能优劣以及使用范围，并仿真实现。

三、教学方法与教学手段的改革

长期以来，由于课程本身的特点，教学方法和手段过于单一，同时受制于实验室条件，该课程一直处于老师难教，学生难学的尴尬境地，如何改进教学方法促进学生理解涉及的基本概念，掌握进步的分析方法以及提高综合知识的应用能力是任课教师需要解决的实际问题。学生对课程的兴趣及主动性和参与性直接影响到课程的教学效果，如何激发学生的学习兴趣及培养学生的自主学习能力是提高教学质量的关键。电脑的普及为我们提供了便利，为此，我们充分利用现代化教学手段，具体作如下方面的尝试：

1.培养学生兴趣

鉴于我校电气工程领域专业学位研究生以培养应用实践能力为主，学生更多的关注所学课程的实际用途，任课教师可以通过突出现代信号处理方法的广泛用途来提高学生的兴趣，吸引学生的课堂注意力，并增强学生的自信心和学习自主性。为此，在每学期上课之前，笔者精心不仅查找用到现代信号处理技术的世界最新科技成果，还注意搜集往届已毕业学生在工作时需要用到现代信号处理知识的例子，精心准备，第一堂课用PPT的形式向学生展示不同背景、不同领域中现代信号处理技术所发挥的作用，然后鼓励学生发表自己的见解，阐述自己对现代信号处理技术的理解。通过互动的方式使学生认识到信号处理技术功能强大应用广泛，同时还与自己以后的工作息息相关，进而产生浓厚的学習兴趣，进一步提高学生对课程学习的主动性。另外，在课堂教学过程中，任课教师也适时的引入国内外研究工作者们的科研轶事与发展轨迹来提高学生的兴趣。

2.多样化与现代化教学

现代教学大多采用多媒体和板书相结合的方式，我们提出在前两者的基础上，再引入计算机从而实现三位一体的教学方式。这是由于基于“现代信号处理”的基础理论大多数都是讲解算法，严密推导和结论证明，学生在学习时普遍感到信号处理的概念抽象， 对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握，因此在教学过程中， 首先辅以多媒体教学，充分利用计算机的运算功能及图形功能，用形象直观的演示是提高教学效果的最好方式[4]。接着，在概念明确的基础上进行必要的理论推导，在公式推导的疑难步骤处，多媒体播放过快导致学生无法理解而跟不上，为此，我们对关键步骤利用板书演示，详细的证明过程有助于学生进一步的理解且有助于锻炼其逻辑思维能力。最后，需要学生利用MATLAB软件在电脑上通过课堂编程和课后作业来提高动手能力，目前电脑的普及为实施这一环节提供了保障。例如在学习功率谱内容时，可学生自己写出两个随机信号，并利用简单的命令计算它们的相关系数，自（互）协方差和标准差，进一步的根据一或两个序列计算功率谱密度和互功率谱密度。经过课堂的锻炼，学生掌握了基本的命令，授课教师布置相对复杂的作业让学生在课后思考并实现仿真。还以谱估计为例，指定一个由多个不同频率的正弦信号和随机信号叠加而成的复杂信号，给定采样频率，分别利用经典的谱估计方法、AR模型以及Burg方法进行谱估计，画出功率谱曲线，并比较不同方法所取得效果的区别。

3.引入综合课程设计

正如前面所述，由于该课程理论性强，对数学要求高，且课时少等特点，全面详细深入的讲解并掌握课本涵盖的全部现代信号处理技术是无法实现的。为此在教学过程中兼顾课程体系完备性的同时，还要从实际的应用背景出发，让每位学生在掌握每类基本算法的前提下，再结合自己的研究方向对多类知识做到对所学知识有所侧重并有所延伸，要求学生在掌握所有基础知识的同时，还自主选择自己感兴趣且与自身研究方向密切相关的信号处理技术，继续深入研究。希望他们在和任课教师沟通后，可以根据自己的研究方向和兴趣选择一个会用到现代信号处理理论的综合设计题目，而后根据所选定的题目阐述设计过程中所遇到的困难，使用所掌握的理论知识和编程技巧，解决若干个问题。例如在学习Kalman滤波理论时，任课教师重点讲授经典Kalman滤波的应用背景，推导相应的滤波算法并通过模拟被噪声污染的信号源让学生通过仿真实现滤波。若有学生对该技术感兴趣，即可选择一定的应用背景，结合所学的知识开展综合设计的工作。

四、考试方法

长久以来，大家把理论考试成绩当作评价学生的一个主要依据，甚至是唯一标准，导致许多学生从小学到研究生一直擅长理论考试，但这与工程硕士的培养目标不一致。为了改進这一情况，提高学生的动手实践能力，我们根据课堂的教学内容，采取多种方式相结合的方式进行考核，达到了解学生综合能力的目的。首先，必要的理论考试用以检查学生对基础知识的掌握程度；然后，根据之前每位同学所自主选择的设计题目，将自己的主要研究内容和取得的研究成果用幻灯片的形式向大家展示，在展示的过程中，教师和同学们可随时对相关内容提问，要求汇报人对大家所感兴趣的问题一一作答，我们将现场的表现作为考核的一部分；最后，要求提交研究报告并作为考核的依据，详细的叙述所做设计过程中遇到的问题，说明具体用到的现代信号处理的技术，以及该技术在实际中的应用范围。通过三种考核形式相结合，能够全面的了解学生，且培养出学生的能力与电气工程领域专业硕士研究生的培养目标相一致。

五、结束语

现代信号处理教学内容的改革已在我校电气工程领域专业学位硕士研究生的教学中实施，取得了明显的效果，得到了学生的好评。教学内容的设置是一个不断探索、不断完善的过程，希望与各位同行共同的交流与研究，同时也得到各位专家的帮助与指导，为提高专业学位研究生的教学质量而努力。

参考文献：

[1]刘志刚，赵舵. 研究生信号处理课程改革研究. 电气电子教学学报， 33卷，第2期，15-16

[2]胡广书. 现代信号处理教程（第二版）， 清华大学出版社， 2015

[3]桂淑华. 电气工程全日制专业学位研究生培养研究. 中国电力教育， 08期， 14-15， 2014

[4]白君贵.全日制专业学位研究生培养模式研究——以主导价值取向为定位. 学理论， 27期， 208-209， 2012