电子信息类专业信号处理课程群的建设与改革实践

王艳芬,张晓光,王 刚,蔡利梅

(中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州 221116)

实验室创新

电子信息类专业信号处理课程群的建设与改革实践

王艳芬,张晓光,王 刚,蔡利梅

(中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州 221116)

为充分发挥课程群结构整体功能效益,提出电子信息类专业信号处理课程群建设思路,介绍了课程群建设目标、建设内容及建设成效。建立了以“数字信号处理”为核心的交织模块化信号处理课程群体系;进一步改革优化了教学方法;构建了三平台、多层面阶梯式实践教学模式;持续建设与课程体系配套的精品教材;研发搭建了用于学生自主学习的信号处理课程群教学网站。实践表明,其结果促进了学生理论分析能力、实践能力和工程创新能力的综合协调发展。

信号处理课程群;精品课程;精品教材;建设实践

课程建设应当适应当今社会学科之间相互渗透和相互交叉的发展和变革,利用课程群的关联性优化整合课程体系,充分发挥课程群结构整体功能效益,这样可以更有效地培养创新型的高素质人才[1]。基于电子信息类专业信号处理类课程内容的紧密关系,结合我校信息专业课程设置特点,提出将“信号与线性系统”、“数字信号处理”、“DSP原理与应用”、“语音信号处理”和“图像处理”5门课程构成信号处理课程群进行综合优化建设[2],得到江苏省高等教育教改研究等课题的资助,取得良好效果。

1 课程群建设目标

精品课程是指具有一流教学水平特色的示范性课程。课程群建设比单门课程建设涉及面大,在此基础上建设精品课程,又以精品课程促进课程群建设,对其他课程的教学改革起到示范作用,对整体教学效果起到引领作用。因此确定课程群建设的总目标是:以江苏省精品课程“数字信号处理”的进一步建设为先导,协调各课程之间的关系,打破课程与课程之间传统的单维关系,互为补充,相互关联,以“点”形成“面”,形成逐层递进、整体优化的体系化结构,使课程体系更加符合信息社会对学生知识结构和能力结构的需要,并融入CDIO工程教育模式的理念,加强学生基础能力、动手实践能力和探究创新能力的培养,促进学生知识、能力、素质的综合协调发展。

2 课程群建设的五点做法

2.1 建立交织模块化课程体系,融入CDIO理念,整体优化课程内容

组建一个课程群,必须是几门课程之间内容紧密联系、内在逻辑性强、属于同一培养能力范畴的有机整体。信号处理课程群5门课中,“信号与线性系统”、“数字信号处理”是2门关联性很强的专业基础课,是信息类专业的骨干核心课程,属于课程群中的基础理论部分,组成基础模块,也是我们重点建设的课程;而“DSP原理与应用”,又是“数字信号处理”课程理论的硬件实现,是理论联系实际的硬件平台,所以“数字信号处理”和“DSP原理与应用”2门课组成理论实践模块;“语音信号处理”和“图像处理”是信号处理理论和实践的具体应用,组成应用模块。3个模块纵向传承、横向交叠互补,构成“交织模块化”课程体系,如图1所示。其中“数字信号处理”课程在前2个模块中互有交织,体现了该课程的重要地位。经过多年的改革实践,我校的“数字信号处理”课程建设取得较好成绩,2010年被评为江苏省精品课程。因此以精品课程建设为龙头,带动了课程群其他课程的改革与建设。

图1 “交织模块化”课程体系图

在该课程体系中,“信号与线性系统”突出理论基础和考研优势,“数字信号处理”以信号处理算法研究为主线,突出探究性学习方法,“DSP原理与应用”突出信号处理算法在工程中的硬件实现,“语音信号处理”突出以软件实验和以实际课题为主线的研究型教学法,“图像处理”突出采用软件演示仿真,多媒体视听技术等展示信息处理综合技术的各个方面以及研究目标驱动项目教学法。对于实践性较强的课程,融入CDIO工程教育的理念[3-4],注重培养学生系统工程能力,尤其是项目的构思、设计和开发能力,以及较强的自学能力、组织沟通和协调能力。

按照课程群课程体系要求,在2012年版培养方案制定中重新编写了课程大纲。注意协调各课程之间的内容和逻辑顺序,将各课程中的重叠部分内容进行合理衔接、自然过渡,使课程群中各门课程知识系统化。例如:“信号与线性系统”的侧重点放在连续信号处理部分,信号的数字处理内容主要放在“数字信号处理”课程中。同时,按知识点的递进,调整实验课时比例,加大创新型综合性实验或课程设计。重新修订后的课程教学大纲,教学内容具有良好的连续性、系统性,知识结构更加合理。

2.2 结合课程群特点,进一步改革优化教学方法

(1)采用创新形象化课堂教学方法,将仿真研究引入课堂。对于抽象、理论性较强的课程,例如“数字信号处理”、“信号与线性系统”,将Matlab仿真研究引入课堂[5],通过在课堂上直接演示重点和难点问题的仿真结果和课后开展仿真实验等多层次的教学活动,帮助学生领会和深化课堂上学到的基本概念、基本原理以及基本的信号处理操作,激发学生学习课程的兴趣。

(2)坚持板书、多媒体教学和网络教学三者结合并用的授课方式。针对一些基本原理和基本方法的推导和证明,仍然延续课堂板书的授课方式,让学生一步一步跟上教师的思路;对于一些需要形象理解、图示举例以及演示的部分,则采用多媒体教学方式,充分利用声音、图像视频、动画等多种形式进行互动教学;针对课后的复习、相关背景知识的学习以及课堂内容的扩展部分,充分利用网络课程,提供相关资源扩展讨论空间。

(3)让学生参与习题课的讲授,充分调动学生的积极性。采取的措施是学生自己讲述习题,教师在每位学生讲授完后进行点评,特别对讲授过程中出现问题比较多的内容重点讲评。为鼓励学生讲授习题课的积极性,可采取一定的奖励措施,例如给平时成绩加分等。由于是学生自己上台讲解,教师释疑,调动了学生主动学习的自觉性和积极性。

(4)指导学生进行探究式学习,增强学生的创新探究能力。通过课外大作业的形式指导学生以小组为单位进行探究式学习——围绕课程中某个主题,提出问题、决定探究方向、组织探究、搜集并整理资料、软件调试得出结论。例如:在“数字信号处理”课结束时,要学生提交一份基于Matlab软件仿真的探究性研究报告;在“DSP原理与应用”课结束时,要学生提交一份基于CCS平台仿真实现的专题论文。

1．1 对象 来源于中国疾控中心青年科研基金课题“我国6～13岁学龄儿童主要慢性病干预模式及适宜技术研究”的数据。

(5)多元化综合评定考核模式。除平时考核(包括课堂出勤、作业、课堂讨论等)外,还注重考核学生的理论分析、实践动手和创新等多元素综合能力。例如对于“数字信号处理”课程,多年来一直采取“6∶2∶2”考试模式,即采用笔试、上机考试、探究式学习课外作业加平时综合评定的考试方式。理论笔试:100分试卷,占总成绩的60%;Matlab上机考试:20分,占总成绩的20%;探究式学习加平时:20分,占总成绩的20%。其中:理论笔试着重基本概念、基本运算和基本原理;上机考试重点考核学生的实验效果及实际编程解决问题的能力;探究式学习课外作业重点考察学生的创新实践能力和团结协作精神。

2.3 依托国家级实验教学示范中心,构建“三平台、多

层面”阶梯式实践教学模式,提高学生创新能力

借助我校电工电子国家级实验教学示范中心优良的实验教学条件[6],以培养学生探究创新能力为目标,融入CDIO工程教育模式的理念,以实验教学体系、实验室建设、实验教学方法为改革主线,进行验证性—设计性—综合研究性实验的多层面结合,实现单门课程实验—课程群系统综合设计—课外参与科研课题的阶梯式推进,构建包括基础实验平台、专业综合实验平台和创新实验平台的“三平台、多层面”阶梯式实践教学模式,如图2所示。该模式把课程教学的能力培养和知识目标划分成若干个阶梯式递进的子目标,从简单到复杂,从单一到综合阶梯式递进,完成一个较大的目标,促进了知识向技能的转化,单项技能向综合素质的转化,也体现了CDIO大纲中对学生能力培养的要求[3-4,7]。

在“信号与线性系统”、“数字信号处理”课程中课内完成基于Matlab语言的多个基础实验,并在课后开展利用Matlab软件进行综合研究课题的探究式学习;在后续的“DSP原理与应用”课程中,除了完成基于CCS软件和TMS320C54系列DSP汇编语言实现算法仿真的软件实验外,还开设了基于自制DSP教学系统的硬件实验[8-9];在“语音信号处理”和“图像处理”课内是软件实验,在大四第一学期的3周“信息处理综合实践”中设置了开拓学生创新能力的基于DSP硬件进行语音或图像信号处理的综合设计性实验。例如,基于DSP的语音信号频谱分析和语音均衡器的设计、电话拨号音合成与识别、通信与语音信号采集与分析等,形成一个完整的信号处理课程群实验体系,软、硬件并重。同时在课外指导学生参加大学生电子设计大赛和科研训练计划,并通过让学生模拟科研课题研究或直接参与教师的课题研究,来加强学生工程能力的培养。

图2 “三平台、多层面”阶梯式实践教学模式

2.4 建设与课程体系配套的精品教材

教材是教学思想与教学内容的重要载体,是教学方法与经验的结晶,也是提高教学质量的重要保证。没有精品教材的精品课程严格来讲不能完全合乎精品课程本身的要求。因此,建设精品课程,教材建设至关重要。

2.4.1 自编特色主教材

(1)面向工科电子信息通信类本科学生,着重基本概念、基本原理的阐述及各概念之间的相互联系。既重视原理、概念和算法的讲解,保持课程知识体系的完整性和系统性,又重视算法实现和实践。

(2)自始至终结合Matlab软件来阐述重要概念和基本原理,知识点叙述清楚易懂,并提供软件演示程序及与实际结合密切的综合性例题。

(3)内含实验章节,并配有可作为实验练习和上机考试复习的习题,理论与实践结合更加紧密。

(4)与本书配套的有学习指导、电子教案、网络课件等。

2.4.2 其他教材的建设

(1)“信号与线性系统”教材编写完成了全部8章内容,重点是连续信号与系统的分析,离散信号与系统的分析与“数字信号处理”教材做到了较好的衔接。即将由电子工业出版社出版。

(2)“图像处理”教材《数字图像处理》编写了9章内容,于2014年8月由中国矿业大学出版社出版。

(3)“DSP原理与应用”课程根据课程群内容的优化,完成了涉及语音信号处理等内容的综合实验开发,重新补充完善后编制了相应的实验教材讲义。

2.5 建立全方位的信号处理课程群教学网站,为学生提供自主学习平台

课程网站资源建设是课程教学改革中最重要的“物”的因素,是实现现代教育思想与理念、推行现代教学模式与方法、革新教学内容的有力载体和工具[12]。省级精品课程“数字信号处理”教学网站多年来一直挂在学校精品课程网站上供校内外学生和教师使用, 2012年又进行了部分内容的更新,其他4门课也都陆续建立了自己的网站。在此基础上,进行了整合和关联,建立了电子信息类专业信号处理课程群教学网站, 自2013年3月起挂在我校信电学院网站上供学生使用。网址为http://siee.cumt.edu.cn/Signalgroup/。

课程群网站具有如下特点:

(1)建立的课程群教学网站,各课程网站既相对独立,又相互关联,内容丰富、全面,课程之间可实现优质资源共享,并提供多种资源下载方式,使用方便。

(2)课程群5门课程都结合各课程特点,在网站制作方面突出本身特色,如表1所示。

表1 课程群5门课程网站特色

3 建设成效与交流

(1)融入CDIO理念,建立了“交织模块化”信号处理课程群体系,整体优化课程内容,强化知识模块的系统性和综合性,并探索了多种教学和考核方式;依托国家级实验教学示范中心,构建了“三平台、多层面”阶梯式实践教学模式,培养了学生探究、创新及综合实践能力。

(2)结合课程群建设,发表相关教学研究论文10余篇,编写出版教材和讲义4部。其中,《数字信号处理原理及实现》(第2版)2013年被评为“十二五”江苏省高等学校重点教材(第1版为江苏省精品教材)。该教材得到学生的普遍认可。有学生评价道:“该书在学习过程中最大的特点就是通俗易懂,把深奥的数字信号处理的相关知识简单化,运用了生动的图像和Matlab实例,使我们学起来得心应手。”据有关部门统计,主教材在全国40多所高校中广泛使用。

(3)建立了优质信号处理课程群教学网站。网站内容丰富、全面,课程之间可实现优质资源共享,为学生提供自主学习平台,方便师生在线交流。其中“数字信号处理网络教学系统”和“《信号与线性系统》多媒体教学课件”分别在2009年和2013年获得江苏省高校优秀多媒体教学课件二等奖。本课程群教学网站目前主要为本校电子信息类包括信息工程、电子科学与技术等专业本科生使用,5门课,每年26个班约800人使用,近3年来使用情况良好。有学生反馈:教学网站中包含了丰富的学习资源,网站设计实用,界面美观、简洁。网络课程是主要学习资源,在上课时不明白、不清楚的地方,课后我们可以在重点难点、课程学习中找到详尽的解释。例题、习题和综合测试都给予了详细的解题过程,帮助我们巩固知识,是我们学习的好帮手。

(4)培养了一支年龄结构、学历职称层次合理的高素质教师队伍,促进了专业的建设和发展,学生的实践能力和创新意识显著增强。本课程群教师队伍16 人,其中教授4人,副教授8人,讲师2人,高级实验师1人,实验师1人,具有博士学位的教师占62.5%,已发展成我院信息工程“国家特色专业”和电子科学专业的核心教师骨干队伍。近几年指导学生获得国家级科研训练计划4项、省级3项,获得各类教学奖励19项,其中指导学生获得全国及江苏省电子设计大赛奖及全国高校信息技术创新与实践活动决赛奖8项,优秀指导教师奖5项。例如,蔡利梅副教授指导学生结合“图像处理”课程知识所做的课题“基于改进模糊聚类的脑部磁共振图像分割方法”获江苏省高等学校优秀毕业设计二等奖。团队成员张申教授在坚持人才培养质量统一要求的基础上,鼓励学生个性化、多样化发展,强化学生的创新精神和实践能力培养。采用了CDIO方法教学,基于项目(Project)的学习取得明显收效,深受学生的喜爱[13]。他指导的信息工程专业张娜等4位学生研制的编程作品“荷塘保卫战”,2012年获第四届普通高校信息技术创新与实践活动决赛游戏程序开发组全国一等奖,指导教师张申也被评为优秀指导教师。

(5)扩大推广与交流。2012年5月王艳芬教授被邀请在教育部高等学校电子电气基础课程教学指导分委员会主办的全国高校电子信息类基础课程系列研修班(第6期)上做“数字信号处理江苏省精品课程建设”的经验报告以及介绍江苏省精品教材《数字信号处理原理及实现》的编写思路,重点、难点分析等。2014年7月课程群建设负责人王艳芬教授再次被邀请在全国高校电子信息类基础课程系列研修班(第10期)上做了“数字信号处理精品课程与电子信息类专业信号处理课程群的建设与实践”的经验报告,重点介绍了信号处理课程群建设的具体做法以及江苏省重点教材的编写体会等,与其他高校的教师进行了广泛交流。

References)

[1]朱冰莲,印勇,方敏,等.电子信息类专业信号与信息处理课程群建设[J].高等理科教育,2008(5):47-49.

[2]王艳芬,张剑英,张晓光,等.信号处理课程群实验教学体系的构建[J],实验室研究与探索,2013,32(4):132-134.

[3]康全礼,陆小华,熊光晶.CDIO大纲与工程创新型人才培养[J].高等教育研究学报,2008,31(4):15-18.

[4]吴鸣,熊光晶.以工程能力培养为导向的工程教育改革研究[J].理工高教研究,2010,29(3):54-59.

[5]王艳芬,张晓光,李剑.加强MATLAB实践环节,促进研究性课程教学改革[J].实验技术与管理,2010,27(11):111-123.

[6]王香婷,李明.国家级电工电子实验教学示范中心的建设与实践[J].实验技术与管理,2012,29(10):126-128.

[7]郭皎,鄢沛,应宏,等.基于CDIO的计算机专业实验教学改革[J].实验技术与管理,2011,28(2):155-157.

[8]刘卫东,卜丽.DSP实验课程教学研究与探索[J].实验技术与管理,2012,29(3):170-172.

[9]刘卫东.《DSP原理与应用》实验教学改革研究[J].实验科学与技术,2012,10(1):84-85.

[10]王艳芬,王刚,张晓光,等.数字信号处理原理及实现[M].2版.北京:清华大学出版社,2013.

[11]王艳芬,王刚,张晓光,等.数字信号处理原理及实现学习指导[M].2版.北京:清华大学出版社,2014.

[12]徐凤生.信息与计算科学专业基础平台课课程群的建设与实践[J],中国大学教学,2013(1):58-59.

[13]王艳芬,孙彦景,张申,等.CDIO模式下的信息工程国家特色专业建设与实践[J].中国电力教育,2013,(20):39-41.

Construction and reform practice on curriculum group of signal processing for electronic information specialty

Wang Yanfen,Zhang Xiaoguang,Wang Gang,Cai Limei
(School Information and Electrical Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to give full play to the integral function benefit of curriculum group structure,the signal processing course group construction idea of the electronic information specialty is put forward,and the construction goal,contents and effects of curriculum group are introduced.The interleaving modular teaching experimental system in the curriculum group of signal processing courses,taking the“digital signal processing”as the core,is established.The teaching method is further reformed and optimized.The laddershaped practice teaching mode with three-platform and multi-level is constructed,and the excellent teaching material matching curriculum system is developed.The signal processing course group teaching website is also researched and established in order to provide full range of autonomous learning platform for students.Practice shows that it enhances the comprehensive and harmonious development of students including theoretical analysis ability,practice ability and innovation ability of engineering.

curriculum group of signal processing;excellent course;excellent teaching material; construction practice

G642.0

A

1002-4956(2015)4-0011-04

2014-09-16

江苏省高等教育教改研究立项课题(2011JSJG273);教育部第六批国家特色专业建设项目(TS1Z293);中国矿业大学课程建设与教学改革项目(201208)

王艳芬(1962—)女,江苏徐州,博士,教授,主要从事信号处理与通信方面的教学和科研工作.

E-mail:lszwyf＠163.com