电子信息类专业信号处理课程群建设与改革

徐望明，刘毅敏，李炳生（武汉科技大学信息科学与工程学院，武汉430081）

电子信息类专业信号处理课程群建设与改革

徐望明，刘毅敏，李炳生
（武汉科技大学信息科学与工程学院，武汉430081）

0　引言

电子信息类专业是培养具备信息的获取、传输、处理、应用等方面专业知识和实践能力，能够从事信息科学与技术的研究、设计、集成及开发等方面工作的研究型及应用型人才的一类专业。随着集成电路（IC，Integrated Circuit）技术和数字信号处理器（DSP，Digital Signal Processor）的飞速发展，信号处理技术已经在电子、通信、自动控制、机械、医学、生物等工程领域得到了广泛、深入的应用，因此，学习信号处理的理论和方法、培养实践创新能力已经成为各大高校电子信息类专业本科生乃至研究生的迫切需要。

在教育部实行“质量工程”以来，课程建设作为高校教学建设的基本问题备受重视。对信号处理相关课程的建设，如《信号与系统》、《数字信号处理》、《语音处理》、《数字图像处理》、《DSP原理与应用》、《嵌入式系统及应用》等，过去各大高校往往只是关注培养计划中某一门课程的建设，其努力目标是将其建设成为校级、省级甚至国家级优质课程或精品课程，无疑这也取得了不错的成绩，为推动高校教学改革、提高教学质量起到了积极作用。但由于缺乏协调统一，使得专业培养计划往往难以达到预期效果，而且课程重复建设、教学资源浪费的现象比较多见。

课程群建设是近年来高等院校课程建设实践中出现的一项新的课程建设策略，其根本思想是把内容上联系紧密、内在逻辑性强、属同一个培养能力范畴的同一类课程作为一个“群组”进行建设，打破课程内容的归属性，从整体技能培养这个目标层次把握课程内容的分配、实施、保障和技能的实现。《信号与系统》、《数字信号处理》、《语音处理》、《数字图像处理》、《DSP原理与应用》、《嵌入式系统及应用》等课程，是电子信息类专业基础课和专业课的主体和核心部分，它们均由“信号处理”这一核心所关联，有的是关于基础理论的课程，有的是关于具体应用的课程，有的是关于工程实现的课程。它们在教学内容上各有侧重，但内在联系却非常紧密，有效地整合、优化这些课程必将有助于形成培养电子信息类创新性应用型专业人才的强劲合力。目前，东南大学信息工程学院、桂林电子科技大学信息与通信学院、海军工程大学电气工程学院、中国矿业大学信电学院等在这方面做了一些有益的研究性工作，也取得了较好的改革效果［1～4］。本文针对我校该类课程在实际教学过程中存在的问题，采用基于课程群建设的教学理念，探讨了信号处理课程群的内涵，并提出了相应的信号处理课程群建设改革措施，在实践中取得了预期教学效果。

1　信号处理课程群的内涵

课程建设思路由单一型课程建设向综合优化型课程群建设转化，充分发挥课程群结构整体功能，是适应当前时代背景下教育发展和变革的需要。关于课程群的内涵，主要体现在课程的“相关性”和“综合性”两个方面。课程群是由一些教学内容相互贯通、相互支撑，通过合理规划、整合可形成有机整体的相关课程所组成；课程群建设不同于单门课程建设，需要对各门相关课程的教学内容进行全面整合和优化，利用课程内容上的相关性进行相互支撑、渗透和强化，施行“大课程”建设。课程群建设实际上是对传统课程知识体系的重组，是对传统教学大纲和教学计划的再次改革和优化设计。

基于这一教学理念，可对电子信息类专业的信号处理相关课程进行整合、优化，构建信号处理课程群。根据我校的教学实际，信号处理课程群主要包括《信号与系统》、《数字信号处理》、《语音处理》、《数字图像处理》、《DSP原理与应用》、《嵌入式系统及应用》6门课程，这些课程均是为了能使学生全面掌握信号处理的基础理论、应用领域以及软、硬件平台的实现技术而设置的。如图1所示，该课程群中各门课的联系非常紧密，《信号与系统》和《数字信号处理》是信号处理具体应用和工程实现的理论基础；《语音处理》、《数字图像处理》是信号处理基础理论的具体应用；《DSP原理与应用》、《嵌入式系统及应用》则突出信号处理基础理论（算法）和具体应用实例的工程实现。

图1　信号处理课程群的体系结构示意图

2　信号处理课程群建设的主要措施

对于该课程群中的各门相关课程的教学，在传统教学模式中，虽然也注意到各门课程之间的相互联系，但授课时还往往是各自为政，造成课程教学内容之间的渗透和衔接不够科学合理，学生也没能把这种关联性统一起来，常常处于将每门课进行单独学习和掌握的状态，因而无法将所学内容融会贯通，造成教学效果欠佳。

以我校目前的实际教学情况来看，这些课程在教学上主要存在的问题可以归纳为理论教学和实验教学两个方面：

（1）理论教学环节各门课程讲授内容比较独立，缺乏明确知识体系指导。课程间可能存在一些共同之处，当教学内容重复时，会造成有效学时紧张，一些最新技术和方面往往来不及讲，而重复学习成熟的理论和方法无法激发学生学习兴趣。各门课程的授课教师之间缺乏有效的交流和沟通，在教学模式上更偏向于理论，理论联系实际不够。如对于专业基础课《信号与系统》、《数字信号处理》以及专业课《语音处理》和《数字图像处理》，这些课程理论性都比较强，授课教师在教学中往往突出数学分析，工程概念薄弱，使学生感到教学内容枯燥，像是在学习数学课，体现不出先修课程对后修课程的意义，也使学生对专业基础课和专业课的关系认识不到位。

（2）实验教学环节各门课程实验项目相对单一，实验学时安排不够合理，基础的验证性实验较多，而设计性、综合性实验较少，实验内容的安排没有考虑到相关课程的前后衔接，没有用一个系统的观念来设计整个课程群的实践环节，因而学生的动手能力不能得以有效锻炼，创造性不能得以有效发挥。其中，《语音处理》课程被设置为选修的纯理论教学课程，没有设置实验教学内容，学生很难学以致用。

针对这些问题，采用基于课程群建设的教学理念，我校采取了积极有效的信号处理课程群建设改革措施，围绕“信号处理”这个核心，结合信号处理的应用领域，大胆改革课程群内各门课程教学内容和教学手段，突出MATLAB软件仿真和DSP、嵌入式系统硬件实现方法。

2.1整合优化理论教学内容，建立全面的课程群教学体系

信号处理课程群中的各门课程在教学时间安排上前后连接，在内容方面承前启后，相互关联，逐步深入。其中，《信号与系统》是信号处理、分析的基础，内容涉及连续时间信号、离散时间信号以及它们通过线性时不变系统的基本理论和分析方法，是《数字信号处理》课程重要的先修课程；《数字信号处理》则是在先修课《信号与系统》的基础上重点学习离散傅里叶变换（DFT）、快速傅里叶变换（FFT）、数字滤波器（包括FIR 和IIR）设计等数字信号处理方法和技术，是《DSP原理与应用》的先修课程；《语音处理》主要学习处理日常生活中最常见的一类信号——语音信号的基础知识、各种分析和处理方法、技术及其应用；《数字图像处理》则将信号处理从一维信号处理推广到二维信号处理，处理日常生活中最常见的另一类信号——图像，涉及很多信息处理以及计算机视觉领域的热门研究课题；《DSP原理与应用》和《嵌入式系统及应用》是实践性很强的专业课程，可将《数字信号处理》的基本理论和算法在硬件平台上加以编程实现，主要涉及DSP系统和嵌入式系统的软硬件设计和应用系统的开发方法。

针对理论教学环节存在的问题，在课程群体系建设的基础上实现这些课程教学内容的整合、优化，利用各门相关课程内容上的交叉和衔接关系尽量压缩其中重复设置的内容，从而适应当前的教学改革趋势，适当减少课程教学学时数。例如，Z变换在《信号与系统》中已讲，在《数字信号处理》课程中应在简单回顾Z变换的基础知识后加强DFT、FFT、FIR和IIR滤波器设计这几个部分的内容。在后续的具体应用类课程和工程实现类课程中，对出现的信号处理基本理论也应只是简单回顾而不要再次深入讲解。同时，各门课程教学大纲应进行统一编写，使课程群中各门课程所要讲授的知识系统化，保持课程间的自然的逻辑顺序，使其合理过渡和衔接，处理好理论与实践的关系，以“重视基础理论、突出具体应用、强化工程实现”为主线，建立一种纵向传承、横向互补的全面的课程群教学体系。

2.2整合优化实验教学内容，建立有效的课程群实验教学模式

针对实验教学环节存在问题优化了实验课程内容，重新修订课程群中各门课程的实验教学大纲。围绕“信号处理”这一核心，突出基于MATLAB的软件仿真和基于DSP、嵌入式系统的硬件实现的两条主线，并贯穿在整个实验教学环节中。例如，《信号与系统》、《数字信号处理》、《语音处理》、《数字图像处理》等课程实验均可在MATLAB软件平台仿真完成，而《DSP原理与应用》、《嵌入式系统及应用》课程实验则分别在DSP实验开发硬件平台和ARM嵌入式系统实验开发硬件平台上完成。在此基础上，不断加强课程实验之间的关联性，实验内容的安排也可考虑相关课程的前后衔接。例如，在高年级学生实验教学过程中，可在硬件平台上结合《信号与系统》、《数字信号处理》课程的基础理论，结合《语音处理》、《数字图像处理》课程的特点，设置一些设计性和创新性实验项目，或者完成课程设计和毕业设计相关课题等，弥补课堂纯理论教学的不足，从而使学生的动手能力得到很好的锻炼，创造性得到有效发挥。

另外，为有效解决实验教学资源之不足、实现远程实验教学灵活性、推进实验教学方式改革、提高实验教学质量，研究、开发了相应的开放式网络虚拟实验室。该虚拟实验室服务器端共享本地的虚拟实验室模拟软件平台，接受客户端发送的实验请求，分析和处理实验参数，经过计算模拟最终将结果返回客户端。整个系统不涉及具体的实验仪器硬件设备，只是利用软件模拟实验的过程。

3　结语

电子信息类专业信号处理类课程内容联系紧密，结合我校专业课程设置特点，针对先前在理论教学和实验教学方面存在的实际问题，提出将《信号与系统》、《数字信号处理》、《语音处理》和《数字图像处理》、《DSP原理与应用》、《嵌入式系统及应用》等6门课构成信号处理课程群，进行整合、优化建设，以“重视基础理论、突出具体应用、强化工程实现”为主线，建立了全面的课程群教学体系，突出了基于MATLAB的软件仿真和基于DSP、嵌入式系统的硬件实现相结合的实验教学模式，有利于电子信息类专业创新型及应用型高素质人才的培养。从理论教学到实验教学，信号处理课程群建设内容非常丰富，包括教学内容、教学方法、教学手段等，是一个长期实践与反馈的过程，不可能一蹴而就。鉴于各高校实际情况的差异，这一课题还有待进一步深入研究。

［1］欧阳华，杨忠林，李辉．信号与信息处理课程群教学改革研究［J］．中国电力教育，2013（19）：48～49

［2］欧阳缮，欧阳宁，刘庆华．信号处理课程群的建设与改革实践［J］．大众科技，2008（11）：185-186

［3］王艳芬，张剑英，张晓光，蔡利梅．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

［4］邓莉，孙山林，李欧迅．通信工程专业信号处理课程群教学改革研究［J］．教育与教学研究，2014，28（12）：67～70

Signal Processing；Course Group；Theory Teaching；Experimental Teaching

Construction and Reformation of Signal Processing Course Group for Electronic Information Majors

XU Wang-ming，LIU Yi-min，LI Bing-sheng
（College of Information Science and Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081）

1007-1423（2015）10-0026-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.10.007

徐望明（1979-），男，湖北武汉人，博士，高级工程师，研究方向为信号与信息处理

刘毅敏（1973-），女，湖北武汉人，硕士，副教授，研究方向为信号与信息处理

李炳生（1956-），男，湖北武汉人，高级工程师，主要从事实验教学与管理工作

2015-03-03

2015-03-14

以电子信息类专业信号处理类课程的相关性和综合性为基础，针对我校该类课程在实际教学过程中存在的问题，采用基于课程群建设的教学理念，提出相应的信号处理课程群建设改革方案，主要包括理论教学内容的整合与优化以及实验教学的内容调整与模式创新，从而构建有效的信号处理课程群课程教学体系，有利于电子信息类专业创新型及应用型高素质人才的培养。

信号处理；课程群；理论教学；实验教学

武汉科技大学教学研究项目（No.2009X071、No.2014Z034）、湖北省高校教学研究项目（No.2013233）

Based on the relationship and the integrality among the courses of signal processing for electronic information majors，and aims at several issues of these courses in practical teaching in our university，proposes a corresponding teaching reformation scheme on signal processing course group with the adoption of the teaching idea of course group construction，which mainly includes integrating and optimizing the theory teaching contents，adjusting the practice teaching contents and innovate in its mode.Then an effective teaching system on signal processing course group has been constructed which is beneficial to the cultivation of high quality talents with good practice ability and innovation ability for electronic information majors.