基于CDIO模式的研究生信号处理课程群的教学改革与实践

索丽敏+富爽+邸国辉

摘要：随着信息科学技术的迅速发展，信号处理技术已成为我国实施以信息化带动工业化战略的桥梁，成为21世纪信息化时代打开电子信息科学的一把钥匙，其地位和作用越来越突出。但由于信号处理类课程内容理论性、逻辑性强，包含较多数学方面的知识，其概念理论较为抽象，使学生在学习中不容易产生感官认识，无法与工程实践紧密相关。本研究从CDIO教育理念的视角对研究生信号处理课程群教学进行改革，从工程应用的角度出发，使学生对信号处理理论的基本原理更加熟练地掌握，可以充分地在科学研究和工程实践中应用，培养实践能力较强的高素质研究生。

关键词：信号处理技术；工程实践；CDIO；研究生

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）16-0140-02

一、引言

随着信息科学技术的迅速发展，信号处理技术已成为我国实施以信息化带动工业化战略的重要桥梁。信号处理技术已经成为众多本科专业必修的一门课程，但信号处理类课程内容理论性、逻辑性强，包含较多数学方面的知识，其概念理论较为抽象，使学生在学习中不容易产生感官认识，无法与工程实践相联系，而且目前国内外对于信号处理课程群的教学改革一般都集中在对本科教学的研究中，对于研究生信号处理课程群的教学研究较少。因此，对于研究生来说，从科学研究和工程实践的角度理解掌握信号处理的基本原理，并在科学研究和工程实践得以应用显得尤为重要。如何使学生更好地从工程的角度掌握信号处理的基本理论，并将其广泛应用于相关学科的科学研究和工程实践，具有较大的研究价值。围绕CDIO工程教育理念，修订研究生信号处理课程群的教学和人才培养方案，有效落实教学和实践计划，有利于保障培养质量，也有利于促进人才培养结构的调整以及我国学位与研究生教育的健康发展。如何借鉴CDIO优秀的工程教育模式，充分发挥其在研究生培养中的重大作用，对我国的研究生教育具有重要意义。

二、CDIO模式与国内外发展现状

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的新成果。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO的理念不仅继承和发展了欧美20多年来工程教育改革的理念，更重要的是系统地提出了具有可操作性的能力培养、全面实施以及检验测评的12条标准。CDIO实质是“做中学”和“基于项目教育和学习”的集中概括和抽象表达，强调在课程教学和人才培养过程中利用专业知识解决工程问题的能力。CDIO已在国内外工程领域人才培养中取得成功，为硕士生的教学和培养提供了宝贵经验。

CDIO工程教育模式一经提出，迅速发展。迄今为止，国外已有几十所世界著名大学加入了CDIO组织，按CDIO模式培养的学生深受社会与企业欢迎。2011年12月“全国CDIO工程教育改革会议暨教育部CDIO高级研修班”在南京举行。国内已有39所高校成为机械类、电气类教育部CDIO工程教育模式研究与实践课题组试点工作组高校成员。目前，CDIO工程教育模式的研究和应用主要集中在本科教育阶段，在研究生的培养阶段应用CDIO模式的研究较少。

三、研究生信号处理课程的教学存在的问题

目前研究生信号处理课程的教学存在以下问题和不足：其一，信号处理类课程内容理论性、逻辑性强，包含较多数学方面的知识，其概念理论较为抽象，使学生在学习中不容易产生感官认识，无法透彻学习、灵活应用；其二，信号类课程的内容整合衔接的不好，没有形成一个有机的整体。具体来说“信号与系统”主要注重连续时间信号与系统的分析，但其中穿插了离散时间信号与系统的分析，比如Z变换这部分内容，在“信号与系统”和“数字信号处理”两门课里都给予了介绍，内容重叠，占用了有限的教学学时；其三，突出数学分析，工程概念薄弱，理论联系实际不足，原理、方法与应用脱节；其四，仿真和实现环节薄弱；其五，对于非主干专业的研究生来说，往往没有较多的信号处理理论相关基础和专业背景，数学基础也参差不齐，在这些非主干专业研究生的教学过程中，对理论的实用性和学科间的交叉重视不足。

四、基于CDIO理念的信号处理课程教学改革与实践

鉴于上述状况，传统的信号处理课程教学模式不能全面培养学生的实践技能、工程能力与创新能力，必须加以改革，制订科学的教学方案。

1.引入MATLAB软件，全面改善教学方法。MATLAB是一种功能强大、使用较为简单的工具软件，应用MATLAB可以很容易地进行信号和系统的傅立叶分析、卷积运算、滤波器设计、信号滤波、图像处理等工作，在授课过程中可以实时地演示信号处理的结果，使抽象的概念和数学公式变得直观、形象，有助于学生对知识的理解和掌握，同时启发学生思考。对于研究生来说，其直接算法的仿真实现也有助于对理论本身的深入研究，并将其迅速运用到工程实践中。

2.基于CDIO工程教育模式，增加工程模拟类实践环节。对于信号处理课程群，结合研究生研究方向及院校科研项目情况，增加工程模拟类实践环节，使学生以工程项目为导向，以产品研发到产品运行的周期为载体，让学生主动并有成效地进行实践环节。

3.引导学生主动学习，启发思考。以学生为主体的互动式教学是提高学生学习积极性和教学效果的有效方法之一，培养学生主动学习和思考的习惯和能力是素质教育活的灵魂，对于研究生的教育更是如此。例如教师在讲授微分滤波器时，可以让学生思考一幅风景图像经过该滤波器输出会是怎样的，可以激发学生的学习兴趣，而且让学生用仿真软件制作滤波器并观察输出结果。让学生在这个过程中互相讨论并解决问题，从而拓展思维。

4.做好不同课程间的衔接和交叉，构建课程体系。在信号处理课程群中，很多理论相互重叠、交叉，又都有不同的侧重点。如在“数字信号处理”的教学内容中，离散信号与离散系统、Z变换等内容在“信号与系统”课程中已经作了一定的分析。在教学过程中，对于重叠的内容应尽可能减少学时，以内容回顾和补充的形式来安排这部分内容，避免简单重复。endprint

对于不同的课程之间，应建立起连接，构建课程体系。比如：在“信号与系统”和“数字信号处理”的教学中，其连续部分和离散部分的相应变换和系统特性，虽然表达形式不同，但其本质却是相同的，构建两门课程之间的联系，对照学习，可以使学生充分了解信号与系统理论的本质和精髓，以更从容灵活地将其应用在工程实践中。

5.充分利用多媒体教学手段。信号处理类课程教学内容中大量的数学公式及推导，非常容易导致学生的恐惧和厌学心理，尤其是对背景知识较少、数学基础要求相对较低的其他学科的研究生来说。由于在研究生的课程教学中，更注重让学生掌握分析问题的方法、思路，启发思考，探索工程应用和理论创新，因此，在进行这些部分的授课时，应先强调其物理概念，尽量使用画图、多媒体演示等方式形象地让学生对公式和理论有感官认识，再讲解数学公式及推导部分，使学生能够准确深入地掌握信号处理的基本原理，掌握精髓，而不是面对一堆零散、复杂和抽象的公式。

6.改革考试形式。传统的考试形式很难评定学生的自主学习能力和创新能力以及将所学理论应用于科学研究和工程实践的能力，不符合研究生教育的培养目标。所以要对考试形式进行改革，例如题签式考试，每个学生的题目不同，而且要考查学生的实践能力。

五、结语

十余年中，信号处理技术已经被广泛应用于通信、雷达、生物医学、地球物理等领域，而且已经扩展到电气工程、机械工程、化学材料和航空航天等领域，甚至渗透到经济管理和交通工程等领域，对整个社会产生着重要影响。培养该方向具有高素质的研究生显得尤为重要。基于CDIO模式的项目教学在信号处理课程中的应用，能够有效培养学生的自主学习能力、信息分析能力、创新能力、表达能力和团队合作精神。而且在实践过程中进一步提高研究生的水平和实际应用能力，使研究生具备完成一个项目所涉及的专业理论和专业技能。我们相信通过CDIO高等工程教育模式的改革，将会大大增强研究生的综合能力，提高了研究生的国际竞争力。

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