信息处理类课程实践教学体系研究

崔文超， 孙水发， 龚国强

(三峡大学 计算机与信息学院， 湖北 宜昌 443002)

信息处理类课程实践教学体系研究

崔文超， 孙水发， 龚国强

(三峡大学 计算机与信息学院， 湖北 宜昌 443002)

本文针对目前信息处理类课程实践教学中存在的问题，提出了“三线一体”的思路来改善教学环节，即以 “课时线”来合理安排实践项目课时；以 “维度线”来循序渐进提升信号处理维度；以“难度线”由浅入深提高实践动手能力。教学实践表明，新的教学模式能激发学生的学习兴趣，增强学生的科技创新能力，有效地提高学生的就业竞争力。

教学改革；实践教学；课程体系；信息处理

0 引言

按照教育部与中兴通讯就在本科高校共同建设“ICT产教融合创新基地”签订的战略合作协议，自2015年至2020年期间，中兴通讯将为合作高校的每个创新基地捐赠平均500万元设备，并且派专家团队与合作高校联合制定人才培养方案、联合开发教材、共建实践教学平台、联合教学、联合开发教学资源库、提供就业支持等，同时中兴通讯将市场需求转化而来的企业研发项目引入基地，为基地提供研发与服务需求， 提升合作院校参与ICT行业科研的能力，推动应用科研反哺专业建设[1]。

我校作为通信类、电子信息类、计算机类专业基础较好的地方本科院校，积极争取到了这一难得的发展机遇。于2015年7月，我校计算机与信息学院、科技学院与中兴通讯正式签约共建“2015-2020年教育部-中兴通讯ICT产教融合三峡大学创新基地”，目前基地各项建设正在紧锣密鼓地开展[2]。

在此背景下，为适应ICT创新基地的发展要求，我校就通信工程、电子信息工程以及电子信息科学与技术三个专业相关的信息处理类课程的实践教学环节进行了有针对性的优化调整和改革，以解决目前该类课程实践教学中存在的问题：①某些课程理论讲解过多，课上列举工程实例较少，导致学生对理论知识学习兴趣不足；②某些课程之间存在重叠的内容，相应的实践教学部分应统一安排，以免出现重复设置；③注意课程之间的衔接性，以体系教学的形式制定人才培养方案，让学生循序渐进、由易到难系统地推进专业知识的学习；④综合性实践教学部分设置不足，影响了综合性实践教学的开展。

针对上述问题，我校信息处理类课程课题组提出了“三线一体”的思路来改善教学环节，即以“课时线”来合理安排实践项目学时，以“维度线”来循序渐进加深实践项目难度，以“难度线”由浅入深提高学生的实践动手能力。以下就此思路作具体的介绍。

1 信息处理类课程实践教学体系改革

我校信息处理类课程主要根据信息处理的各个环节而设置:如“信号与系统”课程针对信息的获取；“信息论与编码”和“通信原理”课程针对信息的传输与通信技术；“数字信号处理”和“随机信号分析”针对信息采集与处理技术；而对于信号的理解和识别开设了“数字图像处理”和“多媒体技术”等课程；对于信息处理的硬件实现开设了“DSP原理及应用”和“嵌入式项目开发”等[3]。为促进这类课程的理论知识掌握，相应的实践教学包括课程实验、课程设计、项目综合实验以及毕业设计等环节都是必不可少的，为更加合理有效地安排实践教学内容，课题组拟从以下三个方面来开展实践教学体系改革。

1.1以不同课时合理安排实践项目

根据实践教学内容所涵盖的知识点多少可分为课程实验和课程设计两大项。

课程实验主要针对具体的理论原理进行验证型观察，或者对具体的某一信号处理方法进行仿真分析，以加强该部分的理论或方法学习。比如通信原理实验通常利用专用实验箱产生各种调制解调信号并用示波器观察，以帮助学生理解整个调制解调过程信号的变化情况[4]；而数字信号处理实验通常包含的FFT频谱分析，能让学生加深该方法在工程应用中的实现[5]。这类课程实验通常不超过16课时，如表1所示。

课程设计相比课程实验，需要学生综合利用所学的一门或多门课程，系统地完成一个工程项目实例，这类实践项目需要集中一周时间来完成。比如，表1中的课程设计“Matlab与信号处理系统设计”，笔者曾给学生安排如下的选题：采集一段真实的语音信号，人为加入两种单频噪声，观察语音信号在时域和频域的变化；并设计合适的数字滤波器处理加噪语音信号，还原清晰的语音信号，该实践项目的模块框图如图1所示。由于在前期的数字信号处理实验中已经分别进行了关于信号频谱分析、滤波器设计等方面的实验，该课程设计旨在以语音信号处理作为切入点，让学生从方案制定、可行性分析、仿真实现等方面完成多阻带滤波器的工程应用实例分析，能有效加强学生运用理论知识解决实际问题的能力。

另外还有一类实践项目为毕业设计。毕业设计是教学过程的最后阶段采用的一种总结性的实践教学环节。要求学生花费3个月左右时间，针对某一课题，综合运用本专业有关课程的理论和技术，做出解决实际问题的设计。通过毕业设计，学生对某一课题作专门深入系统的研究，巩固、扩大、加深已有知识，培养综合运用已有知识独立解决问题的能力。表1也列出了部分课题组近两年获得的校优秀毕业设计题目。

表1 信息处理类实践教学项目分类

图1 语音信号处理模块框图

1.2以信号维度逐渐加深实践项目

依据信号处理类实践项目所处理的信号可分为一维简单信号、二维图像信号和三维视频信号。随着信号维度上升，处理数据量加大，相应的信号处理算法也变得复杂。再有，信息处理类工程应用中大多处理的信号为图像或视频信号，因此课题组考虑按信号维度循序渐进加深实践项目。如图2所示给出了典型的3类以信号维度设置的实践教学项目。其中课程实验中包含的数字信号处理实验、数字图像处理实验和数字视频处理实验分别针对3种维度信号进行基本的处理算法仿真，让学生直观感受待处理数据结构的不同。比如，对去噪算法，学生通过循序渐进解决信号去噪、图像去噪和视频去噪，能较好地发现其中的异同，找出不同维度信号处理的关键环节，这在一定程度上也能促进其它一维信号基本处理算法的二维或三维扩展，提高学生举一反三、触类旁通的能力[5～7]。图2(b)(c)是分别针对DSP技术和FPGA开发设置的不同维度的实践项目。两者的一维信号处理项目都来自于课程实验(表1所示)，相应的二维和三维实践项目来源于课程设计环节(表1所示)，列出的课程设计题目能清楚看到处理的信号分别为图像和视频信号。学生通过一维项目的强化训练和二、三维项目的实践拓展，能有效促进学生解决信息处理类工程应用中出现的实际问题。

1.3以考查难度逐步提升实践项目

依据实践项目所要达到的教学目标，课题组按“原理验证-仿真设计-硬件实现”这条“难度线”来逐步提高学生的实践动手能力。表2列出了以此分类的实践项目的考查要求。

原理验证型实践项目只需要完成某一理论或方法的观察性结果演示，因此能正确说明过程中涉及的理论知识点即可。比如，“通信原理”中的2PSK调制解调实验，能正确绘出并解释调制解调原理框图，能用示波器清晰观察到调制和解调信号并正确画出各输出结点波形即可[4]。

仿真设计型项目则需要完全理解信号处理算法原理，然后利用某种计算机语言完成算法仿真，能正确调试算法相关参数，得到理论算法结果。比如数字图像的中值滤波去噪方法，若考虑利用Matlab语言实现，较简单的实现方法是利用函数medfilt2( )实现，该函数已经封装好图像中值滤波算法，因此采用该函数来实现只能算作原理验证型。真正的仿真设计型项目应该利用编程语句完成算法设计，这样既可以促进理论算法的理解，又能从中发现经典算法的不足，从而为进一步的改进算法做探索性的尝试，如文献[8]所述。因此表2列出的仿真设计型项目考查要求明显高于原理验证型项目。

(a)课程实验 (b) DSP技术

(c) FPGA开发

对硬件实现类实践项目，因为已经接近工程应用中的产品化终端，需要学生同时掌握好硬件开发和软件开发的技能，所以其考查要求最高，要求的动手能力最强。比如上述的图像中值滤波，考虑利用FPGA设计实现，则要完成表2列出的相应考查要求[9]。

2 实践教学体系改革阶段性成效

课题组按照“三线一体”改革思路，对信息处理类实践项目进行了一年多时间的调整和优化，取得了一定的阶段性成效：①学生的理论学习兴趣有所提高，课程不及格率有所下降；②学生的科技创新动力得到激发，报名参加校级和全国性的电子设计大赛的人数增加，也取得了较好的成绩。如2016年有5组学生分别获得湖北省大学生电子设计“TI杯”湖北赛区二、三等奖；③考研过线学生在专业技能面试中通过率较往年有较大的提高，学生的实际动手能力得到考研学校的认可；④最重要的就是学生毕业后就业率的提高，如表3所示列出了改革前后3个信息处理类相关专业的就业率情况，可以看到，改革前的2015年，3个专业的平均就业率为96.35%，低于所在学院的平均就业率96.42%，而改革后的2016年，全国的大中专毕业生达756万之众，比2015年多出16万，就业的形式更严峻，但3个专业的就业率都高于学院平均就业率， 且平均就业率也高于2015年。这充分说明实践教学体系改革后学生的就业竞争力增强。

表2 信息处理类实践项目考查要求

表3 实践教学体系改革前后的就业率对比

3 结语

本文介绍的信息处理类课程目前阶段进行的改革主要基于自身的实践教学项目体系进行的，“三线一体”的改革思路主要对现有的实践项目进行优化整合，注重循序渐进、由浅入深，引导学生的学习兴趣，激发学生的科技创新热情，一定程度上提高了学生的实际动手能力，增强了学生在就业市场的竞争力。

随着后期中兴通讯ICT三峡大学创新基地的建设完成，课题组将着手与中兴工程师联合制定人才培养方案、联合开发教材、共建实践教学平台、联合教学、联合开发教学资源库等。在这种校企合作的双赢模式下，我校的信息处理类专业人才培养质量必将获得更大的提高。

[1] 凡塔. 教育部-中兴通讯共建本科“ICT产教融合创新基地”[EB/OL].:搜狐教育, 2014-12-08: [online] http://learning.sohu.com/20141208/n406761406.shtml.

[2] 翟瑾. 三峡大学与中兴通讯签约共建教育部ICT产教融合创新基地[EB/OL].:中国高校之窗, 2015-7-22: [online] http://www.gx211.com/news/2015722/n1598284104.html.

[3] 孙祥娥, 刘益成, 李永全等. 关于电子与信息工程专业信号与信息处理类课程体系设置的研究[J]. 南京：电气电子教学学报, 2004, 26(6): 27-29.

[4] 王福昌, 潘晓明. 通信原理实验[M]. 北京：清华大学出版社, 2007年5月.

[5] 张建平. 数字信号处理实验教程[M]. 北京：清华大学出版社, 2010年1月.

[6] 杨杰. 数字图像处理及Matlab实现：学习与实验指导[M]. 北京：电子工业出版社, 2010年7月.

[7] 唐权华, 雷金娥, 周艳等. 一种时空联合的视频去噪方法[J]. 北京：计算机工程与应用, 2010,46(6): 163-165.

[8] 赵高长, 张磊, 武风波. 改进的中值滤波算法在图像去噪中的应用[J]. 西安：应用光学, 2011, 32(4): 678-682.

[9] 李弓, 吴艳. 中值滤波算法的研究及其FPGA实现[J]. 柳州：广西科技大学学报, 2016, 27(2): 56-61.

ResearchonthePracticalTeachingSystemofInformationProcessingCourses

CUIWen-chao,SUNShui-fa,GONGGuo-qiang

(CollegeofComputerandInformationTechnology,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

To handle the problems existed in the practical teaching for information processing courses, an idea called “Three Lines, A System” is presented to improve the teaching processes. Specifically, the first “period” line is set up to arrange the reasonable periods for different practical projects; the second “dimension” line is built to gradually increase the signal dimension of the practical projects; the third “difficulty” line is constructed to step by step promote the problem-solving ability. The teaching practices show that this new teaching mode can not only motivate the learning interest, but also enhance the scientific innovation ability, resulting in effectively improving the employment competitiveness.

teaching reform; practical teaching; course system; information processing

2016-10-23;

2017-04-29

三峡大学高等教育研究项目“适应ICT发展要求的信息处理类课程实践教学体系研究”(编号：1546)

崔文超 (1979-)，男，博士，副教授，主要从事信号与图像处理的教学和研究，E-mail: wenchao-cui@163.com

G642

A

1008-0686(2017)05-0134-04