《信号检测与估值》课程建设的探索

单洁 杨刚 王军选 姜晖

摘 要：《信号检测与估值》是通信、电子类相关专业的一门重要的专业课，也是我校硕士研究生的一门核心学位课。该课程在实际教学中存在教学内容重理论，教学手段单一，学生动手实践环节缺失等问题，很难满足研究生工程应用和创新能力的培养。因此，文章通过对课程现有状况的讨论，提出了该课程建设的一些设想。

关键词：信号检测与估值；课程建设；教学内容；教学手法；实践教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）01-0053-03

Abstract： Signal Detection and Estimation is an important specialized course related to communication and electronics， and it is also a core degree course for graduates. In the practical teaching， there are some problems such as attaching importance to theoretical teaching， single teaching method and lack of practice， and so it is difficult to meet the training of graduate engineering application and innovation ability. Therefore， through the discussion of the existing course in this paper， some ideas about the course construction are put forward.

Keywords： Signal Detection and Estimation； Course construction； Teaching contents； Teaching method； Practical teaching

引言

《信號检测与估值》是通信、电子类相关专业的一门重要的专业课，主要介绍通信中的信号检测处理、信号波形检测、信号统计估计、最优接收设计等知识[1]。由于本课程是极具专业特色、理论性较强的学科，且较多应用于通信电子、自动控制、模式识别等多个领域，因此，《信号检测与估值》也就成为了信息与通信工程学科高年级本科生与研究生的重点专业课[1]。

在西安邮电大学信息类专业中，《信号检测与估值》是硕士研究生的一门核心学位课，其较强的理论性既是本课的特色，也是教学难点所在，学生常常被数学推导所难、不能准确理解理论知识内涵，对于理论联系实际更是难上加难。而在实际课堂教学环节中，由于多种原因造成的理论与实践、数学基础与工程应用的脱节，更加突出了该课程的实际教学效果与课程预期目标的巨大落差[2]。因此，如何解决丰富的教学内容与有限的教学时间的矛盾，如何优化教学内容、改进教学方法、提高授课质量、增强学生的工程应用能力，已成为本门课程亟待解决的问题。

一、课程现状

根据近些年在实际教学环节中暴露出的种种问题，教学团队教师进行深刻分析，总结当前课程的发展现状：

问题一：教学内容晦涩难懂，重理论缺实践，学生往往知其然却不知其所以然，更不知如何将理论知识解决实际工程问题。例如，课本第三章信号的统计检测理论中，介绍了贝叶斯准则以及几个派生贝叶斯准则，其中包括最小平均错误概率准则、最大后验概率准则、极小化极大准则和奈曼-皮尔逊准则[1]，实际教学中发现多部分学生对这些基本知识点的理解肤浅或不完整，采用死记硬背公式的学习方式，因此更无法对其进行灵活运用。

问题二：教学内容陈旧，涵盖知识面广且重点不突出，难以激励学生的学习主动性，开拓学生的思维[2]。目前，本校使用的教材为清华大学出版社2005出版的《信号检测与估计理论》，教学内容十年不变，不能及时跟随当前信息科技领域的最新发展。一成不变的理论知识和教学手法不仅使学生失去了学习的兴趣，而且不利于学生开放性思维培养，最终导致学生科研能力培养的不良发展。因此，优化课堂教学内容和采用多种形式相结合的教学手段，将学科发展的最新动态、趋势以及教师的科研成果融于教学过程，借鉴兄弟院校课程建设和教学改革的成功案例等一系列的措施，激发学生的学习兴趣和自主性，从而培养其工程应用能力，提高学生的动手能力和解决复杂工程问题的能力，是本课程建设和教学改革的一个重点环节。

问题三：教学手段单一，仍以教师讲授为主，辅以少量课后作业，学生缺乏实验、设计等实践环节，很难深刻全面的理解课内知识点[2]，因此学生学习积极性低，教学效果不好。近年来由于研究生扩招等原因造成的教育质量下滑，而研究生教育更强调创新、实践能力的培养，因此，如何提高研究生教育质量、满足研究生的科研能力培养目标要求，如何丰富教学手段方法、改革教学模式，培养研究生的研究兴趣，则是本课程建设与改革的关键。

二、《信号检测与估值》课程建设的设想与措施

《信号检测与估值》是西安邮电大学2016年研究生课程建设重点项目之一，借助这次经费资助的契机，拟经过三至五年时间逐步打造一支学历、学缘、资历结构科学合理，学术思想活跃、实践经验丰富的教学队伍，并结合教师的科研方向，优化教学内容的组织，建设一批通信应用特色的教学案例库和课程配套实验。通过本次课程建设的研究和实践，使得该课程呈现系统化、特色化的风格，更能充分发挥课程在创新型人才培养中的支撑作用。

图1展示了《信号检测与估值》课程建设的研究内容及实践途径。

（一）课程教学内容的建设

如今，科技高速发展，如果我们的教学还停留在传统的教与学，大量的数学公式上，很难再吸引学生的关注。但是信号检测与估计理论要求大量数学基础，涉及随机过程、矩阵论、数理统计等知识，课程自身的这一特点在教学环节又无法逾越，在有限的教学时间内，我们该如何将复杂的数学理论和生动的工程应用相结合，如何将知识点做到面面俱到而又重点突出等等，这样的难题不可回避的摆在任课教师的面前，如同一座座大山。

借鉴兄弟院校课程建设的经验，教学团队采用将基本原理的“普适性”和通信应用"特殊性"相结合，对教学内容重新组织安排，突出重点理论，淡化其他数学推导过程，强化工程应用性，使本课程的教学内容更加层次化、合理化。例如，课程前两章即概论和基础知识两个部分，课时压缩到4课时；突出第三、五章信号统计检测理论和统计估计理论两个部分内容，课时增加至30课时[1]；其他章节内容也略有改动，但总体上保持原样，这样在课堂教学中可以突出重点。

另外，为了加深学生对知识点理解，教学团队将学生公认的难点、重点的知识点，增加了Matlab仿真或者引入实例说明，将枯燥的内容形象化展现出来。不少学生在学习过程中认为基础概念很难理解清楚，例如，输入、输出空间、判决空间等，教师根据基本理论给定的模型，借助Matlab仿真构造出不同的空间结构[3]，帮助学生直观、深刻的理解概念。

又如，每级学生都对信号的统计检测、统计估计理论这两部分中众多的检测、估计方法理解不清。在授课过程中，团队增加里Matlab仿真结果，来辅助学生理解这些知识点。例如，为了直观对比最大似然估计和最大后验估计的性能，教师通过Matlab仿真得到结果图，学生就可以清晰的看出，在已知待估参数分布的情况下，最大后验估计优于最大似然估计[3]。

（二）教學方法手段的创新

教师的课堂教学环节，从理论教学环节的教、学、考等各个方面，灵活运用项目驱动、应用特色案例教学、科技报告等方法手段，优化教学效果[5]。例如，引导学生将信号检测的几种方法进行分析、对比和总结，注重其间的关联性，突出知识点之间的相同点以及不同之处。

为适应学校研究生人才培养定位，从理论教学及实践教学两个环节出发，将教师的科研成果融入理论教学中，依托学校各类实验平台及具有通信特色的其他实践教学平台，借鉴案例教学的思想，充分利用现代各类网络手段，开发以通信为背景具有工程应用性的教学案例。使教学内容具有工程应用性，做到因材施教，更好的契合我校研究生的培养定位。教学案例的特点及编写步骤如图2所示；

有了好的教学案例，如何高效的投入教学环节，就是一个关键点。团队拟建设一个基于云技术的信号检测与估值理论案例库，可以方便师生学习使用。

（三）实践教学环节的改革

动手能力的培养应该是创新应用型人才培养中最为重要的部分。经过多次研讨确定在总课时48不变的条件下，适当增加实践环节课时，目前至少保证8课时的学生上机实验。实验内容设置以“验证+综合”的思路，选取了课程中重点知识点。为了加深学生对统计估计理论认识，例如，如何对比最大似然估计和最大后验估计的异同，教师在课堂上通过Matlab程序演示结果来直观对二者进行对比。同时，学生上机实验可以进一步验证在最优估计存在时，二者的估计方差与克拉美-罗限（即Cramer-Rao，CR）的关系[3]。

借鉴兄弟院校的经验以及与学生的交流总结，团队达到一致共识，即在教学过程中尽可能的多融入一些直观的方法，例如Matlab仿真等，来帮助学生理解晦涩难懂的数学理论，并且提出将授课内容中的难点、重点知识，借助Matlab仿真实现，形象的呈现在学生面前。实践形式采取多样化，较难的部分可以教师独立完成；较简单的部分可以教师学生合作完成，课堂教学时间有限，可以以报告形式布置给学生上机或者课后完成，等等。总之团队教师希望采用多元的实践方法，帮助学生深刻、准确理解课程理论。

另外，在条件允许的情况下，课程实践环节可以加入一些专用硬件设备，例如信号检测仪或估计仪等，加强学生对理论的感知。举例，我们在课堂上介绍了维纳滤波器，但是学生无法从众多的数学公式和大堆的图表中直观、形象的认识什么是维纳滤波器。虽然软件仿真也可以一定程度上帮助学生了解，但是如果我们采用DSP、FPGA等硬件设备来解决算法问题[4]，并建立一个实际的信号检测和估计系统，真实的检测或者估计一个受噪声污染的实际信号，那么学生一定会对这些理论有更加深刻、直观，且生动的理解。

（四）微课程录制的探索

微课程给我们带来的并不仅仅是一种新的教学模式，也展示了一种更快捷的学习途径和方法。借鉴“可汗学院微课程”模式，运用建构主义方法，把信号检测与估值理论的重点难点录制成视频，按照学生最便捷的接受知识的方式，形成PPT式、讲课式、板书式或多种形式结合的微课程模式。信号检测与估值是理论性强、概念更抽象、课后题型多样，涉及面广，有一定深度。对于习题的讲解，很多学生不习惯PPT的讲授方式，其快速的切换影响了学生思维的过渡。多数学生更倾向于教师用板书的形式进行，但是传统的板书有不可复制的缺点。如果把对习题的讲解录制成微课程视频，一题一课，可以赋予传统板书新的活力，让教师的板书能够重现，而且在讲题过程中涉及到的知识点，也可以用微课程视频嵌套的方法，链接到相关知识点的微课程，逐步进行提示，给学生一条明确的学习路径。

把信号检测与估值中的重点难点，录制成目标明确、主题突出的微课程视频，这是教学团队目前正在进行的工作。但是，微课程的内容应该不仅仅局限于理论教学，实践环节、硬件平台也可以录制成微视频，从而实现硬件资源的共享。如果视频教学资源可以达到一定数量以后，就可以建成信号检测与估值理论的微课程视频资源库。这些微课程视频将可作为智慧学习的重要资源，满足学生入境学习、泛在学习和个性化自定步调学习的需求[6]，适应现代学习短、平、快的特点以及碎片化学习的需要[7]。

（五）建立课程网络教学平台

与传统的课堂式教学模式受教学时间、地点等多方面条件的约束相比，多媒体计算机在教学上的优势以及网络的普及性、实用性和便利性，使可视化教学手段，如动画、文本、声音等多种媒体组合，成为目前的课程建设的趋势。而我校本科教育正在大力推进“网络课程”、“在线课堂” 的进程，因此，教学团队借鉴成熟课程网站建设经验，初步开发《信号检测与估值》课程的教学网站，为选课学生提供丰富、生动的教学资源，其中包括大量的多媒体资源，例如课程课件、教学案例库、微课程视频等。

利用教学网站辅助教学在一定程度上弥补了课堂教学时间和空间的制约性，大大拓宽学生学习的空间，可以使学生在各種场合、各种时间利用网络学习相应知识。学生可以通过网络观看教学视频、下载相关课程PPT、习题、往年试题，使得课下学习丰富多彩，有利于帮助学生理解信号检测与估值理论的重点和难点知识，激发学生的自主学习、积极探索与研究的创造性和积极性，提高学习的效率和效果。

在线课堂有着良好的互动性，学生可以通过网络在线提交留言，与任课教师无障碍沟通，不受空间条件约束，一起探讨学习过程中遇到的问题，或者进行答疑辅导。

虽然网络教学有诸多优势，但是由于建设经费有限、知识产权等诸多问题困扰，老师建设热情性严重受阻，下一步我们该如何进行仍是困扰教学团队一个难题。

三、结束语

围绕应用创新人才培养目标，西安邮电大学信号检测与估值教学团队的老师们积极探索，勇于创新，从教学内容优化和实验设置等方面进行了不同程度的建设，不仅注重基础知识的与时俱进，提出一系列改革式课程建设的尝试，教学手法手段的新颖年轻化，而且突出实践环节的合理有趣，还陆续开发了微课程、教学网站等辅助教学手段，探索一套适合《信号检测与估值》课程教学方法的模式。

参考文献：

[1]赵树杰，赵建勋.信号检测与估值理论[M].清华大学出版社，2012.

[2]冯鹏，魏彪，何鹏，等.研究生专业课程《信号检测理论》教学改革的探讨与实践[J].教育教学论坛，2016（39）：140-141.

[3]景小荣，李强，陈前斌，等.基于Matlab的《信号检测与估计》课程教学改革[J].实验科学与技术，2012，10（2）：55-57.

[4]代少升，杜智慧.对《信号检测与估计》课程设置的构想[J].实验科学与技术，2013，11（6）：314-316.

[5]单洁，卢光跃，包志强.提高课堂教学效果的工科专业课教学法的研究与探索[J].高教学刊，2015（18）：112-113.

[6]王觅，贺斌，祝智庭.微视频课程：演变、定位与应用领域[J].中国电化教育，2013（4）：88-94.

[7]张克永，李宇佳，杨雪.网络碎片化学习中的认知障碍问题研究[J].现代教育技术，2015（2）：88-94.