新工科背景下信号处理类课程群建设探索

殷仕淑，王松涛，段凯宇

(安徽财经大学电子信息工程系，安徽 蚌埠 233041)

自从2017年2月“复旦共识”以后，“新工科”建设理念，在国内高校里引起广泛重视.新兴的学科门类、老学科的新型改造以及不同学科交叉产生的新生学科等都属于新工科范畴[1,2].电子信息工程专业是一个培养具备电子技术及信息系统的基础知识，能从事各类电子设备和信息系统研究、设计、制造、应用和开发的工程技术人才.在建设新工科背景下，电子信息工程专业可以通过转型和改造，升级为新型工科专业.为此，其传统课程体系需要进行改造和优化[3].为了提高教学效果，应采用新的有效的教学方法.本文以安徽财经大学电子信息工程专业为例，拟从教学内容和教学方法两个方面，对由《复变函数与积分变化》《信号与系统》和《数字信号处理》等课程构成的信号处理类课程群改造建设进行探索.

在安徽财经大学电子信息工程专业里，《信号与系统》和《数字信号处理》分别被设为专业基础课和专业核心课.《复变函数》作为必修的工程数学课程，设在大二上半学期完成.另有《数字图像处理》和《语音信号处理》作为专业拓展选修课，主要由本专业大三生和大四生选修.教学方法主要是传统的理论知识满堂灌,辅以少量实验课的形式.然而，考虑到目前大数据、人工智能和互联网+等新一轮的科技革命，以及中国制造2025国家战略的需要，现有陈旧教学内容和课堂理论教学模式培养出来的毕业生离新经济发展的需求有不小的距离[4,5].

1 教学内容优化

图1显示了我校现有信号处理类几门课程教学内容之间的相互关系：

图1 现有信号处理类课程群主要教学内容

在上图中，Z变换、拉氏变换、连续时间傅里叶变换和离散时间傅里叶变换等可以看成是把信号从时域转换成变换域的数学工具.信号的频谱分析是理解模拟信号和数字信号频域特性的基础.滤波器的结构与设计部分考虑到系统的实现与应用.作为选修课的《语音信号处理》与《数字图像处理》则由于课时少，几乎只能完成一些基本概念的教学和演示性实验教学.

为了响应建设新工科的理念，需要把新一轮科技革命核心技术：智能制造、人工智能、大数据和互联网+等相关内容引入现有教学内容中，实现专业课程教学内容优化升级[6,7].对于电子信息工程专业的信号处理类课程而言，可以尝试从三个方面去优化教学内容：(1)优化基础课和核心课现有教学内容；(2)引入DSP芯片技术及FPGA技术的应用和开发；(3)引入语音及图像信号智能化处理新内容.经过调整，建议的信号处理类课程群包含:a.基础课程：《复变函数》和《信号与系统》；b.核心课程：《数字信号处理》；c.素质拓展课程：《FPGA芯片技术》《DSP芯片技术》《深度学习：语音识别》和《数字图像处理与机器视觉》.强调信号处理主题，简化基础课程和核心课程现有教学内容.例如，由于z变换在数字信号处理领域的重要性，复变函数课程教学就以级数及留数概念为重点教学内容，其他相关内容只做简单概念陈述与简单举例.在数字信号处理课程教学中，以理解滤波器概念及工作原理为主要目的，理清DTFT、z变换及DFT之间关系，对于FFT工作原理，可让学生自修.在压缩现有基础课核心课教学内容之余，增加两大类新核心技术知识：芯片技术类及人工智能类，代替现有语音及图像信号处理等较陈旧内容.新增拓展课程教学内容可由课程组结合时代发展，自行安排.图2展示了安徽财经大学电子信息工程专业对新增课程教学内容的初步探索.

图2 新工科建设理念下信号处理类课程群建议教学内容

图2中两大类新核心技术知识课程教学，建议采用小项目制去完成教学任务，不强制教学课时的设定.完成图2课程群教学任务后，学生对信号处理有较全面的了解，可以在芯片开发或人工智能方面进一步发展[8].

2 教学方法改革

现有的教学方法大多还是满堂灌模式，老师在黑板前面滔滔不绝，学生在下面沉默不语.实验课教学内容也大多是验证式和简单模仿式的，把老师准备的例子改改参数之类的.这种教学模式不再适用于调整后课程群的教学任务.如果不改革，即便是课程内容更新了，教学效果依旧很差，学生达不到在芯片开发或人工智能方面有进一步发展的直接可能，除非进入某些以盈利为目的的专业培训机构再培训.应该看到，旧的教学方法与培训机构培训方法之间最大不同在于培训机构一般采用项目制.因此，为了真正达到教学目的，弱化理论教学满堂灌的模式，加强实验教学环节，在DSP芯片技术、FPGA芯片技术及语音图像信号智能处理课程环节，采用项目制教学模式.要求学生至少完成两个学分选修课程学习.通过动手体验，激发学生学习兴趣，引发思考，解决问题等，真正提高教学效果，完成教学任务，培养合格人才.

需要注意的是，为了完成课程中设置的小项目，学生需要基本会用C语言、MATLAB语言和硬件描述语言.《C语言程序设计》作为基础课开设在学生大一期间.MATLAB内容没有独立开课，相关教学内容包含在《信号与系统》及《数字信号处理》实验课程教学中完成(见图2).硬件描述语言在现有课程《EDA技术与应用》中介绍.由于课程课时有限，需要精心设计小项目实验内容.从图2可以看到，四门新增拓展课程教学内容不多.以FPGA芯片技术课程为例，教学目的实现3个小项目，从简到复杂.第一个简单项目帮助学生迅速了解FPGA工作原理.精心挑选小项目内容“数字滤波器实现”，可以与核心课程教学内容紧密衔接.最后实现对图像简单的中值滤波处理.再如，新增语音识别课程的教学内容只有一个，用深度神经网络算法做语音识别.在数字图像处理与机器视觉课程中，可以对学生分项目组，分别进行相关主题项目实现；并采用汇报或者演讲方式进行分享和交流等.

安徽财经大学虽然是财经类院校，但也积极响应教育部的“新工科”建设理念，大力支持电子信息工程专业进行专业改造升级.本文对专业信号处理类课程群建设的探索得到学院支持，将在未来几年里进行实施，并允许根据未来几年经济社会发展的需求进行及时调整和修订.可预见，通过升级课程群，采用项目制的教学方法，毕业生可以很快很好的适应新经济产业对人才的要求.

3 结语

在建设新工科背景下，本文对电子信息工程专业的信号处理类课程群升级改造进行了初步探索.把新一轮科技革命的核心技术知识纳入教学内容，为了提高教学效果，达到教学目的，采用项目制教学方法.完成学习后，学生对信号处理技术应有较全面的了解，可直接适应国家新经济发展的需求.

参考文献：

[1]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017,(3):26-35.

[2]吴爱华.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究,2017,(1):1-8.

[3]庞慧敏.盼“新工科”缩短书本到企业的距离[N].工人日报，2017-05-19.

[4]张海生.“新工科”建设的背景、价值向度与预期效果[J].湖北社会科学，2017,(9):167-173.

[5]陈劲.人工智能与新工科人才培养：重大转向[J].高等工程教育研究, 2017,(6):18-23.

[6]许涛，严骊，殷俊峰.创新创业教育视角下的“人工智能+新工科”发展模式和路径研究[J].远程教育杂志,2018,(1):80-88.

[7]朱君.“新工科”创新理念的电子信息类专业基础实践教学改革[J].实验技术与管理,2017,(11):171-173,177.

[8]叶宏.新工科创新人才培养与学生能力评价方式改革研究[J].中国教育现代装备,2017,(10):35-37.