基于工程认证的数据压缩与编码课程建设

白恩健 吴 张光林

摘  要：针对电子信息工程专业数据压缩与编码课程的教学实际，基于工程教育专业认证的教学目标，提出以学生为教学活动主体实施课程教学设计，并从教学大纲、教学方法、课程项目、考核评价和持续改进等方面说明具体措施，达成课程对专业毕业要求的有效支撑。

关键词：工程认证;课程项目;数据压缩;CDIO

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：2096-000X（2019）05-0074-03

Abstract： According to the teaching practice of data compression course and based on the teaching goal of certification of engineering education major， this paper puts forward the implementation of curriculum design with students as the main body of teaching activities， and illustrates the concrete measures from the aspects of syllabus， teaching methods， curriculum items， assessment and continuous improvement， so as to achieve the course effective support for graduation requirements.

Keywords： engineering education professional certification; course project; data compression; CDIO

一、概述

工程教育認证主要倡导学生中心、产出导向和持续改进三个基本理念。学生中心理念强调以学生为中心，围绕培养目标和毕业要求的达成进行资源配置和教学安排;产出导向理念强调教学设计和教学实施以学生所取得的学习成果为导向;持续改进理念强调专业必须建立有效的质量监控和持续改进机制，能持续跟踪改进效果并勇于推动专业人才培养质量不断提升[1]。基于工程教育专业认证的理念，课程教学需支撑毕业要求的有效达成，要求教学改进教学方法、优化教学内容[2，3]。基于CDIO的项目驱动教学方法，以学生为主，教师教学为辅，将理论与实践充分的融合起来，提高课堂活跃度，使学生主动地接受知识，激发学生的创造力[4]。项目驱动教学是课程教学有效支撑毕业要求达成的重要手段。

数据压缩与编码课程（4学分，64学时）是我校电子信息工程专业的核心专业方向课程，主要讲授数据压缩的基本原理、实用技术、技术标准和具体应用。“数据压缩”作为信息时代数字通信、大众传媒和多媒体技术的共性关键技术，对提高学生理论与实践方面的能力发挥着重要的作用[5，6]。通过课程建设，使学生在软件、硬件和算法理论方面的学习成果得以融会贯通，培养学生解决复杂工程问题能力，支撑毕业要求的有效达成。

二、工程教育专业认证体系下的课程教学大纲

传统的教学大纲在制定过程中缺乏对专业特色和人才培养目标的宏观把握，课程教学目标与教学内容的指向性不明确。为保证专业培养目标的有效达成，根据工程教育认证的要求，各教学环节对人才培养目标的贡献，专业人才培养目标中的知识、能力和素质，学生学习该课程的预期效果等均应系统写入课程的教学大纲中，确保不因为任课教师的改变而随意更改教学内容。

信号类课程群是我校的一个教学团队，承担梳理知识脉络体系、鉴定和评价课程教学、督导课程持续改进的重任。包含信号与系统、数字信号处理、DSP原理与应用、数字图像处理以及数据压缩与编码等课程融合建设。在该课程体系中，信号与系统突出理论基础，数字信号处理以信号处理算法研究为主线，突出研究性学习，DSP原理与应用突出信号处理算法在工程中的硬件实现，数字图像处理和数据压缩与编码课程突出软硬件仿真及研究项目驱动。通过团队集体讨论、研究教学目标、课程教学内容等，形成制定课程大纲的编制思路，由任课教师执笔完成大纲书写，经过团队集体审核后在教学过程中实施。

教学团队组织集体学习电子信息工程专业的12条毕业要求，理解工程教育专业认证标准的内涵，结合区域发展和专业定位，依照毕业要求按专业培养目标确立课程教学目标，构建教学目标毕业要求关系矩阵（表1），并根据教学目标进行教学设计（表2）。

本课程的教学目标为：1. 了解数据压缩领域的研究现状与方法，能够理解研究应具备的知识和能力（支撑毕业要求12.1）;2. 能够利用信息论的理论和方法讨论压缩技术，为设计无损压缩和有损压缩方案搭建技术框架，设计编码方案（支撑毕业要求2.3）;3. 了解JPEG、MPEG等图像、音频和视频压缩的国际标准，能准确分析不同标准的优势和问题（支撑毕业要求6.1）;4. 能从工程实际出发，选择合适的编码方案，完成软硬件设计与实施（支撑毕业要求9.1）。

三、课程教学设计

（一）教学方法

根据教学目标，本课程以课堂教学、课外作业、仿真实验、课程项目等共同实施。针对毕业要求的具体指标点，紧密联系工程实际，以数据压缩算法设计与应用为根本出发点组织教学。采用结合工程实际的案例教学方法：教学中始终以结合工程实际为主线，采用多媒体与传统板书相结合方式、同时辅以案例教学，突出工程实践的应用能力培养。如针对常见的电子产品包括手机、电视、数字监控等介绍数据压缩的技术标准，以此提高学生的学习热情。如以手机通信系统为案例，介绍信号从端到端传输的过程中是如何实现的，用到本课程的哪些具体内容和分析方法，以此让学生明白课本知识的具体工程应用，同时也解决了知识割裂的问题，使学生能开始站在专业的角度去理解信号与系统、数字信号处理、电磁场、通信电路等课程，逐步融汇贯通，建立专业知识体系。

为实现教学目标，增强课堂互动，让学生能“抬起头、动起脑”，采用启发式、讨论式和研究式等教学方法，开展项目驱动教学。由教师设计相关的课程项目，然后将学生分成不同的项目小组，去完成教师布置的项目任务。在整个过程中，以学生为主体，教师起到指导作用，让学生自己动脑、动手，充分提高学生积极性，激发他们的创造力。

（二）课程项目

本课程在整个专业课程体系中，需对综合规划能力、团队组织能力、终身学习意识与发展适应能力形成有效支撑，因此在实践教学方面设计软件仿真实验和工程设计项目。

软件仿真实验：采用C、Pathon或Matlab等语言，对文本、语音、图像和视频进行压缩处理，目的是通过软件实验来理解数据压缩中涉及的一些主题，一个预期实现的目标是学生在学习本课程后可以自行开发压缩软件包，从而更好地体会不同数据的特性以及不同压缩算法中涉及的各种因素权衡。同时针对学有余力的学生还可以通过软件仿真实验开展研究性学习。例如基于小波变换的图像压缩编码不是本课程的课内教学内容，可以选拔能力较好的学生课后自行研究这部分内容，通过软件实验的方法与离散余弦变换的方法进行对比，培养学生的研究能力。

课程项目：本课程讲授G726、G722、JPEG，H261、H264等众多国际标准，如何让学生更好的理解和应用这些标准需要认真研究。通过设立基于DSP的语音压缩数据通信课程项目，让学生综合运用数字信号处理、信号与系统等课程所学内容，了解ADPCM编码器的基本原理，着重从自适应量化和自适应预测两个方面来实现G726编码器和解码器，结合数据压缩与编码课程的内容实现语音压缩数据通信系统的硬件环境搭建、程序设计实现和结果测试。本项目所需的硬件包括两块具备DSP的开发板和音频子板，通过RS-232电缆连接收发系统，并将话筒和耳机分别连接到两个音频子板插孔上。本项目的原理是当一个用户对话筒说话时，音频子板的模数转换芯片将采样和转换成数据后送到第一块开发板的数字信号处理设备上。数字信号处理设备将使用G726A编码器压缩语音信号，然后通过RS-232接口传输帧数据到第二块DSP开发板。再由数字信号处理设备使用G726A编码器对帧数据进行解码，然后通过音频子板上的模数转换芯片转换成语音信号输出到耳机。通过该课程项目训练学生的沟通能力、团队协作能力和知识综合运用解决复杂工程问题的能力。

（三）过程考核

本课程的综合成绩由平时作业、出勤、仿真实验、课程项目和期末考试组成。对于学生学习效果的评价，注重过程考核，强调平时的课堂表现、实验完成情况和项目完成情况。例如，针对“冗余度、相关性、熵”等容易混淆的概念，设计问题，并通过讨论课请同学发表自己的看法，在讨论中得出正确的结论，达到举一反三的目的，教师在此过程中组织大家分析讨论并认真记录学生表现，以此作为课堂表现的成绩。

针对学生个体的情况，分层教学、因人施教。对于学习能力一般的学生，以验证性实验为主，教师辅以个别点拨让他们掌握分析问题的思路和解决问题的方法。对于能力突出的学生，鼓励他们开展研究性学习，了解学术前沿，给予一定的成绩奖励。

软件实验的项目从实验原理（权重0.3）、实验方法（权重0.4）和实验报告（权重0.3）三个方面进行评价，教师以问题问询的方式对学生是否掌握实验原理以及实验方法的正确性进行评价，避免只看报告打分，也可以一定程度上杜绝抄袭等现象。

课程项目的评价从项目完成度（权重0.6）、项目答辩（权重0.3）和项目报告（权重0.1）三个方面开展。通过答辩，锻炼学生的表达能力和沟通能力。

本课程各部分的成绩比例为出勤5%，作业及课堂表现13%，仿真实验12%、课程项目20%，期末考试：50%。

（四）持续改进

信号类课程群教学团队聚焦“评学”，定期开展面向产出的课程体系合理性评价和课程质量评价。组织审核课程教学能否对毕业要求形成有效支撑，并给出课程改革的建议，通过听课、查阅教学记录、试卷等进行监督。本课程在每学期教学结束后对教学目标的达成情况进行量化分析，撰写课程考核报告，认真分析对毕业要求是否构成有效支撑，进而分析存在的问题，以便后续教学中能够持续改进。

四、结束语

目前各高校正在开展本科教学秩序整顿工作，查找课堂建设中存在的突出问题和薄弱环节。通过打造有深度、有挑战的课程提高课程质量，对大学生合理增负。数字压缩与编码课程作为高年级的专业方向课程，承担着对过往所学课程融会贯通的重任，教学的重点应着眼于能力培养。因此，在课程建设过程中注重以学生为中心，转变教育理念，从“教知识”转变为“培能力”。理解学生个体差异，转变教学方法，从“灌输为主”转变为“讨论为主”。注重过程考核，有效地培养学生掌握自我摸索学习的方法。本课程的实践将为其它专业核心课程的建设提供良好的建设经验。

参考文献：

[1]高小鹏，吕卫锋，马殿富，等.工程教育认证提升专业建设水平[J].计算机教育，2013（20）：18-23.

[2]穆浩志，薛立军，牛兴华.工程教育专业认证背景下工程制图课程大纲的改革与实践[J].图学学报，2016（5）：711-717.

[3]林姗，李浩.基于工程教育专业认证的数字逻辑课程改革[J].计算机教育，2018（7）：58-60，64.

[4]周洪波.基于CDIO教育模式的高校创新人才培养探究[J].高教学刊，2018（21）：30-32.

[5]吳乐南.贯穿于数据压缩课程的问题教学法[J].中国大学教学，2010（11）：46-47.

[6]付慧，黄心渊.数字媒体技术专业之“数据压缩”课程建设[J].计算机教育，2009（6）：71-73.