新工科背景下信号处理类课群体系改革与实践

陈纯锴，汤春明，李秀艳，关雪梅

（天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387）

随着人工智能技术发展，对智能信息处理技术人员需求量增加，对信号处理相关专业的教学水平和人才培养质量的要求也不断提高.天津工业大学电子信息工程专业自 2000 年成立以来积极开展信号处理相关课程群的建设工作，按照学科特点和专业优势，在信号检测、图像处理、计算机视觉等方向进行教学改革与实践[1-2].同时，根据计算机、电子电路以及图像处理技术特点，优化专业培养方案结构，最重要的是进行课群改革，取得了显著的人才培养特色.目前，电子信息工程专业开设信号与系统、数字图像处理等信号处理类课程，它们都是核心课程.厘清课程间的前后关系、开设学期及对应实验实践课设置都很重要，所以在专业建设与课程建设中间增加了课群建设，信号处理课程群改革对本专业建设、学科特色的凝练都起到了积极的促进作用，取得了一些成绩，同时对其他高校类似的教学改革与实践也有重要参考价值[3-5].

1 基于新工科的信号处理类课程群体系

1.1 课程群体系构建

随着现代科学技术发展，新产业、新工科以及学科交叉日益增大，为适应国家倡导的创新创业的要求，高教司大力推动新工科建设，逐步形成“复旦共识”“天大行动”“北京指南”新工科建设的“三部曲”，在工程教育方面形成了具有中国特色的新工科新建设模式[6-8].2020年学校进行了新一轮的培养方案修订，根据电子专业特色及新工科建设新机遇，积极进行修订并确定了电子系统设计及应用、智能信息处理2个专业的培养方向.课程群建设是当前课程改革和建设的热点，随着学科的相互渗透和交叉，对原有课程建设进行改革，重新构建课程体系结构，从一门课程建设向课程群建设转变，电子信息工程专业课程体系由三大课程群组成（见图1）.

图1 电子信息工程专业课程体系

专业学生主要学习信息处理方面的基本理论，以信号处理与模式识别技术为核心，以电路理论与计算机为主要工具，探索对图像、语音、视频等信息进行处理、分类、理解.受到信息处理方面的基本训练，在信息处理及智能仪器、机器视觉及人工智能等领域深入研究，培养具有新工科为背景的新时代高级工程技术人才.在课程体系中以电路与场课群、计算机课群为两翼，信号处理课群为核心，形成了硬件+软件+算法的新课程体系，新体系中的信号处理课群无疑是建设的重中之重.

1.2 课程群建设目标

本次课程群体系改革根据新工科特点，对电子信息工程专业相关课程设置进行改革，将现代信号处理技术增加到原来旧的专业培养方案中.在培养模式上需要有一定的理论创新，形成以智能信息处理为方向，以图像处理、视频图像检测与识别为特色的人才培养模式，增强学生理论分析能力和实践动手能力，从而提高创新创业水平，获得高质量就业.以新工科模式对原来本专业课程重新组合，通过凝练特色，形成3个课程群.通过教学改革研究，以科研促进教学改革，加强高水平人才引进，打造一流教师队伍.以新工科建设为契机，做好人才与队伍培养工作，提升科研实力，打造一支动手能力强的高水平学术队伍.结合线下教学与线上教学，改革工程人才培养的新方法，在根本上撼动单向灌输的陈习，倒逼教师将更多的精力用于教学[9-12].

1.3 关键问题

CDIO 工程教育模式是2000 年后发展起来的，由构想、设计、实施和运作4个部分构成.根据工程教育模式构造了立体的信号课程群体系，修改课程内容，梳理课程相互关系，研究新的教学方法和评价方式.信号与系统课程以模拟信号分析求系统响应，采用三大变换方法进行变换域分析，利用系统分析工具、零极点图和梅森公式解决系统分析问题；数字信号处理课程侧重点在离散信号的分析，以离散傅里叶变换为核心，FFT 快速傅里叶变换进行算法分析和计算，IIR 和FIR 滤波器进行数字滤波的设计和计算，其中IIR 滤波器设计包括脉冲响应不变法和双线性变换法，FIR 滤波器则采用窗函数和频率采样法来设计；随机信号分析课程完成随机信号时域和频域分析；数字图像处理课程侧重二维空间信号图像预处理、图像增强、图像分割和图像检测等基本原理和处理方法.这样，在全局上进行设计，在课群组统一协调，可以避免知识点的缺失和重叠多次出现在不同课程的现象.

理论和实践教学分配上，打破各自界限，理论课与实践课教师必须一人完成，增加实践教学学时比例.按照课群整体优化的思路，对原有教学内容调整、更新和整合而成，从而做到在教学时数有较大幅度压缩的情况下，更好地满足培养学生理论基础扎实、知识面宽、能力强的要求.

2 课群建设方法

2.1 建设思路

课堂教学中，按照递进式进行理论内容的介绍，从简单到复杂的规律进行讲解.知识点之间有承上启下的描述，内容有由此及彼的归纳.在数学上定义，在物理上阐述性质，在工程上延伸应用.以理论知识为载体，在介绍基本理论中增加复杂工程问题的范例，锻炼学生思考分析问题能力和解决工程问题能力，提高科研和创新能力.根据这样课群建设思路，侧重优化课程内容和结构，提高教师授课水平以及增强学生工程分析和创新能力，发挥教师在课堂上的主导作用和学生的主体作用，改革教学方法，线上线下结合，加强教师和学生的互动与交流，并在机制上和评价上进行跟踪.依托科研、教学团队，提高教师科研教学水平.科研团队与教学团队可交叉融合但定位职责要清晰，做到教研相长[13-15].

2.2 CDIO 模式课群平台

CDIO 模式课群平台见图2，第1层是基础平台层，具体有信号与系统、数字信号处理和随机信号分析3门课程；第2层是专业核心层，包括数字图像处理、机器视觉、模式识别；第3层是特色模块层，包括人工智能导论、云计算、机器学习与大数据处理、语音识别.针对信号处理类课群的课程内容既需要深而多的数学知识，又与具体工程联系紧密的特点，按照课群整体优化的思路，对原有教学内容调整、更新和整合而成，从而做到在教学时数有较大幅度压缩的情况下，更好地满足培养学生理论基础扎实、知识面宽、能力强的要求.在2020 年培养方案制定中，按照CDIO 理念重新修订教学大纲.对联系紧密课程知识进行整理，避免知识交叉，课程组教师讲授课程不少于3门，并且3年一轮换，既增强教师的理论水平，又使得教学改革进一步深入.在教学过程深入融入CDIO 工程教育理念：构想、设计、实施和运作，加强大学生思考能力、全局分析能力、创新设计能力和实际动手能力.

图2 CDIO 模式信号处理课群平台

2.3 按知识点模块形式梳理教学内容

致力于：信号处理+案例库、信号处理+思政元素、信号处理+应用实践3 种模式.案例库来自课程组教师的科研以及指导学生的各类电子设计竞赛题目，按照3个知识模块进行分类，包括单片机信号处理，图像检测与识别信号处理以及语音信号处理；课程思政是近年来国家倡导的，在教学过程中对大学生的世界观、人生观进行引导，增加教学中科学家科学精神和坚毅攻关能力培养，构建了每门课程的思政元素案例库，教学中潜移默化引导和润物无声带入和教育；应用实践是改革的重点，按照上述构建的课程平台，增加实验比例，以科研促进教学，提高学生动手实践能力.

3 实践教学实施与效果

（1）2020 级培养方案已经实施，得到了学生和专家的广泛好评.国网电力科学天津研究院电源技术中心、天津天堰医教科技开发有限公司、天津易而速机器人公司等10 家企业的专家，同时天津大学、天津师范大学、河北工业大学相关专业教授对我校电子信息工程专业培养方案进行了评议，对该培养方案给予了认可与好评.

（2）面向工程需求，培养实践创新能力强的应用型人才.不断引进具有工程应用背景的综合性、设计性实验项目，创建了机器视觉实验室、天津工业大学-Xilinx 信号传输与处理联合实验室、飞思卡尔MCU/DSP 及应用实验室、物联网系统联合实验室4 个与现代电子信息技术相适应的先进联合实验室.这些实验室成为了学生创新实践基地.借助良好的实验条件，以培养学生创新能力为目标，本专业学生参加电子设计竞赛取得优异成绩.2020 年以来，在全国电子设计竞赛、机器人大赛、全国大学生生物医学电子竞赛、全国物联网竞赛中获得优异成绩.

（3）本专业和相关电子公司、图像处理公司建立实习实践合作，已有500 多名学生到企业进行了实习实践，企业反映学生动手能力强，基本功扎实，校外实习质量较高.专业教师前往天津经济技术开发区对多家高新企业进行了调研和参观，并与企业专家进行了广泛而深入的交流，加强了校企联合科技创新，促进智能信息处理技术产学研合作，为智能信息处理相关领域的产学研合作提供了新思路.

4 结语

本文以天津工业大学电子信息工程专业为例，介绍了以能力培养为主线、分层次的信号处理课群体系及其关系，提出了信号处理课群新体系、建设思路、理论实践教学结合新模式，按照信号处理+案例库、信号处理+思政元素、信号处理+应用实践3种模式组织教学，实施理论实践结合，提升学生工程能力和创新能力.通过2年的实践，信号处理课群建设与改革取得良好效果.