“信号处理与系统设计实验”课程实践教学探索

付洪威 乔柱 于泓

摘    要：文章针对“信号处理与系统设计实验”课程存在的实验模式单一、实验内容与理论课重复、脱离实际应用、实验学时较少等问题，明确了该门实践课程在信号处理课程群中承上启下的作用，并引入面向工程实践的教学理念，采用项目导学的教学方法，从课程的特点出发，在实验内容和实验方法上进行改革，以综合型实验为例探究培养具有工程素养的应用型人才的课程改革方法。

关键词：信号处理与系统设计实验;項目导学;语音端点检测;实践教学

中图分类号：G642          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2022）07-0045-03

随着互联网和人工智能行业的蓬勃发展，通信工程专业在就业方面受到很大冲击。如何培养符合企业需要的应用型人才是高校制订教学计划时必须考虑的重要因素。应用型人才是面向行业或企业的高级应用技术人员，不仅要掌握较强专业理论知识和技能，还要具有利用专业知识学习和创新的能力。2017年教育部正式发布了《新工科研究与实践项目指南》（以下简称“指南”），“指南”规划出的新工科研究与实践项目有新理念、新结构、新模式、新质量、新体系5个部分共24个选题方向。笔者结合“指南”提出的工程教育改革创新的理念和思路与多学科交叉融合的工程人才培养模式，在北京科技大学通信工程专业教学计划的框架下，参考“工程教育专业认证”“CDIO工程教育模式”和“课程群建设”的理念，对“信号处理与系统设计实验”课程的实践教学进行改革[1-3]。“信号处理与系统设计实验”课程作为信号处理类课程群的重要实践环节，在相关专业课程中起到承上启下的作用。同时，借助学院丰富的人工智能、计算机和物联网专业的教学资源，实验内容包含多学科交叉项目。此次实践教学改革充分调动了学生自主学习的兴趣，开拓了其跨平台视野和思路，提高了他们的创新能力，为培养具有工程素养的应用型人才奠定了基础，同时也带动教师在多学科交叉教学方面投入更多精力，为学科发展带来生机。

一、“信号处理与系统设计实验”课程的特点

“信号处理与系统设计实验”是北京科技大学通信工程专业的必修课，开设在第五学期。此时，学生已经修完“信号与系统”与“数字信号处理”课程，掌握了实验课程所需要的理论知识基础。这两门先修课程各占48学时，课内没有安排实验学时，课堂涉及的理论知识抽象，公式推导占比大，各种信号的变换易混淆，内容枯燥，学生理解起来有难度。“信号处理与系统设计实验”作为“信号与系统”和“数字信号处理”的衔接课程，开设目的是帮助学生理解理论知识，掌握信号处理的应用。

首先，实验课程内容涉及信号处理的奈奎斯特采样定律、傅里叶变换、经典滤波器设计等知识，需要学生具有扎实的理论基础。其次，实验课程采用的是硬件开发模式，需要学生具有在硬件开发平台上的Python编程能力。再次，实验课程中的综合型实验涉及到算法的设计与实现，需要学生具有查阅文献及科研能力。最后，实验课程采用项目导学方式，需要学生具有团队合作能力。综合上述特点，学生通过“信号处理与系统设计实验”课程实现了实验结果验证理论知识、理论知识解决实际问题的良性循环。

二、“信号处理与系统设计实验”课程内容的改革

信号处理是一门技术发展迅速、应用领域广阔的学科，无论是芯片的更新换代，还是算法和应用场景的升级，实验内容的一成不变必然会导致其落后于时代的发展，影响教学效果。“信号处理与系统设计实验”课程主要存在以下几个问题。第一，实验模式单一，学生使用Matlab对信号处理的理论知识进行简单验证，无法真正理解算法的含义，不能进行深入探究。第二，实验内容抽象，学生对实验内容不理解，缺乏直观感受，学习兴趣不高。第三，实验采用仿真方式，学生处理的为理想状态下的信号，无法应用到实际工程中，这样的实验内容不利于应用型人才的培养。

为了解决上述问题，笔者对课程和实验内容作出相应改进：第一，将Matlab验证算法内容放在理论课堂，结合图形和动画帮助学生理解卷积和频域变换等知识，但不作为实验内容。第二，从学生熟悉的多媒体信号处理入手，分析时域信号、频域信号的性质，应用IIR滤波器和FIR滤波器设计，采用Python语言编程实现部分算法，提高学生兴趣和动手能力。第三，从Github网站下载开源项目，将知网文章、科研项目转化为实验内容，搭建动态项目库，跟踪最前沿技术，鼓励学生参加竞赛，激发学生的探索精神和求知欲。

“信号处理与系统设计实验”课程一共16学时，包括验证型实验、设计型实验、综合型实验，在难度上是逐渐增加的，具体学时安排如表1所示。综合型实验是基础知识和基本技能的综合应用，实验内容涉及多个知识点，在验证型实验和设计型实验内容的基础上，侧重于知识点的关联性和系统性。学生可以根据自身的兴趣、能力选择音频信号或视频信号作为输入信号，对应不同的实验内容。音频信号处理实验中，音频采集实验使学生掌握采样频率对信号的影响，音频信号分析帮助学生直观地感受频域特征，合成音乐实验使学生了解频率与音调的关系[4]。制作伴奏音乐实验帮助学生理解通过硬件录制音频和通过文件读取音频对应的数据存储方式的区别，提高学生解决实际工程问题的能力。语音信号端点检测实验涉及语音信号特征提取、语音端点分割、语音识别等内容，帮助学生了解语音信号的频率特征，提高他们查阅资料、设计算法的科研能力。图像信号处理实验中，面部识别实验和图像边缘检测实验涉及到人工智能、Laplacian算子和Canny算子等内容，虹膜定位实验锻炼学生对上述算子的综合应用能力。学生通过综合型实验的训练，对信号处理的理论知识有了实际应用，为将来的知识扩展奠定了基础。实验内容难易结合，覆盖信号处理的主要知识点，包括采样、时域频域分析和经典滤波器等内容。EA98CD88-AC7D-4F78-B8A5-43AD3BCB0B54

三、“信号处理与系统设计实验”课程的教学方法

（一）硬件开发平台

实验设备采用片上资源丰富的FPGA开发板PYNQ-Z2，PYNQ全称Python Productivity for Zynq，即在原有Zynq架构的基础上，添加了对Python的支持，具有易上手性、可移植性、可扩展性以及便携性等优势。PYNQ借助Python语言本身易学易用、扩展库丰富的特性，有效降低学生的Zynq嵌入式系统的开发门槛，PYNQ将ARM处理器与FPGA器件的底层交互逻辑通过Python封装起来，执行import命令，加载对应的模块名称即可导入对应的硬件模块，完成底层到上层数据的交互。学生应用Python 进行信号处理类编程实践，并结合FPGA 和嵌入式系统开发的技术，可以提高软硬件协同综合设计的效率，非常适合学时短的实验教学。PYNQ-Z2开发板体积小便于携带，学生可以将实验设备借出使用。教师采用翻转课堂的方式，提前录制微课课件，撰写详细的实验指导书，为学生提供技术文档，学生可以在课前进行基础知识的学习，实验学时主要用于讨论和解决问题[5]。翻转课堂有效地打破了时间和空间的限制，更能激发学生的学习兴趣。

（二）项目导学方法

综合型实验在“信号处理与系统设计实验”课时安排中占比过半，实验内容需要推陈出新，从而激发学生的学习热情，使学生由被动接受知识转变为主动和互动获取知识，通过查阅资料来解决实际问题[6]。为了培养学生的工程素养，实验教学加强与科研、工程和生产实际的结合，设计出可供学生多角度、多途径、多方法进行思考和探究的实验项目[7]。由于综合型实验内容覆盖的知识点多，尤其需要学生具有综合应用能力，所以教师在教学上采用结合CDIO工程教育思想的项目导学方法，搭建的项目导学实验教学框架如图1所示。

以语音端点检测实验为例，项目导学实验教学方法中各个环节对应到项目管理的关系如图2所示。第一阶段，学生在动态项目库中选择语音端点检测实验作为实验项目，自由组队后，小组人员自主分解任务——这个环节对应项目立项。第二阶段，学生阅读相关技术文章，明确实验目的，经过教师审核通过后制定实验进度表——这个环节对应项目策划。第三阶段，学生分析语音采集方法和语音特征，研究短时特征双阈值检测方法、过零率及能量谱密度的含义[8-9]。学生通过对比分析双门限算法、梅尔频率倒谱系数的优缺点以及分析采集语音的噪声特征，论证后确定设计方案——这个环节对应项目设计。第四阶段，学生按照分工进行模块开发，分别实现实验中的算法——这个环节对应项目实施。第五阶段，学生将软件程序在硬件平台上联调，测试不同噪声环境下的語音端点检测结果，测试不同阈值产生的实验结果——这个环节对应项目测试。第六阶段，学生对实验数据进行分析，论证双门限算法的优缺点，完成答辩和撰写实验报告——这个环节对应项目验收。实验内容涉及到采样、快速傅里叶变换FFT、FIR滤波器、短时能量谱密度、语音信号特征等信号处理知识。学生完成实验后，可以在实验项目的基础上进一步拓展，参加SRTP大学生科研训练计划、ICAN大学生创新创业大赛等。综合型实验引入项目导学方法，使得学生、项目、教师三位一体，为学生就业或是从事科研工作打下坚实的基础。

（三）多维度考核方式

考核方式将平时成绩和过程性成绩相结合，其中过程性考核成绩占比80%。平时成绩由课堂出勤率、课堂回答问题情况及课堂实验参与情况进行评定，过程性考核成绩由实验内容完成情况、团队合作情况以及实验报告完成情况综合评定。教师综合考察小组的任务完成情况、各个学生的表现以及学生对实验过程中的问题总结情况、各个学生在任务中发挥的作用，并加入小组内互评环节，增加学生团队合作意识。

“信号处理与系统设计实验”课程改革着眼于信号处理核心课程群，采用项目导学与翻转课堂相结合的教学模式，通过搭建动态项目库为学生提供多层次、多学科交叉的实验内容。教师以学生为中心开展教学，秉承着“以人为本”的教育理念，遵循以学生为本，注重以互动式教学为核心的教学观念，构建有利于增强求知欲和创造力的课程教学模式。笔者下一步将继续在科研成果转化、工程应用领域方面以及交叉学科方面探索有利于培养应用型人才的实验内容，以适应行业新需求。

参考文献：

[1]方荟，冯慧斌，林文，等.应用型本科院校信号处理类课程群新工科建设初探[J].教育教学论坛，2020（1）.

[2]罗向龙，李晗，傅攀峰，等.新工科背景下通信工程专业信号处理课程群建设[J].教育现代化，2019（A4）.

[3]李爱华，晋刚.基于应用型人才培养的教学模式实践——以“数字信号处理”课程为例[J].科教文汇，2020（4）.

[4]易婷.基于音频处理的“数字信号处理”课程实验设计[J].电气电子教学学报，2020（1）.

[5]王艳芬，张晓光，张林，等.以“数字信号处理”课程为例进行渐进混合式教学模式的探索与实践[J].实验技术与管理，2020（12）.

[6]李艳凤，陈后金，黄琳琳.新时代背景下的数字信号处理课程改革[J].教育教学论坛，2020（22）.

[7]李敏，刘俊.“信号处理”课程群实验实践教学改革与实践[J].教育教学论坛，2020（23）.

[8]费宇泉，王英健，夏愉乐.语音端点检测算法研究[J].自动化技术与应用，2017（8）.

[9]孙慧芳，龙华，邵玉斌，等.基于过零率及频谱的语音音乐分类算法[J].云南大学学报（自然科学版），2019（5）.

收稿日期：2021-12-21

作者简介：付洪威（1978—），女，黑龙江海伦人，北京科技大学计算机与通信工程学院工程师，主要从事信号处理研究。

基金项目：北京科技大学本科教育教学改革项目“基于应用型人才培养的‘信号处理与系统设计实验课程群教学改革研究”（JG2020M29）EA98CD88-AC7D-4F78-B8A5-43AD3BCB0B54