案例引导的信号处理课程群协同教学模式实践探索

赵 地

玉林师范学院物理与电信工程学院 广西玉林 537000

一、概述

随着工业4.0的出现、“中国制造2025”战略的实施，工程教育与产业发展之间的联系更为紧密、其间的相互支撑更加迫切，教育部推出的“新工科”计划也对本科教育提出了更高要求。“新工科”下的人才培养，应该注重对其在学科知识融合技能方面的培养，注重创新精神和创新能力培养。作为人工智能和大数据时代排头兵的电子信息类专业，应致力于课程体系改革，教学与实践资源优化整合，不断强化应用创新与实践能力，切实提升学生综合素质及能力。信号处理课程群，作为电子信息类专业核心课程，其教学模式的改革研究与创新实践对推动新工科教育改革创新具有重要意义。

信号处理类课程已逐步成为自动控制、模式识别、计算机应用等学科的重要必修或者选修课程。针对电子信息类专业的信号处理课程群包括“信号与系统”“数字信号处理”“DSP原理及应用”以及“数字图像处理”共4门课，这些专业课程理论与应用并重，与实际工程联系紧密，对学生的知识与能力培养具有举足轻重的作用。

信号处理课程群内部各课程之间具有重叠知识点与相当程度的相通之处，但又具有各自显著的侧重点。传统教学模式存在以下明显问题：(1)各门课程独立授课，忽略了课程内容间的连贯性和衔接性。课程之间、知识点之间的关联薄弱，加上信号处理类课程理论性强，知识要点繁多且抽象，导致学生无法将知识有效贯通、学习效果不理想，不求甚解，学习兴趣降低。(2)重理论知识传授，对实践应用能力关注不够，忽视了课程与实际项目工程的紧密联系，导致学生普遍存在理论联系实际不足、原理和方法与应用脱节等问题。且各门课程实践内容之间缺乏紧密且统一的联系，难以形成连贯闭环的实践环节，加大了学生理解难度，且应用意义不明确，教学效果不理想。(3)教学内容更新相对新技术发展严重滞后。传统受限于课堂教学手段、教师的专业及科研能力等因素，相关领域的新知识、新技术和前沿科技成果不能及时增补进教学内容，致使学生能力培养滞后于社会需求。

因此，本文研究提出案例引导的信号处理课程群协同教学模式，该教学模式的主要思路为：设计贯穿课程群多门课程的典型应用案例，将其嵌入课程群教学过程；案例的实现过程对应课程群内课程知识要点的教学过程，促进各课程教学内容间的协同规划和紧密衔接；案例的引入、研究、解决过程，以实现兴趣引导、强化理解、驱动创新为目的，可帮助学生将课本知识和实际应用有机地结合起来，建立完整的知识体系。

二、案例引导的信号处理课程群课程体系

图1 案例引导的信号处理课程群课程体系框架

本文所研究的信号处理课程群包含“信号与系统”“数字信号处理”“DSP原理及应用”和“数字图像处理”4门专业课程。本课程群的课程体系如图1所示，其中，“信号与系统”“数字信号处理”紧密关联，同为核心基础课程，组成课程群的基础，是“数字图像处理”“DSP原理及应用”的前续课程；“DSP原理及应用”着重于数字信号处理系统的软硬件开发及应用，而“数字图像处理”着重于图像处理的方法及应用，则是“信号与系统”“数字信号处理”课程的应用实践。信号处理课程群的教学过程以理论教学和应用实践教学两条线索交叉贯穿始终，两大线索互为支撑，使学生在学习理论知识的过程中培养学生分析和解决实际工程问题的综合能力。

三、优化整合理论教学内容，促进课程群教学协同规划

按照本文所研究的案例引导的信号处理课程群协同教学模式的构建思路，首先对课程群内的课程内容进行整体规划，实现教学内容的优化和整合。

(1)剔除重复的知识内容，依课程体系逻辑及知识要点属性重新规划课程教学内容。例如，“信号与系统”的核心教学内容涵盖了连续信号及系统的时域分析、频域分析和复频域分析，离散信号和系统的时域分析、频域分析和z变换等；而“数字信号处理”的核心教学内容也包含有离散信号与系统的时域、频域和z变换。此部分在两门课程存在重复，可考虑大规模缩减或剔除其在“信号与系统”课程中的课时安排，在“数字信号处理”课程中对离散信号与系统的时域、频域分析和z变换进行深入讲解。这样一方面有利于确保知识要点属性统一，更易于学生对知识的接受和掌握，另一方面有利于精简学时，提升教学效率。

(2)强化课程群内课程的融合关联，突出贯穿各模块、各课程的主要知识线索，注重核心知识点的深入讲解。例如，频谱的概念及频域分析，该核心知识点贯穿“信号与系统”“数字信号处理”与“数字图像处理”三门课程。在“信号与系统”“数字信号处理”核心基础课程中对于该知识点的讲授，可将学生可见的图像频谱引入课堂教学当中，生动形象，减少理论知识部分的枯燥性和乏味性，通过提前给学生引入应用场景，激发学习兴趣。在应用课程，即“数字图像处理”课程中对于该知识点的讲授，则应当基于图像频谱特性增加回顾相关基础概念及关键理论，深化对支撑理论的理解，强化知识掌握。

四、案例引导课程群课程展开协同教学

案例引导，要求案例贯穿课程群多门课程，涵盖各课程关联的重要知识要点。协同教学，要求课程群各课程的教学过程有效衔接、互为呼应、知识线索清晰明了。因此，重点在于提炼贯穿课程群的主要知识线索，围绕核心知识要点，设计实现环节和步骤明晰、便于分解、对应知识要点及脉络清晰的典型案例。案例还要依托真实工程背景，具有实际应用价值，便于学生灵活运用、举一反三。

在具体教学过程中，可首先从案例的具体应用场景中形象化引入，激发学生对于理论知识的学习兴趣，提升课堂理论教学效果；逐步上升至理论，以理论为基础研究解决案例中的实际问题，直观感受理论与实际应用的联系，并在应用中强化对理论的理解；再用理论归纳、指导一类实际应用问题的解决方法，增强对知识的运用能力，驱动创新能力培养。可设计较为综合复杂的项目案例，也可用于实践教学环节，以项目为牵引，提升学生的工程认知水平，促进并夯实理论基础。

以案例“图像去噪”为实例，以下详解教学过程设计。此案例主要涵盖“信号与系统”“数字信号处理”和“数字图像处理”三门课程。该案例选取一幅实景图像(如校园风光)，对其添加噪声干扰，模拟受噪声污染的含噪图像。案例与课程教学主要相关对应要点为：

(1)主要知识线索——信号的频域分析。

(2)涵盖核心知识要点——一维连续傅里叶变换及性质(“信号与系统”课程)、卷积定理(“信号与系统”课程)、离散傅里叶变换及性质(“数字信号处理”课程)、数字滤波器设计(“数字信号处理”课程)、图像信号的频率特性(“数字图像处理”课程)。

(3)实现环节——对图像信号进行二维离散傅里叶变换，转换至频域空间；分析图像频率特性；设计滤波器进行去噪；对比理解图像空域滤波与频域滤波。

(一)从案例的具体化应用场景引入理论学习，激发兴趣

按照课程群的课程教学顺序，学生首先学习的是“信号与系统”“数字信号处理”这两门专业基础课，因而接触的与案例相关的知识要点是信号的一维连续傅里叶变换及其性质、一维离散傅里叶变换及其性质。这部分知识理论性强、涉及大量公式推导及计算，虽物理意义明确却抽象难懂。因此，以案例引导的教学操作中，理论讲解前先给学生展示图像的去噪效果，形象具体，以激发学习兴趣，且借助图像生动的表现方式及显著的效果有助于学生了解傅里叶变换的实际应用，直观上建立理论与实践的联系。

(二)多课程协同指导案例实现，理论与应用双向促进

在“信号与系统”“数字信号处理”课程中已深入讲解一维连续傅里叶变换、一维离散傅里叶变换的基础上，首先由学生自己查阅资料、拓展学习二维离散傅里叶变换，为在“数字图像处理”课程中学习图像的频域分析做好预备。图像的二维离散傅里叶变换的讲解应避免单纯公式推导计算的枯燥讲授，要注重课程间融合与关联，从一维傅里叶变换的意义及性质推广延伸，结合图像的生动展示，引导学生理解图像在频域中的幅频、相频特性，结合定义与性质分析图像的频率分布特性。可利用Matlab进行仿真演示，例如，选取校园风光的一幅图像，对其进行二维离散傅里叶变换，让学生实际观察变换后的结果，包括频域中能量分布特点，不同频率成分所对应的图像成分等(边缘、细节、噪声是图像中的什么成分？对应频域中的什么频率成分？频域中的低频成分对应何种图像成分)。

实现案例中的去噪任务，先进行引导启发式教学。以分组讨论、代表发言等互动方式发挥学生思考、学习的主观能动性：需要滤除的噪声在图像中有何特点？它在频域中如何表现？在频域中如何去除噪声？使用我们“数字信号处理”课程中学过的一维滤波器可以实现吗？教师进行进阶式发问，学生进行进阶式思考与探索，共同梳理出频域中图像去噪的算法流程、低通滤波器的设计思想与方法。

基于案例对比理解图像空域滤波与频域滤波。提出问题：图像去噪可以在空域完成吗?引出对已学重要知识要点——卷积定理的理解与运用。观察噪声特点可知，噪声在空域表现为图像中像素灰度值的突变点；若要去除噪声，应沿减小灰度值起伏这一思路寻找方案——由此，空域图像去噪可使用平滑滤波器实现。整个案例的实现，以信号的频域分析为知识线索，将傅里叶变换及性质、卷积定理、滤波器设计、信号频率特性等关键知识点全覆盖，在案例推进中层层深化，融会贯通。

结合图像仿真效果的演示分析，反过来引导学生深入理解傅里叶变换的公式、意义及性质，深化对支撑理论的理解，强化知识掌握。多课程协同，知识点衔接融合，有助于学生建立完整知识体系，提升解决实际应用问题的运用能力。

(三)案例分解小任务，分步自主实现促进实践能力提升

案例贯穿课程群，案例实现环节对应知识点分解，因此，分解后的每个小任务用于强化对应知识点，且任务量适中，难度适宜。课堂上首先进行理论讲解与分析，然后进行分组，由学生自行进行组内分工、任务分解分配，按约定时间完成后小组汇报完成情况及结论，最终由教师点评、总结。案例引导、任务驱动的教学方式，激发学生求知欲，锻炼自学及思考能力，教学效果良好。

五、效果分析与思考

案例引导的信号处理课程群协同教学模式下，案例先于单纯理论引入课堂，丰富课堂生动表现形式，有助于提高学生学习兴趣；通过案例促进课程群各课程的有效衔接和深度融合，提升知识教授效率，多课程融合强化学习效果，有助于巩固学生专业基础；分组互动研讨的方式丰富了学生的学习体验，有助于激发求知欲，增加学习主动性，培养创新思维。

与此同时，案例引导的信号处理课程群协同教学模式也为教师及学生提出了更高要求：要求教师有扎实的专业基础及良好的专业素养，对于课程群涵盖的各门课程相当熟悉，具备关键知识线索、核心知识要点的提炼、归纳、总结、综合运用及设计的能力；要求学生具备学习的主观能动性，踏实打好专业基础，能够及时查漏补缺。此外，传统信号处理类课程的教学内容更新相对新技术发展严重滞后，教学仍局限于对传统技术的讲授，致使学生能力培养滞后于社会需求。因此，授课教师要把握学科研究热点和方向，促进科研与教学的双向互动，在教学中适时适量的引入人工智能、机器视觉等前沿理论及科技的研究成果，使得教学与时俱进，一方面丰富课程本身的广度和深度，另一方面有助于培养学生创新能力和科学探索精神。

结语

本文论述了案例引导的信号处理课程群协同教学模式实践探索，以“图像去噪”为实例，详细介绍了课程群教学过程设计，具有借鉴意义。该教学模式重新统筹规划信号处理课程群各课程的教学进程，优化整合理论教学内容，设计聚焦核心知识要点，贯穿课程群的典型案例。从案例的具体化应用场景引入理论学习，激发学习兴趣；课程群多课程协同指导案例实现，理论与应用双向促进；案例分解小任务，学生分步自主实现，促进实践能力提升。该模式可帮助学生建立完整的知识体系，提高学生对信号处理类课程的理解以及工程实践操作的能力，提升综合运用知识解决实际问题的能力，达到创新应用型人才培养的目标。