《数字信号处理课程群》少课时教学模式探索?

摘　要：简单介绍数字信号处理课程群体系，为了合理安排课时，从教学内容、教学计划、师资队伍、教学资源建设四个方面进行探讨。

关键词：课程群建设；少课时；信息类专业

1  引言
　　信息化时代如何培养出优秀毕业生？这需要高校根据社会需求，不断调整培养目标、完善培养模式。“课程群”是近年来我国高等教育大力提倡的一种课程建设模式，具有综合性强、整体性高，能够较大幅度地提高课程教学质量和学生专业水平。在高校普遍实施教学改革、课时紧缩的背景下，以提高专业的总体教学质量为目标，研究课程之间的关系并有效地进行课程群的整体优化有着积极的现实意义。
2  课程群体系介绍
　　课程群是为完善同一施教对象的认知结构，而将本专业或跨专业培养方案中若干门在知识、方法、问题等方面有逻辑联系的课程加以整合而成的课程体系，具有相关性和整合性。
　　结合专业具体情况，电信系构建的数字信号处理课程群包含以下6门课程：信号与系统、数字信号处理、DSP技术基础、MATLAB程序设计、数字图像处理、多媒体技术[1]。它们的培养目标都是为了让信息类学生具有扎实的专业知识，具体如下：
　　信号与系统：通过理论教学，使学生牢固掌握信号与系统的基本原理及基本方法，深刻理解信号处理的数学概念、物理概念及工程概念，为学生进一步学习后续课程打下坚实的基础。
　　数字信号处理：学习该课程使学生掌握利用DFT理论进行信号谱分析，以及数字滤波器的设计原理和实现方法，为学生进一步学习有关信息、通信等方面的课程打下良好的理论基础。
　　DSP技术基础：通过对课程的学习，巩固和加深对数字信号处理理论的认识，为将来在工作中能够熟练地使用各种DSP器件去实现复杂的数字信号处理算法打下坚实的基础。
　　多媒体技术：使学生具有使用计算机对语音和图像进行处理的能力，了解多媒体协同系统的原理和设备，对于一个数据处理系统具有初步使用、研究和开发能力。
　　数字图像处理：通过对课程的学习，使学生了解数字图像的基本概念和原理，掌握数字图像处理的理论基础和技术方法，为将来从事相关领域工作和科学研究奠定基础。
　　MATLAB程序设计：学习该课程的目的是使学生掌握MATLAB语言的基本编程技能，同时学会使用该软件对各种具体问题进行研究的基本方法，为从事科学研究奠定基础。该课程内容渗透于课程群的每一个角落，把所有课程紧密联系在一起，构成数字信号处理课程体系。CCSLink是MATLAB中的一个工具箱，它提供了MATLAB、CCS 和DSP 目标板的接口，利用此工具可以像操作MATLAB变量一样来操作DSP 器件的存储器和寄存器，使学生可以在MATLAB 环境下完成对DSP 的操作，方便对DSP 应用系统进行开发。MATLAB语言是一种系统仿真和建模语言，课程群中其他课程的实验，都是基于MATLAB软件来实现。
　　数字信号处理课程群的整个课程体系犹如一座房子：“信号与系统”是这座房子的根基，必须牢固可靠；“数字信号处理” 作为房子的重要支柱，树立起整个课程群的框架结构；“DSP技术基础”是房子的围墙，以地基和支柱作为依托，软硬件结合把理论转变为现实；“数字图像处理”和“多媒体技术”作为房子的屋顶，属于顶层应用类课程；“MATLAB程序设计”是这座房子的设计图纸，房子的每一个部分都需要经过图纸的反复验算；而安排的课时好比建造这座房子所需的建筑材料，必须合理支配，不能浪费，这样才能合理节省课时，实现少课时教学模式。
3  课程群建设
　　3.1  合理构建数字信号处理课程群的必要性
　　数字信号处理课程群中，多数课程是电子信息工程系电子信息工程、通信工程、测控仪器与仪表、计算机应用四个本科专业的主干课程，也是学生考取信息处理类专业硕士研究生的主要专业课程。各任课教师在专业建设、精品课程建设等方面取得了很大的成绩，具有较强的示范作用。但是单门精品课程的建设相对于整个课程体系而言属于局部优化，仅强化单门课程的建设容易引发如下问题：
　　（1）授课内容缺乏统筹安排，虽然课程各自都具有成熟的理论，但为力求自身课程体系的完整，知识点的重复性和不相关性问题比较严重。既浪费了学时，又加重了学生学习负担，甚至引起概念混淆[2]。以西安电子科技大学出版社的教材为例，“信号与系统”教材和“数字信号处理”教材中都介绍了模拟信号的傅里叶变换，但是前者以代表模拟角频率，而后者以代表模拟角频率，以代表数字角频率。
　　（2）课程负责人各自为政，不利于师资调配和教师队伍建设。授课内容缺乏统一性、系统性，教学过程配合不好，没有形成有机的整体，实践环节的配合容易出现偏差，学生做实验时候，相关知识点课堂上还没讲到。
　　（3）缺乏整体概念，对所学的课程应用意义不明确，加大了学生理解难度，使学生形成畏惧心理，对后续课程的学习丧失兴趣和信心[3]。比如“信号与系统”容易被当成数学课来教学，许多学生不懂学完这门课程有什么用途，体现不出课程在学科中的意义。
　　（4）实验内容各自应用范围较窄，重点不突出。受师资、实训条件限制，培养的人才知识滞后，技能不强，岗位适应能力差。
　　在此情况下迫切需要更新课程群的教学内容，组织构建新的教学体系。
　　3.2  “数字信号处理”课程群少课时教学模式探索
　　基于学校培养应用型人材的办学方针，以及信号处理在许多技术领域的应用前景，需要对培养计划进行认真研究，修订各课程的教学大纲，并以大纲为依据确定授课内容，从以下4个方面对课程群少课时教学模式进行探索。
　　（1）各课程内容安排上衔接紧密，取舍得当
　　课程群建设区别于单门课程建设的重要标志在于课程体系建设和在其基础上的课程教学内容优化与整合，优点是利用相邻课程在时间和内容上的衔接关系压缩重复内容，减少课程学时数，并利用课程内容上的关联性相互支撑、强化，对具体内容适当取舍，实行大课程建设。
　　根据专业基本要求、特色及学校的定位，深入研究课程群中每门课程的相互联系及实践环节，以构建数字信号处理课程群为平台，突破学期、授课教师、课程各自独立的局限，实现总体设计、协同配合的新模式。在确保课程群体系完整性、系统性、连续性和发展性的同时，以培养学生的分析应用能力为目标，从信号处理基本内容出发，通盘协调各门课程的教学内容与重点。从概念、技术方法到实际案例 介绍，做到整体一贯、前后衔接、避免重复、冲突和不一致的现象。将课程进行有机融合组成课程群进行研究和建设，再把内容进行设计与分解，实现课程体系的优化。课程群中所有课程主要包含的内容如下：
　　MATLAB程序设计：数学运算；基本编程；数据显示及存取；数值计算；符号计算；图形用户界面；Simulink仿真。
　　信号与系统：基本概念；连续信号与系统的时域、频域、复频域分析；离散信号与系统的时域、Z域分析。
　　数字信号处理：时域离散信号和时域离散系统的时域、频域分析；离散傅立叶变换及快速算法；时域离散系统的网络结构；无限脉冲响应数字滤波器的设计；有限脉冲响应数字滤波器的设计。
　　DSP技术基础：芯片结构原理；指令系统；汇编语言程序开发工具；Simulator和CCS集成开发工具的使用方法；汇编语言程序设计；TMS320C54x的软硬件应用。
　　数字图像处理：图像数字化；基本运算；图像变换；图像增强；图像复原；彩色图像处理；图像编码；图像检测与分割；图像表示与描述；图像识别。
　　多媒体技术：数据的压缩与编码；数字图像处理基础；颜色的度量体系；颜色空间变换；小波与小波变换；MPEG概要及MPEG声音；H.264编解码器及熵编码；多媒体的存储；多媒体的传输。
　　通过对课程内容重新规划、设计，以MATLAB语言为仿真工具填补仿真建模的空白。删除课程间内容的重复，实现课程内容的优化整合。如“信号与系统”与“数字信号处理”两门课程中都包含离散信号与系统的时域、Z域分析，可以把这部分内容归到其中一门课程，避免重复授课。数字信号处理课程群充分体现了课程群的相关性和整合性[4]。
　　（2）根据授课内容，制定周密授课计划，期末及时总结调整
　　在课程群建设过程中，要根据最新的本科生培养计划要求和各学科当前发展的需要，详细考查各门课程的授课内容，对课程群中各门课程大纲进行修订[5]，课时安排见表1。
　　表1 课程设置及教学时间安排

　　教学内容的设计要求任课教师的沟通与合作，共同制定新的课程群教学大纲与教学进度，而课程群教学设计主要内容包含教学内容设计、教学大纲制定、教学进度衔接等。
　　考虑到MATLAB软件分析、建模的重要性，把它安排在第四学期。这个阶段学生已经学完大部分的基础课程，有一定的理论基础和专业知识，能够轻松学习MATLAB语言，把MATLAB的应用逐渐结合到专业上来。之所以没有安排较多的学时，是因为MATLAB语言应该在后继课程的应用中学习效果更好。
　　“信号与系统”共48学时，其中安排8个学时的实验，让学生了解一些用MATLAB辅助分析信号与系统常见问题的基本方法和过程，要求学生通过实际操作，培养独立分析和独立实验的能力，深化课堂学习过的专业知识。原先安排64个理论学时，经过课程群内容重新定位，把一部分教学内容与数字信号处理课程整合，节约了课时。
　　“数字信号处理”共48学时，安排16个学时的实验，培养使用MATLAB软件工具进一步领会和深化课堂上学到的有关数字信号处理的基本概念、基本原理以及基本的信号处理操作及滤波器设计方法。由浅入深地通过对基本原理的验证、基本技术的使用、设计与实现，使学生进一步深化对相关理论和方法的理解，循序渐进地培养学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力。
　　原先 “数字信号处理”、“多媒体技术”、“数字图像处理”课程都有安排一周时间的课程设计。考虑到它们同属于实践要求比较重的课程，在统一协调下，围绕共同的目标，把它们合并为“数字信号处理课程设计”，放在第七学期。因为此时整个课程群学习结束，学生具有较广的专业知识面，可以从硬件或软件、不同的应用等多角度来做课程设计，尽可能避免出现课程组教师每个学期疲于出题，而学生总抱怨每个学期都是几个相同课程设计题目的情况发生。课程设计的任务应当提前布置，并给学生较大的发挥空间。要求学生在平时学习中，结合自己的兴趣来完成，期末用一周时间进行内容完善和考核[6]。
　　（3）建设先进师资队伍
　　课程的教学理念和目标需要由任课教师的课堂教学来实现，所以教师队伍的教学能力至关重要。教学团队建设以数字信号处理课程群建设为重点，以学科专业建设为导向，以人才培养为目的，最终实现资源共享、聚集优势力量、形成有一定影响力的教学团队。
　　队伍结构上，由课程群负责人、任课教师组成。课程群负责人承担课程群建设的总体规划、人员调配等工作，并能胜任多门课程的教学；任课教师应了解课程群内所有课程的基本内容。课程群教师定期举行教研活动，共同探讨课程的相互协调和内容体系改革。
　　教学组织上，采取教师每年交叉轮换的方法，这样做可以扩展教师知识的深度和广度，加深对信号处理学科知识体系的整体理解和把握。实践环节的课程由课程主讲老师负责指导，有利于理论和实践的有机结合。
　　教师培养上，基于课程群制定了年轻教师的培养计划，在新教师开始上课之前，先安排一学期听课计划，至少听两门相关课程；教新课时，课程群负责人在开始、中期、末期不定时跟踪听课、指导；在每个期末，课程群负责人根据听课情况、学生评教和同行评教情况，对年轻教师进行相应的指导。
　　科研组织上，鼓励青年教师申请课题，吸收没有课题的教师参与科研工作，以科研促教学；在教师的专业能力和水平得到提高的同时，教师的科研成果可以直接丰富课程的教学内容，成为科研反哺教学的示范与典型。
　　（4）资源环境建设
　　为了实现课程群资源共享，必须建设课程群网络教学平台，为群内课程提供多个教学资源的交流、协作、资源互补及信息的共享。网络教学平台进入高校后已显示出其作用。但是美国教育学专家认为：“教育者仅仅考虑如何把交互网络引到教室里显然是远远不够的，它本身不能产生任何教育作用。只有真正把交互网络和学校的教学目标及学生的学习过程紧密联系在一起时，才会发挥出巨大的教育价值。”
　　课程群网络教学平台应包含课程理论教学和实验教学的大纲、电子教案、网络课件、教学录像、例题及其习题解答、实验指导书等，同时设有自我检测、自由讨论等功能。开展保证学生自主学习的网络课堂，设计适合学生自主学习的课程网络架构。任何一个学生可以享有课程群的教学资源，比如学生进入“天空教室”平台后，输入公共账号、密码，即可得到丰富的网络教学平台 学习资源，可以通过友情链接，访问精品课程网站。
4  结束语
　　课程群建设是个长期、艰苦的历程，只有围绕“数字信号处理”课程群建设，对相关课程进行优化组合，才能合理、科学的减少各课程授课学时，实现课程设置与用人单位需求的零距离对接，优化教学资源的配置。实践证明，课程群建设不但使学生的综合能力和创新素质显著提高，人才培养的质量也取得明显成效。
参考文献：
[1] 刘云秀.“信号处理”课程群建设的改革研究与实践[J].吉林工程技术师范学院学报，2011,27（5）：67-69.
[2] 赵立岭.从课程群的角度谈“信号与系统”课程内容的处理[J].赤峰学院学报，2012,28（4）：220-222.
[3] 罗轶.“信号与系统”与“数字信号处理”课程整合的研究与实践[J].吉首大学学报，2011,32（1）：117-119.
[4] 黄乡生.《信号与系统》重点建设课程群的若干问题探讨[J].东华理工学院学报，2007,26（4）：418-421.
[5] 马赛，李方能等.《信号与系统》课程群的建设与教学改革探索[J].高等教育研究学报，2010,33（1）：102-104.
[6] 李素文，王凤随等.电气信息类专业信号处理课程群的建设[J].淮北煤炭师范学院学报，2010,31（4）：80-82.