电类学科信号处理课程群实验教学体系构建

李文杰　张小鸣常州大学　江苏常州　213164

电类学科信号处理课程群实验教学体系构建

李文杰张小鸣
常州大学江苏常州213164

信号处理课程群是大学电类学科一个重要的课程体系。针对群内课程实验教学组织零散的情况，提出了实验教学体系化建设的思想。在建构主义理论的指导下，按照“理论—方法—实现”的体系构建了实验教学平台和内容。并在教学实践中进行了尝试，取得了良好的成效。对大学工科实验教学体系的构建有一定的参考价值。

信号处理；实验教学；建构主义

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。意思是从书本上得到的知识毕竟比较肤浅，要透彻地认识事物还必须亲自实践。这句话说明了实践的重要性。在大学的教学活动中也是这样。早在2007年教育部办公厅就印发了教育部、财政部教高[2007]1号文件《关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见》，强调了“实践教学与人才培养模式改革创新”“大力加强实验、实践教学改革”。[1]作为工科的电子学科，实践教学更是举足轻重。实验教学是教学内容的重要组成。信号处理课程群是电子学科的一个重要方向，主要包含了“信号与系统”“数字信号处理”“DSP技术与应用”和其他应用课程，是一个非常注重实践的科学体系。实验教学直接决定了学生对理论知识的深层掌握和实际运用能力。

建构主义的学生观认为，学生并不是空着脑袋走进教室的。在以往的学习中，他们已经形成了丰富的经验。[2]建构主义的学习观中，有关主动建构性的论述又认为，学习是个体建构自己的知识的过程，每个学习者都以自己原有的经验系统为基础，对新的信息进行编码，建构自己的理解，而且原有知识又因为新经验的进入而发生调整和改变。[3]信号处理课程群的知识内容属于同一个体系，它们密切相关。学生在先开设的课程中会得到的一定的知识经验，如何才能最好地将先验经验与后续课程的知识有效结合，建构起属于学生自己的内化知识结构？为更好地解决这个问题，课程教师各自为政的教学设计显得很不系统。在加强学生认知和动手的实践环节，这一点显得尤为突出。为了从根本上着眼于知识联系，系统地引导学生完成知识的主动建构，站在课程群的高度，进行实践教学体系的构建显得至关重要。

1　基于建构主义的实验体系建设总体架构

1.1“遵循联系，学以致用”的指导思想

构建信号处理课程群实验教学体系的指导思想，一是遵循知识联系，二是学以致用。

知识之间是有联系的。认知学习理论认为：“当新知识与已有的知识建立起联系时，有意义的学习便发生了”。[4]信号处理课程群内的课程本质属于一个知识体系，它们之间必然是存在联系的。当学生发现课程间知识点朦朦胧胧的关联的时候，必然会引发思考，这是很有意义的事情，然而这种发现同时也会带来很多未知与困惑。将学生心中的“朦朦胧胧”变得清晰明了，将他们心中的困惑以合适的方式解决掉，如果能够走完这个过程，学生必然是收获丰硕。反之，这些困惑如果不能以合适的方式解决，就会变成学习道路上的障碍，阻碍进一步前行。实验教学是实现以上问题的重要方式。要遵从知识联系，取得良好的实验效果，必须走实验教学体系化建设道路。建设好实验教学体系，能够加强学生理论分析能力、实践能力和工程创新能力，无论从学生方面还是教学体系方面来看，都很有裨益。

信号处理课程群是一个实际应用性很强的课程体系，同时也是一个对理论功底要求很高的课程体系。“学以致用”是必然选择。过于复杂理论分析，容易使学生望而生畏，如置身茫茫大海，不知该往何方。告诉学生要用这些理论来干什么，就如同设置了一座灯塔，就有了努力的方向。达成目标后，对理论也有认识强化和升华。美国著名的教育家杜威倡导“做中学”，学习的过程与实际生活工作中解决问题的过程应该是一致的。

1.2“理论—方法—实现”的体系结构

构建信号处理课程群实验教学体系，首先要认识到群内课程的属性和相互关系。课程群具有两大属性，一是相关性，二是整合性。[5]构建信号处理实验教学体系，要将原来内隐的知识联系，在实验设计和实施的过程中不断外化。通过体系化的实验实施，引导学生发现并思考外化的知识联系，并主动建构整合成为属于自己的经验理解。对于信号处理这样一个“学以致用”的工科学科，群内实践体系按照“理论—方法—实现”的布局展开，如图1所示。“信号与系统”“数字信号处理”和“DSP技术与应用”这三门主课程，在体系中有各自的地位和作用，总体按照布局设计实验。

图1　“理论—方法—实现”的实验教学体系

理论环节主要通过实验设计加深学生对理论知识的理解，为方法设计和实现打下基础。“信号与系统”课程提供了信号和系统描述和分析的专业理论基础，这种描述和分析在时域、频域和复频域来进行，就像从三个角度来考察同一个事物。三个域的分析又互相呼应联系。三个“域”的描述和分析构成了信号与系统课程的全部内容。学生一般对时域分析稍有基础，而对频域、复频域分析十分陌生。在“信号与系统”课程内设置的实验以加强理论知识的理解为主要目的。

现今的信号处理，主要是数字信号处理。“数字信号处理”是电子信息类专业重要的专业基础课。[6]课程在分析了自然世界模拟信号与离散信号的转化之后，重点阐述了数字信号处理的方法。数字信号处理的两大方法：快速傅立叶变换和数字滤波，构成了该门课程的两大篇章。怎样在信号与系统分析的基础上，构建这两大方法，是主要目的。实验的设置就从这两大方法出发。

“学以致用”离不开最终的实施。数字信号处理的实现，主要有三类：软件实现，硬件实现和DSP方式。DSP方式兼顾了软硬件方式的优点，它以DSP芯片为硬件载体，进行编程实现数字信号处理功能。当今世界有很多国际知名厂商在制造DSP芯片。这种方式已经成为实际应用的主要方式。“DSP技术与应用”这门课程侧重于方法的实现和应用，是一门实践性很强的课程，它的实验设置，肩负起最后实施的主要任务。

2　实验教学体系的内容建设

2.1理论基础能力的培养

信号与系统是信号处理课程群的基础，它的主要内容是信号的描述与分析，系统的描述和分析。信号与系统是学生接触到的第一门信号处理系列课程，一方面，学生首次接触到频域、复频域分析的概念，加上课程理论深奥，难度可想而知。另一方面，这门课程又是信号处理系列课程的基础，如果学不好，掌握好后面系列课程的内容无从谈起。如何加深基础理论的理解与掌握，这个问题摆在面前，而实验教学无疑是一道良方，它不仅是教学内容的一部分，还能够将理论知识进行具现和升华。根据“信号与系统”课程的基础和重要地位。设计了以下实验内容，共计8个学时，主要构成了信号处理课程群实验教学的理论强化部分：

(1)利用Matlab产生信号仿真波形。

(2)连续时间系统的时域特性分析。

(3)连续时间系统的频域特性分析。

(4)连续时间系统的复频域特性分析。

这些实验将理论知识以波形、图形或是数值结果的形式表现。通过实验，学生能够更加直观地看到信号表示，系统求解等，并将它与理论分析和解算结果相印证，加深理解。通过实验一，掌握信号的基本描述方法，信号的变换和运算。通过实验二。掌握和验证系统的时域输入输出关系，线性时不变系统的响应等理论。通过实验三。掌握信号的频域表示和系统的频域分析理论。通过实验四。掌握拉普拉斯变换，频域与复频域的关系，以及根据零极点分析系统特性的知识。

2.2信号处理方法的掌握

围绕着数字信号处理的两大方法，设计了以下四个实验，共计8个学时：

(1)时域采样定理与线性时不变系统的输出。

(2)用DFT作谱分析。

(3)IIR数字滤波器设计。

(4)FIR数字滤波器设计。

以上实验第一个是验证性实验，其他是设计性实验。通过实验一，学生能够掌握模拟信号与离散信号互相转换的方法，离散系统的输入输出关系。实验二关系到快速傅立叶变换方法，通过这项实验，能够掌握用FFT对时域离散信号进行频谱分析的方法，加深对DTFT和FFT算法原理和基本性质的理解。实验三和实验四的内容与数字滤波方法相关。实验三是一个应用性很强的综合性实验，给出一段包含有高频噪声的心电信号，要求设计出一个合理的IIR滤波器，将这些噪声滤除。进行完这项实验后，学生对IIR滤波器设计的方法和应用有很大提升。通过实验四，锻炼使用窗口法设计FIR数字滤波器的方法，在实验中可以观察和思考采用不同的窗对滤波器性能的影响。

2.3信号处理实现能力的培养

在数字信号处理的三种方式里面，唯有DSP实现方式是最贴近工程化应用的，也是在实际生产生活中应用最为广泛，有着比较完整和规模化的上下游产业链的。因此，注重学生这种数字信号处理实现能力的培养，与社会需要接轨，更加符合“学以致用”的思想。“DSP技术与应用”是相对较新，实践性和应用性都极强的学科专业课。[7]从DSP技术与应用的芯片结构、外围设备和程序设计这几个方面出发，设计了如下实验，共计8学时：

(1)CC的使用和基本指令实验、数码管显示实验。

(2)PWM波产生实验。

(3)快速傅立叶变换。

(4)A/D转换实验。

这些实验是工程性实验。实验一涉及DSP实现中必不可少的编程环境和编程基础，涉及了DSP的I/O访问方式。在一个小例子里，实现对数码管位码和段码的控制。实验二实现了基于DSP的PWM波的输出，通过这个实验能够更加熟悉DSP芯片的引脚功能。实验三实现了基于DSP方式的快速傅立叶变换，为在实际应用中正确使用FFT打下基础，能够掌握间接寻址方式，DSP指令系统等实现方法。实验四实现了现实生活中常见的A/D转换功能，通过该实验，能够更好地熟悉DSP的A/D转换模块的特点。这些实验的设置充分考虑了数字信号处理实现的硬件载体和手段。

3　建构主义指导下的实验教学实施

根据建构主义的教学观，教学不再是传递客观而确定的现成知识，而是激活学生原有的相关知识经验，促进知识经验的“生长”，促进学生的知识建构活动，以实现知识经验的重新组织、转换和改造。[8]因此，在实验的实施中，特别注意了“情境化教学”。注意引导学生发现问题，给学生设置情境，为知识经验的“生长”提供土壤。如在IIR滤波器设计的实验中，首先让学生观察受到噪声污染的心电信号的频谱，学生便会发现问题，在高频段存在着较小幅值的噪声。进入这个情境之后，会引发思考：如何才能将这些高频噪声去除呢？自然地就会和理论课上刚刚讲过的IIR低通滤波器联系起来。在随后的分析问题、实验设计过程中，学生的知识水平会得到很好的建构。最后看到实验结果之后，对已有知识还有一个很强的正面反馈作用。

在实验教学中，还改革性地加入了课堂讨论环节。在这个环节中，同学可以互相讨论，分析实验内容，体现了建构主义的“协作学习”理念。在这一环节里面，教师可以就学生实验中得到的现象进行提问，提供解决问题的有关线索，从而更好地激发学生思考，引导学生自主解决问题。通过讨论还能起到督促作用，把握学生的完成情况，对成绩的考核有一定借鉴作用。

4　结束语

信号处理课程群理论深厚，工程应用广泛。经过体系化设计的课程群实验教学体系，实验内容前后相承，紧密关联，类型合理。经过教学实践，该课程群的实验质量和实验效果得到明显提高。学生对信号处理课程群的知识内建过程明显加快了，形成了良好的知识结构。同时发现问题、解决问题的能力也有了很大提高。学习成绩有了明显提高，在一些大学生创新实践活动也中取得了不俗成绩。

[1] 王永明.公共管理实验教学体系的探索与构建[J].内蒙古师范大学学报:教育科学版，2011，24(1):93-95.

[2] 张建伟，孙燕青.从“做中学”到建构主义——探究学习的理论轨迹[J].教育理论与实践，2006，26(4):35-39.

[3] 何克抗.建构主义——革新传统教学的理论基础[J].电化教育研究，1998(1):30-32.

[4] Fetsco T，meClure J. 教育心理学：课堂决策的整合之路[M].上海:上海人民出版社，2008.

[5] 马赛，李方能.《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):102-103.

[6] 沈媛媛，刘益成.《数字信号处理》课程教学改革探讨[J].中国现代教育装备，2008(10):98-99.

[7] 刘卫东，卜丽. DSP实验课程教学研究与探索[J].实验技术与管理，2012，29(3):170-172.

[8] 张建伟，孙燕青.建构性学习[M].上海:上海教育出版社，2005.

Construction of Experiment Teaching System for Signal Processing Curriculum Group in Electrical Subjects

Li Wenjie， Zhang Xiaoming
Changzhou University， Changzhou， 213164， China

Signal processing curriculum group is an important curriculum system in electrical subject. Aiming at the situation that experiment teaching of the courses in the group is scattered， the idea of systematically construct experiment teaching is brought forward. Under the guidance of constructivism， the platform and content of experiment teaching is constructed according to the “theory-method-impletion”system. It is tried in teaching practice， good effect is accomplished. It is a useful reference for some other courses.

signal processing； experiment teaching； constructivism

2014-12-16

李文杰，硕士，讲师。

常州大学教育研究项目(编号：GJY2013077)。