新工科背景下通信工程专业信号处理课程群建设

罗向龙，李晗，傅攀峰，吴向东

一 引言

新工科建设已经成为新时代高等教育改革和发展的方向，新工科建设引起了国内外高校的普遍重视[1，2]。通信工程专业以通信系统和通信网方面的基础理论、组成原理和设计方法为基础，通过通信工程实践的基本训练，培养学生具备从事现代通信系统和网络的设计、开发、调试和工程应用的基本能力。在新工科的时代背景下，对教育理念、培养模式、课程体系、学生的综合能力能方面提出了全新的要求。信号处理类课程是通信工程专业核心的专业基础课程，但是因其理论性和高度的抽象性，使学生普遍感觉学习困难，学习的热情下降。为了提高教学效果，适应新工科建设的需要[3，4]，本文以长安大学通信工程专业为例，通过建设以“信号与系统”“数字信号及应用”“随机信号分析”“数字图像处理”以及“数字信号处理课程设计”组成的课程群，以“信号与系统”和“数字信号处理及应用”作为基础模块，将“数字信号处理课程设计”和“数字图像处理”作为基础理论及应用模块，“随机信号分析”作为升级模块。三个模块以重视基础理论、突出实践应用为主线、注重学科发展，构成纵向传承、横向互补的模块化交织的专业课程体系。通过课程体系的研究，使学生从理论到实践形成完整体系。

二 课程体系及教学内容优化

信号处理类课程是电子信息类专业知识体系的核心组成部分，是本科生重要的专业课程。我校通信工程专业培养计划中与信号处理相关的课程主要包括“信号与系统”“数字信号处理及应用”“数字信号处理课程设计”“数字图像处理”和“随机信号分析”五门课程。这五门课程知识点相互交叉覆盖，但又有着不同的侧重点与表述方式，构成了一个相互联系的课程群体系，因 此在课程设置中将这几门课程作为课程群进行建设。该体系不仅涉及到信号分析与处理的整套理论，而且更注重运用信号处理的相关理论解决工程领域中的实际问题。从而使学生掌握信号处理基本理论的同时，能将知识有效地转化为实际工作的能力，更好的适应于社会对人才的需求。

为了响应新工科建设的思想内涵，同时将最新的大数据、人工智能、互联网+等新技术融入课程体系，将最新的科技成果引入教学内容，实现对课程体系的升级和改造，通过基础理论教学，使学生快速了解学科最新前沿技术，我校对通信工程专业信号处理课程群的教学内容从以下两个方面进行了优化。

（1）优化课程体系。根据信号处理课程群课程教学重点和要求的不同，将课程分为基础模块、应用模块和升级模块。基础模块主要包含《信号与系统》与《数字信号处理及应用》两门课程，强调的是有关信号以及信号处理的基本概念和理论，通过基础模块的学习使学生掌握有关、傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换、系统响应、滤波器设计等的基本原理，并开设一定的实验课时加深学生对抽象知识的理解。应用模块主要包含《数字图像处理》和《数字信号处理课程设计》两门课程，图像作为典型的二维信号，《数字图像处理》课程在图像处理基本理论算法的基础上，通过大量的图像处理实例，培养学生学习信号处理类课程的兴趣。而《数字信号处理课程设计》以项目为引导，结合我校在交通运输领域的特色，通过交通流时间序列、交通视频等具体数据，开展交通预测、交通状态监测、车型识别、公路大雾检测等实际项目的训练，培养学生应用信号处理解决实际问题的能力，实现从知识到能力的转变。《随机信号分析》作为发展课程，主要目的是开阔学生的视野，提高学生信号处理的理论水平，为专业课程的学习和后续的深造奠定基础。

（2）整合优化教学内容。信号处理类课程内容之间相互交叠，为了更好的做到课程教学内容的有效衔接，避免教学内容的重复，通过建立课程小组，任课教师通过集体研讨，对课程的重叠部分做出科学合理的分配，避免重叠部分在不同课程授课中多次出现，造成教学资源的浪费，使课程按照进度有序进行，确保取得好的教学效果。并通过与学生座谈交流以及毕业生的问卷调查对课程内容进行优化，在强调经典理论学习的同时，紧跟学科前沿，使学生了解学科发展动态，培养学习兴趣。例如离散傅里叶变换和Z变换在“信号与系统”课程中和“数字信号处理及应用”中均有涉及，离散傅里叶变换涉及的内容复杂，难以理解，其并不是对连续傅里叶变换的简单离散化，因此其讲课的重点就需要放在“数字信号处理及应用”的课程中去，让学生通过实验编程的方法去理解，而在“信号与系统”中就只占小的课时。

三 教学方法改革

现有的教学方法基本还是以传统的“填鸭式”教育为主，实验课程也大多采用集成试验箱为主的验证性实验为主[5,6]。在大数据、人工智能的时代和新工科对人 才的需求，传统的教学模式的教学效果很难保证。在信息高度发达的当代，学生获取信息的途径非常的多，如果对教学方法不进行改革很难培养学生的学习兴趣，取得良好的教学效果。为了提高教学质量，培养学生基本理论的同时，强调学生的实践动手能力，我校通信工程专业信号处理类课程从一下几个方面进行教学方法的改革。

（1）理论教学与实际紧密结合。信号处理类课程理论性强，扎实的理论是指导实践的基础。但是理论学习非常的抽象，往往使学生很难理解，学生也很难明白所学课程与实际的关系，因此在教学中必须紧密联系实际，变抽象难懂的理论为通俗易懂的实际问题，从而便于学生理解。例如在讲解采样定理时，可以通过对语音信号分别设置满足和不满足采样定理的采样频率进行采样，让学生理解采样定理的重要性。同时可以结合生活中的实例，加深对采样定理的理解。以在看台上观看长跑为例，将连续观察运动员的跑步看作连续信号，看台上的观众间隔一定的时间去关注场上的运动员看作采样，当间隔时间过长，所看到的第一名很有可能并不是第一名（可能落后别人几圈），即“眼见不一定为实”，产生这种错误判断的原因就是观察间隔时间过长（采样周期过大）。通过以上两个实例的讲解，学生一定能准确理解采样定理的内涵。

（2）强化计算机仿真和工程训练。信号处理类课程在注重理论的同时，必须关注用基本理论解决实际问题。因此在教学中分两个层面的实训实践，即计算机仿真和工程训练。计算机仿真主要是通过MATLAB、LabVIEW及Python等编程语言对经典的算法进行验证。例如关于DFT的计算机仿真，通过产生简单的单频正弦信号，让学生通过程序理解频谱分析中信号加窗、频谱泄露等基本概念。通过对语音信号的采集和处理，理解采样定理、信号滤波以及频谱分析等理论，并通过语音信号频谱的分析掌握语音信号频谱的特征。在此基础之上，通过工程项目的训练，以项目为引导提高学生分析问题解决问题的能力。例如通过车型识别、交通状态检测、交通事件检测、路面病害识别、桥梁健康评估等我校特色的实践项目训练，使学生完成从知识到能力的转变，培养学生的学习兴趣，提高教学质量。

（3）注重学生创新能力培养。以科研促教学为思想，营造课堂和课后的新环境，提高学生的创新能力。针对课程的具体知识点，充分挖掘其历史背景和现实应用，要求教师在备课阶段精心完成问题构建的构建。然后在课堂中构建问题，包括问题的背景、意义等；并针对问题对学生提出任务要求。要求学生针对问题，利用网络搜集与问题相关资料，以小组讨论的方式，提出解决方案。在实践环节，特别是课程设计过程中，以实际的与课程相关的科研小项目作为课题，要求学生以科研团队的形式完成课题的前期调研，在教师的指导下，利用相应的软件或硬件，完成科研小项目，真正培养学生分析问题解决实际问题的能力。

（4）建立新的课程考核体系和方式。在传统以出勤率、作业、实验和考试成绩为主的考核方式基础上，更加注重对学生平时学生状况的过程监控的测评，加大实践在考核中所占的比例。对课程所要求的计算机仿真以及课程设计的实践训练项目，以课程小组的教师组成专家团队，通过答辩的形式，让学生通过PPT讲解、程序和事物演示对自己完成的任务进行全方位展示，教师团队和全体学生均可对项目成果进行提问和质疑。教师团队根据答辩学生现场展示、问题解答等各个方面对学生的成绩给出综合评价。通过新的考核体系和方式，培养学生的语音表达能力、运用知识解决问题的能力、现场应变的能力等综合技能，真正实现对学生综合能力的考核。

四 小结

目前大数据、人工智能和互联网+等新一轮的科技革命，都与信号处理课程群有着非常密切的联系。以新工科为背景，为了更好提高教学质量，本文对我校通信工程专业信号处理课程群建设的课程体系、教学内容、教学方法等内容进行了探讨，可以进一步提高该类课程的教学水平和效果，并且更好的发挥信号处理类课程在通信工程、电子信息工程等相关专业课程中的辐射、带动作用。