導(dǎo)語：信號課程群實驗教學研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:針對目前電子信息工程專業(yè)中信號類課程實驗教學中存在的問題,以培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題和創(chuàng)新能力為目標,研究了點線面一體化的信號類實驗教學體系。面向工程教育認證的階梯式培養(yǎng)層次:基礎(chǔ)技能、綜合應(yīng)用能力和工程實踐與創(chuàng)新能力,分別設(shè)計了問題驅(qū)動的設(shè)計型實驗、任務(wù)驅(qū)動的綜合型實驗和項目驅(qū)動的研究型實驗,將畢業(yè)生能力培養(yǎng)有機地導(dǎo)入到分層計劃中。結(jié)合科教融合的教學理念和人工智能的行業(yè)應(yīng)用,將科研成果轉(zhuǎn)化為研究型實驗項目,提高學生解決復(fù)雜工程問題的能力。

關(guān)鍵詞:點線面一體化;信號類實驗實踐;科教融合

工程教育認證的核心理念是以學生為中心的人才培養(yǎng)、產(chǎn)出導(dǎo)向的教學設(shè)計和持續(xù)改進的質(zhì)量保障機制[1-2]。中國工程教育認證對電子信息工程專業(yè)本科畢業(yè)生的能力劃分了三個階梯式培養(yǎng)層次:基礎(chǔ)技能培養(yǎng)、綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)和工程實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)[3-4]。對于電子信息工程專業(yè),信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、隨機信號處理等信號類課程是核心專業(yè)課,信號與系統(tǒng)實驗[5-6]、數(shù)字信號處理實驗[7-9]、隨機信號處理實驗和信號綜合處理實踐[10-12]是理論課落地的關(guān)鍵點。這些實驗實踐課的特點是:課程覆蓋量大、學生受眾面廣、涉及學期長,并貫穿整個專業(yè)課程學習階段[13-14]。因此,按照工程教育認證理念對信號類實驗課進行教學研究具有重要意義。

1信號類實驗教學的現(xiàn)狀和目標

對應(yīng)工程教育的階梯式培養(yǎng)層次,信號類實驗課程應(yīng)整體規(guī)劃并形成體系,有必要探討如何科學合理地設(shè)計實驗內(nèi)容,由淺入深地將目標能力與專業(yè)課程知識的設(shè)計貫穿于各個實驗實踐環(huán)節(jié)中,做到理論與實踐的完美結(jié)合,打造科研與教學理念深度融合的實驗體系和多元化考核模式,使學生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力在階梯式實驗教學中得到循序漸進的提升。目前信號類實驗對應(yīng)各自的理論課程,理論知識之間的層次性沒有在實驗中體現(xiàn),多門信號類實驗課之間缺少統(tǒng)一的體系對其進行整體優(yōu)化。因此,有必要對多門信號類實驗課進行整合,將各自獨立的實驗內(nèi)容連成線、擴成面,在內(nèi)容上層次化,在形式上多樣化,在平臺上一致化。我們以經(jīng)典信號處理方法為基礎(chǔ),以聲音信號、圖像信號和視頻信號為對象,秉持“設(shè)計-綜合-研究”的實驗教學理念,結(jié)合人工智能產(chǎn)業(yè)界需求,依托軟硬件開發(fā)平臺,落實到項目開發(fā),最終形成“關(guān)鍵點-任務(wù)線-項目面”的層次化、遞進式的實驗?zāi)Ｊ?讓學生全方位感知和掌握信號處理的方式方法,不僅能“知其然”,更能“知其所以然”。

2信號類實驗的一體化教學設(shè)計

在寬口徑培養(yǎng)模式下,根據(jù)工程認證的OBE理念,從“問題導(dǎo)向”、“任務(wù)導(dǎo)向”和“項目導(dǎo)向”三個層次規(guī)劃設(shè)計型、綜合型和研究型實驗教學內(nèi)容,開展多元化考核方式,突出實驗的過程管理,將畢業(yè)生能力培養(yǎng)有機地導(dǎo)入到分層計劃中,使學生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力在階梯式實踐教學中得到循序漸進的提升。

2.1問題驅(qū)動的設(shè)計型實驗教學

對于二年級剛接觸信號類專業(yè)課的學生,其專業(yè)知識積累較少,不適合操作復(fù)雜又困難的系統(tǒng)性實驗項目,在該階段我們以問題為導(dǎo)向,實驗設(shè)計側(cè)重對特定知識點的深度挖掘。以一個完整的通信系統(tǒng)為例,實驗中向?qū)W生提出問題:采樣頻率是否合適?調(diào)制解調(diào)是否高效?濾波器選型是否合理?通過這些問題,讓學生分析系統(tǒng)中涉及的信號處理的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié),要求學生會設(shè)計相應(yīng)的實驗?zāi)Ｐ?結(jié)合傅里葉變換,采樣定理,濾波器選型等知識點,通過分析通信信號的特性,深入理解不同實驗?zāi)Ｐ驮诟鞴?jié)點對整個系統(tǒng)的影響,從而指導(dǎo)實驗中對通信系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)參數(shù)的設(shè)定。這種以“大系統(tǒng)”結(jié)合“問題點”的方式,既有整體的直觀性,又能讓學生把知識點“釘”深。例如,針對通信系統(tǒng)中對信號質(zhì)量的評價需求,結(jié)合傅里葉變換,設(shè)計實驗方法,解決解調(diào)信號的信噪比計算和諧波分析問題,如圖1和圖2所示。

2.2任務(wù)驅(qū)動的綜合型實驗教學

經(jīng)過設(shè)計型實驗項目的訓練后,學生對重點的信號處理方法的應(yīng)用有了深刻理解,對系統(tǒng)也有整體且全面的認知。因此,在這個階段,我們以任務(wù)為導(dǎo)向,“連點成線”,實施綜合型實驗教學。實驗中,以身邊生活中的具體案例為任務(wù),讓學生設(shè)計該任務(wù)的原型系統(tǒng),綜合操作整個任務(wù)的各個環(huán)節(jié)。通過綜合型實驗,學生能夠提煉出核心的信號處理原理,綜合運用掌握的信號處理方法對其進行解決,最終觀察并分析原型系統(tǒng)的結(jié)果與實際案例的特點。為了逼近實際案例,實驗還采用階梯式設(shè)計增加任務(wù)的趣味性和難度。例如,在電話撥號音合成與識別的實驗中,分為三個層級的任務(wù):“理想任務(wù)”,“進階任務(wù)”和“對抗任務(wù)”。(1)在“理想任務(wù)”中,實驗條件完全理想化,沒有任何干擾,學生只需要理解雙音多頻信號的合成原理和識別原理,并設(shè)計一個原型系統(tǒng)對其進行仿真即可。(2)在“進階任務(wù)”中,提供了一些實際錄制的撥號音測試樣本。由于這些樣本是在真實環(huán)境中錄制的,因此音頻信號中或者有背景噪音的干擾,或者按鍵的間隔時間也不一致,或者音量大小也不一樣,或者其他一些問題。學生拿到的樣本沒有任何標注,他們需要綜合運用時域、頻域、濾波、合成和識別原理,去全面分析樣本的特性,改進理想任務(wù)中的系統(tǒng)原型,準確判斷樣本對應(yīng)的撥號數(shù)字。(3)在“對抗任務(wù)”中,將學生進行分組,互為攻擊方和防守方,攻擊方想盡方法提高樣本的難度,防守方在全面考慮各種干擾因素后,提升系統(tǒng)的分析能力,提高對樣本盲分析的準確率。綜合型實驗任務(wù)是實際生活案例的簡化版,系統(tǒng)規(guī)模緊湊,學生有章可循,通過這些任務(wù),讓學生了解系統(tǒng)的方方面面,建立起全局意識。

2.3項目驅(qū)動的研究型實驗教學

當具備了系統(tǒng)級操作能力后,在信號綜合處理實踐中,我們引入項目為導(dǎo)向的研究型實驗教學模式。研究型實驗結(jié)合科教融合的理念,“連線成面”,全面考察學生的文獻收集、問題分析、方案設(shè)計、系統(tǒng)仿真、實物演示、陳述答辯等一系列工程素養(yǎng)能力。面向目前火爆的人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用需求,我們以圖像信號和視頻信號為處理對象,開發(fā)一系列有趣的人工智能項目,讓學生探究二維信號處理方法在人工智能項目中的應(yīng)用。實驗中只給出項目要求和需要達到的指標,不指定具體方法,學生需要自己去查閱論文資料、設(shè)計方案、進行軟件仿真調(diào)試、并在Jetson平臺或DSP平臺上實現(xiàn)和展示,如圖3所示。圖3硬件:Jetson平臺(左)和DSP平臺(右)例如,“人臉檢測”實驗項目要求在硬件平臺上檢測攝像頭捕捉的畫面中的人臉區(qū)域,如圖4所示。學生在實驗中需要自行查閱有關(guān)人臉檢測的論文,學習檢測方法的原理,復(fù)現(xiàn)并改進成適合實驗要求的方法,然后根據(jù)硬件平臺的性能確定方案選型,最終完成項目要求。通過這種研究型實驗項目,可以讓學生體驗理論知識“落地”成“產(chǎn)品”的簡單流程,其中會涉及到很多復(fù)雜的工程問題。(1)攝像頭質(zhì)量導(dǎo)致捕獲的圖像質(zhì)量較差,理論上人臉的膚色值與攝像頭真實獲取的圖像有色差,如何調(diào)整“膚色模型”?(2)攝像頭拍攝的真實視頻幀中背景復(fù)雜,如何改進模型以減小背景干擾?(3)攝像頭拍攝的角度、抖動等實際問題也會對檢測效果有影響。(4)硬件平臺的運算速度會限制復(fù)雜算法的運行效率,需要綜合考慮算力、復(fù)雜度和效果之間的平衡。上述問題都是在實際工程項目中遇到的,通過解決這些問題,可以有效提高學生解決復(fù)雜工程問題的能力。

3結(jié)語

對應(yīng)工程教育認證中對電子信息工程專業(yè)畢業(yè)生能力培養(yǎng)的三個層次,我們將信號類實驗課進行整體規(guī)劃,建立了“點-線-面”一體化的實驗教學體系,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了不同層次的實驗內(nèi)容。對信號處理方向的所有實驗課進行整體整合并優(yōu)化,既突出了單門實驗課的重點,又把相關(guān)實驗課融為一體,將畢業(yè)生能力有機地導(dǎo)入到課程間的分層計劃中。通過由點及線,由線及面,由系統(tǒng)到工程,階梯式上升的方式,可有力夯實學生對知識的理解和應(yīng)用。與人工智能和科研項目相結(jié)合的科教融合的研究型實驗,不僅讓學生了解到產(chǎn)業(yè)界的實際應(yīng)用,還了解到學術(shù)界的前沿技術(shù),這種既有廣度又有深度的實驗項目,可極大提高學生解決復(fù)雜工程問題的能力,使學生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力在實驗實踐中得到提升。

作者：付海燕 郝育聞 龔曉峰 郭艷卿 單位：大連理工大學 信息與通信工程學院