導(dǎo)語(yǔ)：信號(hào)課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:針對(duì)目前電子信息工程專業(yè)中信號(hào)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題,以培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題和創(chuàng)新能力為目標(biāo),研究了點(diǎn)線面一體化的信號(hào)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。面向工程教育認(rèn)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(shí)踐與創(chuàng)新能力,分別設(shè)計(jì)了問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)的綜合型實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的研究型實(shí)驗(yàn),將畢業(yè)生能力培養(yǎng)有機(jī)地導(dǎo)入到分層計(jì)劃中。結(jié)合科教融合的教學(xué)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞:點(diǎn)線面一體化;信號(hào)類實(shí)驗(yàn)實(shí)踐;科教融合

工程教育認(rèn)證的核心理念是以學(xué)生為中心的人才培養(yǎng)、產(chǎn)出導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計(jì)和持續(xù)改進(jìn)的質(zhì)量保障機(jī)制[1-2]。中國(guó)工程教育認(rèn)證對(duì)電子信息工程專業(yè)本科畢業(yè)生的能力劃分了三個(gè)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(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)[3-4]。對(duì)于電子信息工程專業(yè),信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、隨機(jī)信號(hào)處理等信號(hào)類課程是核心專業(yè)課,信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)[5-6]、數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)[7-9]、隨機(jī)信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)和信號(hào)綜合處理實(shí)踐[10-12]是理論課落地的關(guān)鍵點(diǎn)。這些實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課的特點(diǎn)是:課程覆蓋量大、學(xué)生受眾面廣、涉及學(xué)期長(zhǎng),并貫穿整個(gè)專業(yè)課程學(xué)習(xí)階段[13-14]。因此,按照工程教育認(rèn)證理念對(duì)信號(hào)類實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行教學(xué)研究具有重要意義。

1信號(hào)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀和目標(biāo)

對(duì)應(yīng)工程教育的階梯式培養(yǎng)層次,信號(hào)類實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)整體規(guī)劃并形成體系,有必要探討如何科學(xué)合理地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,由淺入深地將目標(biāo)能力與專業(yè)課程知識(shí)的設(shè)計(jì)貫穿于各個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)中,做到理論與實(shí)踐的完美結(jié)合,打造科研與教學(xué)理念深度融合的實(shí)驗(yàn)體系和多元化考核模式,使學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力在階梯式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到循序漸進(jìn)的提升。目前信號(hào)類實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)各自的理論課程,理論知識(shí)之間的層次性沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn),多門信號(hào)類實(shí)驗(yàn)課之間缺少統(tǒng)一的體系對(duì)其進(jìn)行整體優(yōu)化。因此,有必要對(duì)多門信號(hào)類實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行整合,將各自獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容連成線、擴(kuò)成面,在內(nèi)容上層次化,在形式上多樣化,在平臺(tái)上一致化。我們以經(jīng)典信號(hào)處理方法為基礎(chǔ),以聲音信號(hào)、圖像信號(hào)和視頻信號(hào)為對(duì)象,秉持“設(shè)計(jì)-綜合-研究”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(tái),落實(shí)到項(xiàng)目開發(fā),最終形成“關(guān)鍵點(diǎn)-任務(wù)線-項(xiàng)目面”的層次化、遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?讓學(xué)生全方位感知和掌握信號(hào)處理的方式方法,不僅能“知其然”,更能“知其所以然”。

2信號(hào)類實(shí)驗(yàn)的一體化教學(xué)設(shè)計(jì)

在寬口徑培養(yǎng)模式下,根據(jù)工程認(rèn)證的OBE理念,從“問(wèn)題導(dǎo)向”、“任務(wù)導(dǎo)向”和“項(xiàng)目導(dǎo)向”三個(gè)層次規(guī)劃設(shè)計(jì)型、綜合型和研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,開展多元化考核方式,突出實(shí)驗(yàn)的過(guò)程管理,將畢業(yè)生能力培養(yǎng)有機(jī)地導(dǎo)入到分層計(jì)劃中,使學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力在階梯式實(shí)踐教學(xué)中得到循序漸進(jìn)的提升。

2.1問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

對(duì)于二年級(jí)剛接觸信號(hào)類專業(yè)課的學(xué)生,其專業(yè)知識(shí)積累較少,不適合操作復(fù)雜又困難的系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,在該階段我們以問(wèn)題為導(dǎo)向,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)側(cè)重對(duì)特定知識(shí)點(diǎn)的深度挖掘。以一個(gè)完整的通信系統(tǒng)為例,實(shí)驗(yàn)中向?qū)W生提出問(wèn)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(guò)這些問(wèn)題,讓學(xué)生分析系統(tǒng)中涉及的信號(hào)處理的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),要求學(xué)生會(huì)設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?結(jié)合傅里葉變換,采樣定理,濾波器選型等知識(shí)點(diǎn),通過(guò)分析通信信號(hào)的特性,深入理解不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诟鞴?jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響,從而指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)中對(duì)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(wèn)題點(diǎn)”的方式,既有整體的直觀性,又能讓學(xué)生把知識(shí)點(diǎn)“釘”深。例如,針對(duì)通信系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)質(zhì)量的評(píng)價(jià)需求,結(jié)合傅里葉變換,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法,解決解調(diào)信號(hào)的信噪比計(jì)算和諧波分析問(wèn)題,如圖1和圖2所示。

2.2任務(wù)驅(qū)動(dòng)的綜合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的訓(xùn)練后,學(xué)生對(duì)重點(diǎn)的信號(hào)處理方法的應(yīng)用有了深刻理解,對(duì)系統(tǒng)也有整體且全面的認(rèn)知。因此,在這個(gè)階段,我們以任務(wù)為導(dǎo)向,“連點(diǎn)成線”,實(shí)施綜合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)中,以身邊生活中的具體案例為任務(wù),讓學(xué)生設(shè)計(jì)該任務(wù)的原型系統(tǒng),綜合操作整個(gè)任務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)綜合型實(shí)驗(yàn),學(xué)生能夠提煉出核心的信號(hào)處理原理,綜合運(yùn)用掌握的信號(hào)處理方法對(duì)其進(jìn)行解決,最終觀察并分析原型系統(tǒng)的結(jié)果與實(shí)際案例的特點(diǎn)。為了逼近實(shí)際案例,實(shí)驗(yàn)還采用階梯式設(shè)計(jì)增加任務(wù)的趣味性和難度。例如,在電話撥號(hào)音合成與識(shí)別的實(shí)驗(yàn)中,分為三個(gè)層級(jí)的任務(wù):“理想任務(wù)”,“進(jìn)階任務(wù)”和“對(duì)抗任務(wù)”。(1)在“理想任務(wù)”中,實(shí)驗(yàn)條件完全理想化,沒(méi)有任何干擾,學(xué)生只需要理解雙音多頻信號(hào)的合成原理和識(shí)別原理,并設(shè)計(jì)一個(gè)原型系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行仿真即可。(2)在“進(jìn)階任務(wù)”中,提供了一些實(shí)際錄制的撥號(hào)音測(cè)試樣本。由于這些樣本是在真實(shí)環(huán)境中錄制的,因此音頻信號(hào)中或者有背景噪音的干擾,或者按鍵的間隔時(shí)間也不一致,或者音量大小也不一樣,或者其他一些問(wèn)題。學(xué)生拿到的樣本沒(méi)有任何標(biāo)注,他們需要綜合運(yùn)用時(shí)域、頻域、濾波、合成和識(shí)別原理,去全面分析樣本的特性,改進(jìn)理想任務(wù)中的系統(tǒng)原型,準(zhǔn)確判斷樣本對(duì)應(yīng)的撥號(hào)數(shù)字。(3)在“對(duì)抗任務(wù)”中,將學(xué)生進(jìn)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(duì)樣本盲分析的準(zhǔn)確率。綜合型實(shí)驗(yàn)任務(wù)是實(shí)際生活案例的簡(jiǎn)化版,系統(tǒng)規(guī)模緊湊,學(xué)生有章可循,通過(guò)這些任務(wù),讓學(xué)生了解系統(tǒng)的方方面面,建立起全局意識(shí)。

2.3項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)

當(dāng)具備了系統(tǒng)級(jí)操作能力后,在信號(hào)綜合處理實(shí)踐中,我們引入項(xiàng)目為導(dǎo)向的研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。研究型實(shí)驗(yàn)結(jié)合科教融合的理念,“連線成面”,全面考察學(xué)生的文獻(xiàn)收集、問(wèn)題分析、方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、實(shí)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(hào)和視頻信號(hào)為處理對(duì)象,開發(fā)一系列有趣的人工智能項(xiàng)目,讓學(xué)生探究二維信號(hào)處理方法在人工智能項(xiàng)目中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)中只給出項(xiàng)目要求和需要達(dá)到的指標(biāo),不指定具體方法,學(xué)生需要自己去查閱論文資料、設(shè)計(jì)方案、進(jìn)行軟件仿真調(diào)試、并在Jetson平臺(tái)或DSP平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)和展示,如圖3所示。圖3硬件:Jetson平臺(tái)(左)和DSP平臺(tái)(右)例如,“人臉檢測(cè)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求在硬件平臺(tái)上檢測(cè)攝像頭捕捉的畫面中的人臉區(qū)域,如圖4所示。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中需要自行查閱有關(guān)人臉檢測(cè)的論文,學(xué)習(xí)檢測(cè)方法的原理,復(fù)現(xiàn)并改進(jìn)成適合實(shí)驗(yàn)要求的方法,然后根據(jù)硬件平臺(tái)的性能確定方案選型,最終完成項(xiàng)目要求。通過(guò)這種研究型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,可以讓學(xué)生體驗(yàn)理論知識(shí)“落地”成“產(chǎn)品”的簡(jiǎn)單流程,其中會(huì)涉及到很多復(fù)雜的工程問(wèn)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(shí)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(shí)視頻幀中背景復(fù)雜,如何改進(jìn)模型以減小背景干擾?(3)攝像頭拍攝的角度、抖動(dòng)等實(shí)際問(wèn)題也會(huì)對(duì)檢測(cè)效果有影響。(4)硬件平臺(tái)的運(yùn)算速度會(huì)限制復(fù)雜算法的運(yùn)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(wèn)題都是在實(shí)際工程項(xiàng)目中遇到的,通過(guò)解決這些問(wèn)題,可以有效提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

3結(jié)語(yǔ)

對(duì)應(yīng)工程教育認(rèn)證中對(duì)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)生能力培養(yǎng)的三個(gè)層次,我們將信號(hào)類實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行整體規(guī)劃,建立了“點(diǎn)-線-面”一體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了不同層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。對(duì)信號(hào)處理方向的所有實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行整體整合并優(yōu)化,既突出了單門實(shí)驗(yàn)課的重點(diǎn),又把相關(guān)實(shí)驗(yàn)課融為一體,將畢業(yè)生能力有機(jī)地導(dǎo)入到課程間的分層計(jì)劃中。通過(guò)由點(diǎn)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(shí)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用。與人工智能和科研項(xiàng)目相結(jié)合的科教融合的研究型實(shí)驗(yàn),不僅讓學(xué)生了解到產(chǎn)業(yè)界的實(shí)際應(yīng)用,還了解到學(xué)術(shù)界的前沿技術(shù),這種既有廣度又有深度的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,可極大提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力,使學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力在實(shí)驗(yàn)實(shí)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(xué) 信息與通信工程學(xué)院