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摘要：结合河北工业大学信息工程学院电子信息专业信号处理系列课程教学的实际情况，基于日常的教学实践与探索，对信号处理系列课程体系的构建及实践教学平台的建设进行了分析和总结。在加强实践教学的过程中，改进设计了新的实验装置，优化了实践教学的内容，提高了实验教学的效果，满足了对不同层次学生实践教学的需求。
关键词：信号系列课程；实践教学；课程设计；实验装置
作者简介：刘翠响（1973-），女，河北辛集人，河北工业大学信息工程学院，副教授；王宝珠（1962-），女，河北三河人，河北工业大学信息工程学院，教授。（天津 300401）
基金项目：本文系河北工业大学2012年教学改革重点项目“探索课程设计新型模式加强创新能力培养”、河北工业大学城市学院教学改革项目“电子信息类专业信号处理系列课程体系与实践教学模式研究”的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）05-0170-02
高等教育大众化意味着学术标准、人才培养规格的多样化，随着我国经济发展的不断完善，科技文化的快速发展，社会各行业需要不同层次的人才。在探索城市学院教学中，教师应该不断更新教育观念，逐步确立本科应用型人才的教育观、质量观，逐步确立起一套富有城市学院特色的本科应用型人才培养新模式。城市学院教学模式、教学要求一直沿用本科的教学模式，为探索更加适合城市学院长足发展的特色教育之路，在应用型人才培养上有所创新，[1]加强学生实践能力的培养，实现高素质应用型人才培养的目标，激励学生的学习热情和蓬勃向上的进取心，开展信号处理系列课程实践教学改革势在必行。
一、构建电子信息类专业的本科应用型人才培养模式和信号处理系列课程体系
信号的获取与处理是电子信息类学生主要的学习内容，涉及的课程包括：“信号与线性系统”、“数字信号处理”、“DSP技术”、“数字图象处理”等。信号处理系列课程在电子信息类专业教学中具有重要的作用，[2]是“通信原理”等课程的重要理论基础，其教学水平的整体提高对专业建设、应用型人才培养具有重要意义。
“信号与线性系统”课程是电子信息类专业重要的专业基础课，也是本系列课程的主要理论基础。但是“信号与线性系统”课程的内容较为抽象，学生能获取的直观感性认识很少，理解和掌握课程内容往往面临一些困难。“数字信号处理”与“信号与线性系统”在课程内容上联系非常紧密，前者是后者的进一步深化与拓展，但仍然是以抽象的理论分析为主。“数字图像处理”课程是“信号与线性系统”、“数字信号处理”等理论基础的典型应用和进一步发展。“DSP技术”课程则主要学习信号分析与处理的相关理论、方法在数字信号处理等应用领域的具体实现技术。然而，这些后续课程的学习对于增强感性认识、加深对“信号与线性系统”、“数字信号处理”等先修课程理论基础的理解与掌握，也具有重要的促进作用。因此，有效整合本系列课程的教学内容和教学手段，[3]加强理论与实践之间的联系，既能提高学生运用相关理论知识分析解决实际问题的能力，也能促进对课程内容的理解与掌握，对于提高教学水平、培养应用型人才具有重要的理论和现实意义。
根据信号处理系列课程涉及知识面广、理论性和应用性都很强且学时少的特点，并且各门课程从内容上具有一定的重叠性，对其进行规划综合并形成有机的整体，使其形成教学内容相互贯通、相互融合的课程群；结合专业的特点与共性，寻找共同的知识平台，建立层次化、模块化的理论教学和实验教学体系。在该体系下，理论教学注重基础理论和方法的学习，实验教学注重基本技能和方法的培养，创新应用教育注重创新意识和应用能力的培养。总之，通过不断的探索与实践，构建了信号处理系列课程“理论内容融合互补，实践手段软硬结合，技能训练循序渐进，创新应用思维不断深化”的系列课程教学体系。
二、改革实践教学手段，搭建实践教学平台
根据信号处理系列课程体系结构以及课程具有很强的实践性的特点，为培养和提高学生的工程应用能力和实践操作技能，[4]课题组从改革实验的方式和内容入手，在实验形式上采用软硬件相结合的方法，注重基础性实验，扩充综合性、设计性实验，增设集中课程设计环节。实践教学各层次之间具有内在的逻辑关系，既相对独立，又相互联系，并具有连续性、递进性、交叉性等特点。每个层次具有不同的教学目的，包含不同的实践内容。在实践教学中形成了合理的实践教学体系，建立了实践教学和理论课程紧密衔接，理论教学、工程应用和研究能力相互补充，综合素质与创新能力逐步提高的信号处理实践教学平台。
具体内容包括以下四个方面：一是基本实验。用于教学中基本理论的验证，基本实验能力的训练。二是综合实验与设计性试验。用于对教学中几部分内容衔接紧密且形成一定的知识链路的知识点进行综合训练，提高综合运用所学知识进行系统分析与设计的能力。三是软件、硬件相互结合的实验。课程总体内容偏理论、多数学，为了通过实验教学加强对其理论的理解与掌握，并能有效应用到工程实际，设置了软硬件结合的实验。四是集中课程设计。其目的是强化知识的综合运用、加强对系统设计工具软件的实训、促进团队协作能力及创新能力的培养，并且从单一课程内容设计转变为多课程重要知识点的链接和融合。
三、加强实践教学，优化实践教学内容，加强对学生应用能力的培养
优化实践教学内容，采用软硬件相结合的实验教学方法，加强学生工程训练和设计能力培养。将先进的硬件开发平台和系统仿真工具融入实践教学中，如信号与系统开发平台、DSP开发平台、MATLAB、LabVIEW等各种仿真软件，提高学生在实际工作中的适应能力。
在实践教学中增加信号处理综合设计实验，提升加强应用能力培养的实验内容的比重，引入融合系列课程内容的课程设计。课程设计由最初针对单一课程，逐渐转变为融合多门课程内容的设计，课程设计的选题软硬结合，内容知识覆盖面广，组织形式打破班级界限，以选题为单位重新编组，有利于合作能力、协调能力的培养，有效提高了学生综合理解、运用知识的能力。 课程设计内容分为自拟课题和参考课题两种。学生自拟课题需要在课程设计开始前两周提交设计说明书，经由指导教师批准，方可进行。参考课题根据具体的教学条件，由课程组讨论制定。以下课题可作为设计参考题目：模拟滤波器的设计与应用；数字滤波器的设计与应用；基于MATLAB软件的调幅接收机原理设计与功能仿真实现；基于MATLAB软件的调频接收机原理设计与功能仿真实现；无失真传输系统的设计与实现；基于LABVIEW的语音信号分析系统的设计；基于LABVIEW的心电信号分析系统的设计；基于Multisim软件的信号取样与重构系统的设计仿真；基于Multisim软件的扫频信号源设计；基于EWB的高阶模拟系统的设计；回波的产生与消除系统设计；基于单片机的数字电压表设计与Protues软件仿真；基于单片机的电子钟设计与Protues软件仿真；基于单片机的信号发生器设计与Protues软件仿真；城市噪声信号频谱分析仪设计；基于虚拟仪器技术的信号发生器的设计与实现；利用MATLAB实现信号的取样与重构仿真；基于MATLAB的语音信号采集与处理系统的设计。
四、改进信号与系统实验装置，完善实验内容
根据往届学生做实验的情况，结合教学需求，课题组成员设计了信号系统试验箱。信号与系统硬件实验装置的基本结构如图1所示。
该装置采用硬件实验箱和计算机虚拟仪器/仿真平台相结合的结构，两者之间通过信号采集和信号输出模块连接。硬件实验箱为可扩展的拔插式结构，便于系统维护和后续的功能扩充与更新。根据应用方向，实验箱主要包括三大模块：课程实验模块、课程设计模块和创新训练模块。同时，实验箱设置了音频输入输出接口，可以对音频信号进行采集、分析和处理，并通过外接扬声器获取直观的听觉感受，这是对信号波形观察视觉信息的一个有益补充。实验所需的信号源和测试仪器仪表均由基于PC机的虚拟仪器平台提供。在PC平台上，借助相关仿真平台和软件，还可对采集到的信号进行各种变换域的分析与处理，并将结果通过信号输出模块实时提供给硬件实验模块，从而解决硬件实验系统本身难以实现变换域分析的问题。
实验装置实现的教学实验功能比较多。例如采用频谱搬移模块，基于上述实验环境，可以完成调制与解调的实验仿真，实验现象明显、效果好，改善了以往单纯借助软件进行虚拟仿真的实验状况。同时，同学们可以深入分析硬件电路的设计，采用软件、硬件结合的实验方式，教学效果良好。
五、教学反馈总结
在教学中，依托实践教学平台，加强了学生的工程意识，拓展了学生的视野，提升了学生的理论水平。同时鼓励优秀学生参加学术讨论和研究，在提高应用能力的基础上，进一步提升理论知识水平。实践教学证明，开展实践教学改革和尝试可以充分调动学生学习的主动性，对应用型人才的培养大有益处。
参考文献：
[1]王冬霞，李波，孙福明，等.应用型本科院校数字信号处理的教学改革与探索[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2010，（6）.
[2]陈爱萍，张可为，龙泳涛，等.信号处理课程群教学改革和优化的研究与实践[J].湖南工学院学报（社会科学版），2012，（4）.
[3]韩萍，倪育德，苏志刚，等.信号类课群建设与实践[J].电气电子教学学报，2009，（1）.
[4]赵淑清，郑薇.信号系列课程实验设置的探讨[J].浙江理工大学学报，2009，（5）.
（责任编辑：孙晴）
关键词：信号系列课程；实践教学；课程设计；实验装置
作者简介：刘翠响（1973-），女，河北辛集人，河北工业大学信息工程学院，副教授；王宝珠（1962-），女，河北三河人，河北工业大学信息工程学院，教授。（天津 300401）
基金项目：本文系河北工业大学2012年教学改革重点项目“探索课程设计新型模式加强创新能力培养”、河北工业大学城市学院教学改革项目“电子信息类专业信号处理系列课程体系与实践教学模式研究”的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）05-0170-02
高等教育大众化意味着学术标准、人才培养规格的多样化，随着我国经济发展的不断完善，科技文化的快速发展，社会各行业需要不同层次的人才。在探索城市学院教学中，教师应该不断更新教育观念，逐步确立本科应用型人才的教育观、质量观，逐步确立起一套富有城市学院特色的本科应用型人才培养新模式。城市学院教学模式、教学要求一直沿用本科的教学模式，为探索更加适合城市学院长足发展的特色教育之路，在应用型人才培养上有所创新，[1]加强学生实践能力的培养，实现高素质应用型人才培养的目标，激励学生的学习热情和蓬勃向上的进取心，开展信号处理系列课程实践教学改革势在必行。
一、构建电子信息类专业的本科应用型人才培养模式和信号处理系列课程体系
信号的获取与处理是电子信息类学生主要的学习内容，涉及的课程包括：“信号与线性系统”、“数字信号处理”、“DSP技术”、“数字图象处理”等。信号处理系列课程在电子信息类专业教学中具有重要的作用，[2]是“通信原理”等课程的重要理论基础，其教学水平的整体提高对专业建设、应用型人才培养具有重要意义。
“信号与线性系统”课程是电子信息类专业重要的专业基础课，也是本系列课程的主要理论基础。但是“信号与线性系统”课程的内容较为抽象，学生能获取的直观感性认识很少，理解和掌握课程内容往往面临一些困难。“数字信号处理”与“信号与线性系统”在课程内容上联系非常紧密，前者是后者的进一步深化与拓展，但仍然是以抽象的理论分析为主。“数字图像处理”课程是“信号与线性系统”、“数字信号处理”等理论基础的典型应用和进一步发展。“DSP技术”课程则主要学习信号分析与处理的相关理论、方法在数字信号处理等应用领域的具体实现技术。然而，这些后续课程的学习对于增强感性认识、加深对“信号与线性系统”、“数字信号处理”等先修课程理论基础的理解与掌握，也具有重要的促进作用。因此，有效整合本系列课程的教学内容和教学手段，[3]加强理论与实践之间的联系，既能提高学生运用相关理论知识分析解决实际问题的能力，也能促进对课程内容的理解与掌握，对于提高教学水平、培养应用型人才具有重要的理论和现实意义。
根据信号处理系列课程涉及知识面广、理论性和应用性都很强且学时少的特点，并且各门课程从内容上具有一定的重叠性，对其进行规划综合并形成有机的整体，使其形成教学内容相互贯通、相互融合的课程群；结合专业的特点与共性，寻找共同的知识平台，建立层次化、模块化的理论教学和实验教学体系。在该体系下，理论教学注重基础理论和方法的学习，实验教学注重基本技能和方法的培养，创新应用教育注重创新意识和应用能力的培养。总之，通过不断的探索与实践，构建了信号处理系列课程“理论内容融合互补，实践手段软硬结合，技能训练循序渐进，创新应用思维不断深化”的系列课程教学体系。
二、改革实践教学手段，搭建实践教学平台
根据信号处理系列课程体系结构以及课程具有很强的实践性的特点，为培养和提高学生的工程应用能力和实践操作技能，[4]课题组从改革实验的方式和内容入手，在实验形式上采用软硬件相结合的方法，注重基础性实验，扩充综合性、设计性实验，增设集中课程设计环节。实践教学各层次之间具有内在的逻辑关系，既相对独立，又相互联系，并具有连续性、递进性、交叉性等特点。每个层次具有不同的教学目的，包含不同的实践内容。在实践教学中形成了合理的实践教学体系，建立了实践教学和理论课程紧密衔接，理论教学、工程应用和研究能力相互补充，综合素质与创新能力逐步提高的信号处理实践教学平台。
具体内容包括以下四个方面：一是基本实验。用于教学中基本理论的验证，基本实验能力的训练。二是综合实验与设计性试验。用于对教学中几部分内容衔接紧密且形成一定的知识链路的知识点进行综合训练，提高综合运用所学知识进行系统分析与设计的能力。三是软件、硬件相互结合的实验。课程总体内容偏理论、多数学，为了通过实验教学加强对其理论的理解与掌握，并能有效应用到工程实际，设置了软硬件结合的实验。四是集中课程设计。其目的是强化知识的综合运用、加强对系统设计工具软件的实训、促进团队协作能力及创新能力的培养，并且从单一课程内容设计转变为多课程重要知识点的链接和融合。
三、加强实践教学，优化实践教学内容，加强对学生应用能力的培养
优化实践教学内容，采用软硬件相结合的实验教学方法，加强学生工程训练和设计能力培养。将先进的硬件开发平台和系统仿真工具融入实践教学中，如信号与系统开发平台、DSP开发平台、MATLAB、LabVIEW等各种仿真软件，提高学生在实际工作中的适应能力。
在实践教学中增加信号处理综合设计实验，提升加强应用能力培养的实验内容的比重，引入融合系列课程内容的课程设计。课程设计由最初针对单一课程，逐渐转变为融合多门课程内容的设计，课程设计的选题软硬结合，内容知识覆盖面广，组织形式打破班级界限，以选题为单位重新编组，有利于合作能力、协调能力的培养，有效提高了学生综合理解、运用知识的能力。 课程设计内容分为自拟课题和参考课题两种。学生自拟课题需要在课程设计开始前两周提交设计说明书，经由指导教师批准，方可进行。参考课题根据具体的教学条件，由课程组讨论制定。以下课题可作为设计参考题目：模拟滤波器的设计与应用；数字滤波器的设计与应用；基于MATLAB软件的调幅接收机原理设计与功能仿真实现；基于MATLAB软件的调频接收机原理设计与功能仿真实现；无失真传输系统的设计与实现；基于LABVIEW的语音信号分析系统的设计；基于LABVIEW的心电信号分析系统的设计；基于Multisim软件的信号取样与重构系统的设计仿真；基于Multisim软件的扫频信号源设计；基于EWB的高阶模拟系统的设计；回波的产生与消除系统设计；基于单片机的数字电压表设计与Protues软件仿真；基于单片机的电子钟设计与Protues软件仿真；基于单片机的信号发生器设计与Protues软件仿真；城市噪声信号频谱分析仪设计；基于虚拟仪器技术的信号发生器的设计与实现；利用MATLAB实现信号的取样与重构仿真；基于MATLAB的语音信号采集与处理系统的设计。
四、改进信号与系统实验装置，完善实验内容
根据往届学生做实验的情况，结合教学需求，课题组成员设计了信号系统试验箱。信号与系统硬件实验装置的基本结构如图1所示。
该装置采用硬件实验箱和计算机虚拟仪器/仿真平台相结合的结构，两者之间通过信号采集和信号输出模块连接。硬件实验箱为可扩展的拔插式结构，便于系统维护和后续的功能扩充与更新。根据应用方向，实验箱主要包括三大模块：课程实验模块、课程设计模块和创新训练模块。同时，实验箱设置了音频输入输出接口，可以对音频信号进行采集、分析和处理，并通过外接扬声器获取直观的听觉感受，这是对信号波形观察视觉信息的一个有益补充。实验所需的信号源和测试仪器仪表均由基于PC机的虚拟仪器平台提供。在PC平台上，借助相关仿真平台和软件，还可对采集到的信号进行各种变换域的分析与处理，并将结果通过信号输出模块实时提供给硬件实验模块，从而解决硬件实验系统本身难以实现变换域分析的问题。
实验装置实现的教学实验功能比较多。例如采用频谱搬移模块，基于上述实验环境，可以完成调制与解调的实验仿真，实验现象明显、效果好，改善了以往单纯借助软件进行虚拟仿真的实验状况。同时，同学们可以深入分析硬件电路的设计，采用软件、硬件结合的实验方式，教学效果良好。
五、教学反馈总结
在教学中，依托实践教学平台，加强了学生的工程意识，拓展了学生的视野，提升了学生的理论水平。同时鼓励优秀学生参加学术讨论和研究，在提高应用能力的基础上，进一步提升理论知识水平。实践教学证明，开展实践教学改革和尝试可以充分调动学生学习的主动性，对应用型人才的培养大有益处。
参考文献：
[1]王冬霞，李波，孙福明，等.应用型本科院校数字信号处理的教学改革与探索[J].辽宁工业大学学报（社会科学版），2010，（6）.
[2]陈爱萍，张可为，龙泳涛，等.信号处理课程群教学改革和优化的研究与实践[J].湖南工学院学报（社会科学版），2012，（4）.
[3]韩萍，倪育德，苏志刚，等.信号类课群建设与实践[J].电气电子教学学报，2009，（1）.
[4]赵淑清，郑薇.信号系列课程实验设置的探讨[J].浙江理工大学学报，2009，（5）.
（责任编辑：孙晴）