信号课程群实验教学研究

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摘要:针对目前电子信息工程专业中信号类课程实验教学中存在的问题,以培养解决复杂工程问题和创新能力为目标,研究了点线面一体化的信号类实验教学体系。面向工程教育认证的阶梯式培养层次:基础技能、综合应用能力和工程实践与创新能力,分别设计了问题驱动的设计型实验、任务驱动的综合型实验和项目驱动的研究型实验,将毕业生能力培养有机地导入到分层计划中。结合科教融合的教学理念和人工智能的行业应用,将科研成果转化为研究型实验项目,提高学生解决复杂工程问题的能力。

关键词:点线面一体化;信号类实验实践;科教融合

工程教育认证的核心理念是以学生为中心的人才培养、产出导向的教学设计和持续改进的质量保障机制[1-2]。中国工程教育认证对电子信息工程专业本科毕业生的能力划分了三个阶梯式培养层次:基础技能培养、综合应用能力培养和工程实践与创新能力培养[3-4]。对于电子信息工程专业,信号与系统、数字信号处理、随机信号处理等信号类课程是核心专业课,信号与系统实验[5-6]、数字信号处理实验[7-9]、随机信号处理实验和信号综合处理实践[10-12]是理论课落地的关键点。这些实验实践课的特点是:课程覆盖量大、学生受众面广、涉及学期长,并贯穿整个专业课程学习阶段[13-14]。因此,按照工程教育认证理念对信号类实验课进行教学研究具有重要意义。

1信号类实验教学的现状和目标

对应工程教育的阶梯式培养层次,信号类实验课程应整体规划并形成体系,有必要探讨如何科学合理地设计实验内容,由浅入深地将目标能力与专业课程知识的设计贯穿于各个实验实践环节中,做到理论与实践的完美结合,打造科研与教学理念深度融合的实验体系和多元化考核模式,使学生的工程素养和创新能力在阶梯式实验教学中得到循序渐进的提升。目前信号类实验对应各自的理论课程,理论知识之间的层次性没有在实验中体现,多门信号类实验课之间缺少统一的体系对其进行整体优化。因此,有必要对多门信号类实验课进行整合,将各自独立的实验内容连成线、扩成面,在内容上层次化,在形式上多样化,在平台上一致化。我们以经典信号处理方法为基础,以声音信号、图像信号和视频信号为对象,秉持“设计-综合-研究”的实验教学理念,结合人工智能产业界需求,依托软硬件开发平台,落实到项目开发,最终形成“关键点-任务线-项目面”的层次化、递进式的实验模式,让学生全方位感知和掌握信号处理的方式方法,不仅能“知其然”,更能“知其所以然”。

2信号类实验的一体化教学设计

在宽口径培养模式下,根据工程认证的OBE理念,从“问题导向”、“任务导向”和“项目导向”三个层次规划设计型、综合型和研究型实验教学内容,开展多元化考核方式,突出实验的过程管理,将毕业生能力培养有机地导入到分层计划中,使学生的工程素养和创新能力在阶梯式实践教学中得到循序渐进的提升。

2.1问题驱动的设计型实验教学

对于二年级刚接触信号类专业课的学生,其专业知识积累较少,不适合操作复杂又困难的系统性实验项目,在该阶段我们以问题为导向,实验设计侧重对特定知识点的深度挖掘。以一个完整的通信系统为例,实验中向学生提出问题:采样频率是否合适?调制解调是否高效?滤波器选型是否合理?通过这些问题,让学生分析系统中涉及的信号处理的几个关键环节,要求学生会设计相应的实验模型,结合傅里叶变换,采样定理,滤波器选型等知识点,通过分析通信信号的特性,深入理解不同实验模型在各节点对整个系统的影响,从而指导实验中对通信系统中关键环节参数的设定。这种以“大系统”结合“问题点”的方式,既有整体的直观性,又能让学生把知识点“钉”深。例如,针对通信系统中对信号质量的评价需求,结合傅里叶变换,设计实验方法,解决解调信号的信噪比计算和谐波分析问题,如图1和图2所示。

2.2任务驱动的综合型实验教学

经过设计型实验项目的训练后,学生对重点的信号处理方法的应用有了深刻理解,对系统也有整体且全面的认知。因此,在这个阶段,我们以任务为导向,“连点成线”,实施综合型实验教学。实验中,以身边生活中的具体案例为任务,让学生设计该任务的原型系统,综合操作整个任务的各个环节。通过综合型实验,学生能够提炼出核心的信号处理原理,综合运用掌握的信号处理方法对其进行解决,最终观察并分析原型系统的结果与实际案例的特点。为了逼近实际案例,实验还采用阶梯式设计增加任务的趣味性和难度。例如,在电话拨号音合成与识别的实验中,分为三个层级的任务:“理想任务”,“进阶任务”和“对抗任务”。(1)在“理想任务”中,实验条件完全理想化,没有任何干扰,学生只需要理解双音多频信号的合成原理和识别原理,并设计一个原型系统对其进行仿真即可。(2)在“进阶任务”中,提供了一些实际录制的拨号音测试样本。由于这些样本是在真实环境中录制的,因此音频信号中或者有背景噪音的干扰,或者按键的间隔时间也不一致,或者音量大小也不一样,或者其他一些问题。学生拿到的样本没有任何标注,他们需要综合运用时域、频域、滤波、合成和识别原理,去全面分析样本的特性,改进理想任务中的系统原型,准确判断样本对应的拨号数字。(3)在“对抗任务”中,将学生进行分组,互为攻击方和防守方,攻击方想尽方法提高样本的难度,防守方在全面考虑各种干扰因素后,提升系统的分析能力,提高对样本盲分析的准确率。综合型实验任务是实际生活案例的简化版,系统规模紧凑,学生有章可循,通过这些任务,让学生了解系统的方方面面,建立起全局意识。

2.3项目驱动的研究型实验教学

当具备了系统级操作能力后,在信号综合处理实践中,我们引入项目为导向的研究型实验教学模式。研究型实验结合科教融合的理念,“连线成面”,全面考察学生的文献收集、问题分析、方案设计、系统仿真、实物演示、陈述答辩等一系列工程素养能力。面向目前火爆的人工智能领域的应用需求,我们以图像信号和视频信号为处理对象,开发一系列有趣的人工智能项目,让学生探究二维信号处理方法在人工智能项目中的应用。实验中只给出项目要求和需要达到的指标,不指定具体方法,学生需要自己去查阅论文资料、设计方案、进行软件仿真调试、并在Jetson平台或DSP平台上实现和展示,如图3所示。图3硬件:Jetson平台(左)和DSP平台(右)例如,“人脸检测”实验项目要求在硬件平台上检测摄像头捕捉的画面中的人脸区域,如图4所示。学生在实验中需要自行查阅有关人脸检测的论文,学习检测方法的原理,复现并改进成适合实验要求的方法,然后根据硬件平台的性能确定方案选型,最终完成项目要求。通过这种研究型实验项目,可以让学生体验理论知识“落地”成“产品”的简单流程,其中会涉及到很多复杂的工程问题。(1)摄像头质量导致捕获的图像质量较差,理论上人脸的肤色值与摄像头真实获取的图像有色差,如何调整“肤色模型”?(2)摄像头拍摄的真实视频帧中背景复杂,如何改进模型以减小背景干扰?(3)摄像头拍摄的角度、抖动等实际问题也会对检测效果有影响。(4)硬件平台的运算速度会限制复杂算法的运行效率,需要综合考虑算力、复杂度和效果之间的平衡。上述问题都是在实际工程项目中遇到的,通过解决这些问题,可以有效提高学生解决复杂工程问题的能力。

3结语

对应工程教育认证中对电子信息工程专业毕业生能力培养的三个层次,我们将信号类实验课进行整体规划,建立了“点-线-面”一体化的实验教学体系,并在此基础上设计了不同层次的实验内容。对信号处理方向的所有实验课进行整体整合并优化,既突出了单门实验课的重点,又把相关实验课融为一体,将毕业生能力有机地导入到课程间的分层计划中。通过由点及线,由线及面,由系统到工程,阶梯式上升的方式,可有力夯实学生对知识的理解和应用。与人工智能和科研项目相结合的科教融合的研究型实验,不仅让学生了解到产业界的实际应用,还了解到学术界的前沿技术,这种既有广度又有深度的实验项目,可极大提高学生解决复杂工程问题的能力,使学生的工程素养和创新能力在实验实践中得到提升。

作者：付海燕 郝育闻 龚晓峰 郭艳卿 单位：大连理工大学 信息与通信工程学院