“信号处理与系统设计实验”课程实践教学探索——以北京科技大学为例

“信号处理与系统设计实验”课程实践教学探索—— —以北京科技大学为例
升级， 实验内容的一成不变必然会导致其落后于时代 的发展，影响教学效果。“信号处理与系统设计实验”课 程主要存在以下几个问题。 第一，实验模式单一，学生 使用 Matlab 对信号处理的理论知识进行简单验证，无 法真正理解算法的含义，不能进行深入探究。 第二，实 验内容抽象，学生对实验内容不理解，缺乏直观感受， 学习兴趣不高。 第三，实验采用仿真方式，学生处理的 为理想状态下的信号，无法应用到实际工程中，这样的 实验内容不利于应用型人才的培养。
为了解决上述问题， 笔者对课程和实验内容作出 相应改进： 第一， 将 Matlab 验证算法内容放在理论课 堂， 结合图形和动画帮助学生理解卷积和频域变换等 知识，但不作为实验内容。 第二，从学生熟悉的多媒体 信号处理入手，分析时域信号、频域信号的性质，应用 IIR 滤波器和 FIR 滤波器设计，采用 Python 语言编程实 现部分算法， 提高学生兴趣和动手能力。 第三，从 Github 网站下载开源项目，将知网文章、科研项目转化 为实验内容，搭建动态项目库，跟踪最前沿技术，鼓励 学生参加竞赛，激发学生的探索精神和求知欲。
收稿日期：2021-12-21 作者简介：付洪威（1978—），女，黑龙江海伦人，北京科技大学计算机与通信工程学院工程师，主要从事信号处理研究。 基金项目：北京科技大学本科教育教学改革项目“基于应用型人才培养的‘信号处理与系统设计实验’课程群教学改革研 究”（JG2020M29）
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一、“信号处理与系统设计实验”课程的特点 “信号处理与系统设计实验”是北京科技大学通信 工程专业的必修课，开设在第五学期。 此时，学生已经 修完“信号与系统”与“数字信号处理”课程，掌握了实 验课程所需要的理论知识基础。 这两门先修课程各占 48 学时，课内没有安排实验学时，课堂涉及的理论知识 抽象，公式推导占比大，各种信号的变换易混淆，内容 枯燥，学生理解起来有难度。“信号处理与系统设计实 验”作为“信号与系统”和“数字信号处理”的衔接课程， 开设目的是帮助学生理解理论知识， 掌握信号处理的 应用。 首先， 实验课程内容涉及信号处理的奈奎斯特采 样定律、傅里叶变换、经典滤波器设计等知识，需要学 生具有扎实的理论基础。 其次，实验课程采用的是硬件 开发模式， 需要学生具有在硬件开发平台上的 Python 编程能力。 再次，实验课程中的综合型实验涉及到算法 的设计与实现，需要学生具有查阅文献及科研能力。 最 后，实验课程采用项目导学方式，需要学生具有团队合 作能力。 综合上述特点，学生通过“信号处理与系统设 计实验”课程实现了实验结果验证理论知识、理论知识 解决实际问题的良性循环。 二“ 、 信号处理与系统设计实验”课程内容的改革 信号处理是一门技术发展迅速、 应用领域广阔的 学科，无论是芯片的更新换代，还是算法和应用场景的
例探究培养具有工程素养的应用型人才的课程改革方法。
关键词：信号处理与系统设计实验；项目导学；语音端点检测；实践教学
中图分类号：G642
文献标识码：A
文章编号：1002-4107（2022）07-0045-03
随着互联网和人工智能行业的蓬勃发展， 通信工 程专业在就业方面受到很大冲击。 如何培养符合企业 需要的应用型人才是高校制订教学计划时必须考虑的 重要因素。 应用型人才是面向行业或企业的高级应用 技术人员，不仅要掌握较强专业理论知识和技能，还要 具有利用专业知识学习和创新的能力。 2017 年教育部 正式发布了《新工科研究与实践项目指南》（以下简称 “指南”），“指南”规划出的新工科研究与实践项目有新 理念、新结构、新模式、新质量、新体系 5 个部分共 24 个选题方向。 笔者结合“指南”提出的工程教育改革创 新的理念和思路与多学科交叉融合的工程人才培养模 式，在北京科技大学通信工程专业教学计划的框架下， 参考“工程教育专业认证”“CDIO 工程教育模式”和“课 程群建设”的理念，对“信号处理与系统设计实验”课程 的实践教学进行改革[1-3]。“信号处理与系统设计实验” 课程作为信号处理类课程群的重要实践环节， 在相关 专业课程中起到承上启下的作用。 同时，借助学院丰富 的人工智能、计算机和物联网专业的教学资源，实验内 容包含多学科交叉项目。 此次实践教学改革充分调动 了学生自主学习的兴趣，开拓了其跨平台视野和思路， 提高了他们的创新能力， 为培养具有工程素养的应用 型人才奠定了基础， 同时也带动教师在多学科交叉教 学方面投入更多精力，为学科发展带来生机。
— ——以北京科技大学为例
付洪威，乔 柱，于 泓
（北京科技大学，北京 100083）
摘 要：文章针对“信号处理与系统设计实验”课程存在的实验模式单一、实验内容与理论课重复、脱离实际应
用、实验学时较少等问题，明确了该门实践课程在信号处理课程群中承上启下的作用，并引入面向工程实践的
教学理念，采用项目导学的教学方法，从课程的特点出发，在实验内容和实验方法上进行改革，以综合型实验为
制定实验进度表
项目策划 需求爱 华 , 晋 刚 . 基 于 应 用
型人才培养的教学模式 实 践———以“数 字 信 号 处 理 ” 课 程 为 例 [J]. 科 教
表 1 信号处理与系统设计实验教学内容
jupter notebook
三“ 、 信号处理与系统设计实验”课程的教学方法 （一）硬件开发平台 实 验 设 备 采 用 片 上 资 源 丰 富 的 FPGA 开 发 板 PYNQ-Z2，PYNQ 全称 Python Productivity for Zynq，即在 原有 Zynq 架构的基础上， 添加了对 Python 的支持，具 有易上手性、可移植性、可扩展性以及便携性等优势。 PYNQ 借助 Python 语言本身易学易用、 扩展库丰富的 特性， 有效降低学生的 Zynq 嵌入式系统的开发门槛， PYNQ 将 ARM 处理器与 FPGA 器件的底层交互逻辑通 过 Python 封装起来，执行 import 命令，加载对应的模块 名称即可导入对应的硬件模块， 完成底层到上层数据 的交互。 学生应用 Python 进行信号处理类编程实践，并 结合 FPGA 和嵌入式系统开发的技术， 可以提高软硬 件协同综合设计的效率，非常适合学时短的实验教学。 PYNQ-Z2 开发板体积小便于携带，学生可以将实验设 备借出使用。 教师采用翻转课堂的方式，提前录制微课 课件，撰写详细的实验指导书，为学生提供技术文档， 学生可以在课前进行基础知识的学习， 实验学时主要 用于讨论和解决问题[5]。 翻转课堂有效地打破了时间和 空间的限制，更能激发学生的学习兴趣。 （二）项目导学方法 综合型实验在“信号处理与系统设计实验”课时安 排中占比过半，实验内容需要推陈出新，从而激发学生 的学习热情， 使学生由被动接受知识转变为主动和互 动获取知识，通过查阅资料来解决实际问题[6]。 为了培 养学生的工程素养，实验教学加强与科研、工程和生产 实际的结合，设计出可供学生多角度、多途径、多方法 进行思考和探究的实验项目[7]。 由于综合型实验内容覆 盖的知识点多，尤其需要学生具有综合应用能力，所以 教师在教学上采用结合 CDIO 工程教育思想的项目导 学方法，搭建的项目导学实验教学框架如图 1 所示。 以语音端点检测实验为例， 项目导学实验教学方 法中各个环节对应到项目管理的关系如图 2 所示。 第 一阶段， 学生在动态项目库中选择语音端点检测实验 作为实验项目，自由组队后，小组人员自主分解任 务— ——这个环节对应项目立项。 第二阶段，学生阅读相 关技术文章，明确实验目的，经过教师审核通过后制定 实验进度表— ——这个环节对应项目策划。 第三阶段，学 生分析语音采集方法和语音特征， 研究短时特征双阈 值检测方法、过零率及能量谱密度的含义[8-9]。 学生通过 对比分析双门限算法、 梅尔频率倒谱系数的优缺点以
叶变换 FFT、FIR 滤波器、短时能量谱密度、语音信号特 果转化、 工程应用领域方面以及交叉学科方面探索有 征等信号处理知识。 学生完成实验后，可以在实验项目 利于培养应用型人才的实验内容，以适应行业新需求。
的基础上进一步拓展， 参加 SRTP 大学生科研训练计
划、ICAN 大学生创新创业大赛等。 综合型实验引入项 目导学方法，使得学生、项目、教师三位一体，为学生就 业或是从事科研工作打下坚实的基础。
及分析采集语音的噪声特征，论证后确 定 设 计 方 案— ——这 个 环 节 对 应 项 目 设 计。 第四阶段，学生按照分工进行模块 开发，分别实现实验中的算法———这个 环节对应项目实施。 第五阶段，学生将 软件程序在硬件平台上联调，测试不同 噪声环境下的语音端点检测结果，测试 不 同 阈 值 产 生 的 实 验 结 果— ——这 个 环 节对应项目测试。 第六阶段，学生对实 验数据进行分析，论证双门限算法的优 缺点，完成答辩和撰写实验报告— ——这
参考文献：
[1]方荟,冯慧斌,林文,等.应用型本科院校信号处理类课程群 新工科建设初探[J].教育教学论坛,2020(1).
确定实验项目 组队分解任务
项目立项 可行性分析
[2]罗向龙,李晗,傅攀峰,等. 新工科背景下通信工程 专业信号处理课程群建 设 [J]. 教 育 现 代 化 ,2019
明确实验目的 查阅资料 教师审核
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“信号处理与系统设计实验”课程实践教学探索—— —以北京科技大学为例
入小组内互评环节，增加学生团
队合作意识。
“信号处理与系统设计实
验” 课程改革着眼于信号处理
核心课程群， 采用项目导学与
翻转课堂相结合的教学模式，
通过搭建动态项目库为学生提
“信号处理与系统设计实验”课程一共 16 学时，包 括验证型实验、设计型实验、综合型实验，在难度上是 逐渐增加的，具体学时安排如表 1 所示。 综合型实验是 基础知识和基本技能的综合应用， 实验内容涉及多个 知识点，在验证型实验和设计型实验内容的基础上，侧 重于知识点的关联性和系统性。 学生可以根据自身的 兴趣、能力选择音频信号或视频信号作为输入信号，对 应不同的实验内容。 音频信号处理实验中，音频采集实 验使学生掌握采样频率对信号的影响， 音频信号分析 帮助学生直观地感受频域特征， 合成音乐实验使学生 了解频率与音调的关系[4]。 制作伴奏音乐实验帮助学生 理解通过硬件录制音频和通过文件读取音频对应的数 据存储方式的区别， 提高学生解决实际工程问题的能 力。 语音信号端点检测实验涉及语音信号特征提取、语 音端点分割、语音识别等内容，帮助学生了解语音信号 的频率特征， 提高他们查阅资料、 设计算法的科研能 力。 图像信号处理实验中，面部识别实验和图像边缘检 测实验涉及到人工智能、Laplacian 算子和 Canny 算子 等内容， 虹膜定位实验锻炼学生对上述算子的综合应 用能力。 学生通过综合型实验的训练，对信号处理的理 论知识有了实际应用，为将来的知识扩展奠定了基础。 实验内容难易结合，覆盖信号处理的主要知识点，包括 采样、时域频域分析和经典滤波器等内容。
2022 年第 7 期 （总第 1393 期）
黑龙江教育（高教研究与评估）
HEILONGJIANG EDUCATION（Research and Evaluation of Higher Education）
■专业建设与教学改革
No.7，2022 Serial No.1393
“信号处理与系统设计实验”课程 实践教学探索
供多层次、 多学科交叉的实验
内容。 教师以学生为中心开展
教 学 ， 秉 承 着“以 人 为 本 ” 的 教
育理念，遵循以学生为本，注重
图 1 项目导学实验教学框架
以互动式教学为核心的教学观 念， 构建有利于增强求知欲和
个环节对应项目验收。 实验内容涉及到采样、快速傅里 创造力的课程教学模式。 笔者下一步将继续在科研成