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摘要:針對目前電子信息工程專業中信號類課程實驗教學中存在的問題,以培養解決復雜工程問題和創新能力為目標,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層次:基礎技能、綜合應用能力和工程實踐與創新能力,分別設計了問題驅動的設計型實驗、任務驅動的綜合型實驗和項目驅動的研究型實驗,將畢業生能力培養有機地導入到分層計劃中。結合科教融合的教學理念和人工智能的行業應用,將科研成果轉化為研究型實驗項目,提高學生解決復雜工程問題的能力。

關鍵詞: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、產出導向的教學設計和持續改進的質量保障機制[1-2]。中國工程教育認證對電子信息工程專業本科畢業生的能力劃分了三個階梯式培養層次:基礎技能培養、綜合應用能力培養和工程實踐與創新能力培養[3-4]。對于電子信息工程專業,信號與系統、數字信號處理、隨機信號處理等信號類課程是核心專業課,信號與系統實驗[5-6]、數字信號處理實驗[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狀和目標

對應工程教育的階梯式培養層次,信號類實驗課程應整體規劃并形成體系,有必要探討如何科學合理地設計實驗內容,由淺入深地將目標能力與專業課程知識的設計貫穿于各個實驗實踐環節中,做到理論與實踐的完美結合,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,使學生的工程素養和創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,多門信號類實驗課之間缺少統一的體系對其進行整體優化。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容連成線、擴成面,在內容上層次化,在形式上多樣化,在平臺上一致化。我們以經典信號處理方法為基礎,以聲音信號、圖像信號和視頻信號為對象,秉持“設計-綜合-研究”的實驗教學理念,結合人工智能產業界需求,依托軟硬件開發平臺,落實到項目開發,最終形成“關鍵點-任務線-項目面”的層次化、遞進式的實驗模式,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計

在寬口徑培養模式下,根據工程認證的OBE理念,從“問題導向”、“任務導向”和“項目導向”三個層次規劃設計型、綜合型和研究型實驗教學內容,開展多元化考核方式,突出實驗的過程管理,將畢業生能力培養有機地導入到分層計劃中,使學生的工程素養和創新能力在階梯式實踐教學中得到循序漸進的提升。

2.1問題驅動的設計型實驗教學

對于二年級剛接觸信號類專業課的學生,其專業知識積累較少,不適合操作復雜又困難的系統性實驗項目,在該階段我們以問題為導向,實驗設計側重對特定知識點的深度挖掘。以一個完整的通信系統為例,實驗中向學生提出問題:采樣頻率是否合適?調制解調是否高效?濾波器選型是否合理?通過這些問題,讓學生分析系統中涉及的信號處理的幾個關鍵環節,要求學生會設計相應的實驗模型,結合傅里葉變換,采樣定理,濾波器選型等知識點,通過分析通信信號的特性,深入理解不同實驗模型在各節點對整個系統的影響,從而指導實驗中對通信系統中關鍵環節參數的設定。這種以“大系統”結合“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,針對通信系統中對信號質量的評價需求,結合傅里葉變換,設計實驗方法,解決解調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任務驅動的綜合型實驗教學

經過設計型實驗項目的訓練后,學生對重點的信號處理方法的應用有了深刻理解,對系統也有整體且全面的認知。因此,在這個階段,我們以任務為導向,“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,讓學生設計該任務的原型系統,綜合操作整個任務的各個環節。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的結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計增加任務的趣味性和難度。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:“理想任務”,“進階任務”和“對抗任務”。(1)在“理想任務”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,并設計一個原型系統對其進行仿真即可。(2)在“進階任務”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,改進理想任務中的系統原型,準確判斷樣本對應的撥號數字。(3)在“對抗任務”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,提升系統的分析能力,提高對樣本盲分析的準確率。綜合型實驗任務是實際生活案例的簡化版,系統規模緊湊,學生有章可循,通過這些任務,讓學生了解系統的方方面面,建立起全局意識。

2.3項目驅動的研究型實驗教學

當具備了系統級操作能力后,在信號綜合處理實踐中,我們引入項目為導向的研究型實驗教學模式。研究型實驗結合科教融合的理念,“連線成面”,全面考察學生的文獻收集、問題分析、方案設計、系統仿真、實物演示、陳述答辯等一系列工程素養能力。面向目前火爆的人工智能領域的應用需求,我們以圖像信號和視頻信號為處理對象,開發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、設計方案、進行軟件仿真調試、并在Jetson平臺或DSP平臺上實現和展示,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域,如圖4所示。學生在實驗中需要自行查閱有關人臉檢測的論文,學習檢測方法的原理,復現并改進成適合實驗要求的方法,然后根據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“產品”的簡單流程,其中會涉及到很多復雜的工程問題。(1)攝像頭質量導致捕獲的圖像質量較差,理論上人臉的膚色值與攝像頭真實獲取的圖像有色差,如何調整“膚色模型”?(2)攝像頭拍攝的真實視頻幀中背景復雜,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雜算法的運行效率,需要綜合考慮算力、復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雜工程問題的能力。

3結語

對應工程教育認證中對電子信息工程專業畢業生能力培養的三個層次,我們將信號類實驗課進行整體規劃,建立了“點-線-面”一體化的實驗教學體系,并在此基礎上設計了不同層次的實驗內容。對信號處理方向的所有實驗課進行整體整合并優化,既突出了單門實驗課的重點,又把相關實驗課融為一體,將畢業生能力有機地導入到課程間的分層計劃中。通過由點及線,由線及面,由系統到工程,階梯式上升的方式,可有力夯實學生對知識的理解和應用。與人工智能和科研項目相結合的科教融合的研究型實驗,不僅讓學生了解到產業界的實際應用,還了解到學術界的前沿技術,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雜工程問題的能力,使學生的工程素養和創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