电信类课程一体化融合化教学探讨

[摘 要]“电路分析”、“信号与系统”、“数字信号处理”、 “DSP原理与应用”、“数字图像处理”是电信类专业的重要课程，基于这些课程教学所存在的突出问题——各自独立、授课内容重复、过渡衔接不科学、实践环节针对性不强，文章提出了该类课程面向物理意义、内容（知识点）、实践教学及工程训练的一体化融合化教学设计与组织思路，相关研究结论的实施实践对有关课程的教学质量提升具有重要的促进意义。

[关键词]一体化；融合化；物理意义；内容优化

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）12-0039-03

随着社会的发展和科技的进步，我国高等教育业已进入大众化发展阶段，高校随之也分化为研究型大学和应用型大学，对于大部分地方性高校来说发展应用性教育、培养应用型人才是服务区域经济社会发展、保持学校生命力和实现学校可持续发展的必然选择，而在这一发展中，许多课程的内涵和功能也发生了变化，许多课程的教与学已经不能简单采用过去的思路，知识的传授已远远超越教师在课堂上讲授的某一独立课程，更多的是面向一个课程群或一系列相关的知识与技能。对于电信类课程来说，“电路分析”、“信号与系统”、“数字信号处理”、“DSP原理与应用”、“数字图像处理”、“语音信号处理”等课程相互之间密切相关，教学内容（知识点）耦合度高，但由于是各自独立授课，任课老师各自为政，从而导致部分知识点过度重复，浪费了宝贵的学时；同时个别需要掌握的知识点被忽视或被轻描淡写，课程之间的过渡衔接不科学、不合理，更有甚者，多门课程在核心内容讲授之前需要重复复习讲解“工程数学”等相关专业基础先修课的内容，授课效率低，教学效果不理想；另外在各门课程的实践环节也存在着实践项目重叠、特征不突出等缺点。为了从根本上改变相关课程的教学现状，尽可能地提高教学质量，笔者及相关教研组同仁经过反复的研讨论证和实践检验，认为对于电信类课程（“电路分析”、“信号与系统”、“数字信号处理”、“DSP原理与应用”、“数字图像处理”、“语音信号处理”等）应该从教学计划的制订开始通盘考虑，加强相关课程的教学实施过程管理与控制，并着重实施基于教学内容（知识点）优化、物理意义与应用把握、综合实践搭配控制等的一体化融合化教学。

一、一体化融合化的教学内容设计及教学目标要求

针对电信类课程教学内容（知识点）耦合度高这一突出特点，在各门课程的教学大纲编制和教学内容安排上，应面向转型应用，统筹兼顾，紧抓重点，合理取舍，具体设计如下。

“电路分析”课程，重点讲解基尔霍夫定律、基于独立电流和电压变量的电路分析方法、电路的基本定理（叠加原理、替换定理、戴维南定理等）、电容元件和电感元件的伏安特性、一阶及二阶电路的求解、基于相量的正弦稳态分析。通过课程的学习，学生应能正确理解电路中的常见概念，了解“电路是什么”和“怎样进行电路的分析和计算”，掌握电路基本定律（包括欧姆定律、基尔霍夫定律、换路定律），熟练灵活应用各种电路分析的基本方法（包括回路电流法、节点电压法、叠加定理、等效变换法等）。

“信号与系统”课程，重点讲解信号的基本运算、典型信号（函数）的定义与特征、连续系统的时域分析、连续系统的频域与复频域分析、离散系统的时域分析、离散系统的变换域分析、系统函数与系统的稳定性分析。通过课程的学习，应使学生掌握信号分析、线性系统分析及离散信号处理的基本理论与分析方法，并对这些理论与方法（尤其是三大变换和两类分析方法——傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换、时域分析法、变换域分析法）在工程中的某些应用有初步了解，对系统在状态空间中的描述方法和状态方程求解有一定的认识。

“数字信号处理”课程，重点讲解序列的傅里叶变换及其性质、序列的z变换、离散傅里叶变换及其应用、快速傅里叶变换（DIT和DIF方式的基-2FFT算法）、时域离散系统的网络结构、无限长脉冲响应（IIR）数字滤波器的设计（重点是冲激响应不变法和双线性变换法）、有限长脉冲响应（FIR）数字滤波器的设计（重点是窗函数设计法和频率抽样设计法）。通过课程的学习，使学生建立数字信号处理的基本概念，掌握数字信号处理的基本分析方法，熟悉常用计算分析软件，同时学会运用数字信号处理的两个主要工具：快速傅立叶变换和数字滤波，为后续数字技术方面课程的学习打下必要基础。

“DSP原理与应用”课程，重点讲解DSP器件的一般结构特征、软件体系、编程方法、基本的开发调试方法，以及常用数字信号处理算法的DSP实现。通过课程的学习，使学生掌握DSP系统的基本概念、体系结构、软硬件特征、编程格式、指令系統及CCS集成开发环境的配置使用方法，了解CCS集成开发环境及相关操作系统的基本工作原理，熟悉DSP开发设计的基本流程、应用领域和发展趋势，达到能使用C语言和汇编语言进行简单的单元接口电路程序设计、常用数字信号处理应用程序独立编写的目的。

“数字图像处理”课程，重点讲解图像数字化、图像离散傅立叶变换、图像增强技术（直方图变换增强、空域模板卷积增强、频域滤波增强）、图像恢复、图像压缩编码、图像分割、边缘检测、图像识别与数学形态学处理方法。通过课程的学习，使学生能够较深入地理解数字图像处理的基本概念、基础理论以及解决问题的基本方法，掌握图像处理的基本技术，了解与各处理技术相关的应用领域及常用工具。

“语音信号处理”课程，重点讲解语音信号基础知识、语音信号的时域分析和短时傅里叶分析、语音信号的同态滤波及倒谱分析、线性预测分析、矢量量化、语音编码和语音合成、语音识别、语音增强。通过课程的学习，使学生掌握语音信号处理的基本原理，掌握语音编解码、语音频域分析、语音识别等关键技术，了解隐马尔可夫模型（HMM）、矢量量化基本原理与方法。

二、基于物理意义与知识应用的一体化教学设计

电信类课程的许多概念及结论是从数学理论进行推导，然后建模得出的，但这些课程绝不能讲成数学课，各相关课程老师应从专业的视角出发，重点强调相关结论的物理意义和具体应用。

比如说卷积积分和卷积和，在讲授的过程中需要交代清楚由来和在系统分析时的物理意义。虽然具体的卷积运算过程属于数学范畴，但是从计算处理的效果来说是一种加权平均，在数字图像处理中——移动卷积模板扫描图像中的每一个像素，位于卷积模板中心位置的像素点的值用模板所确定的邻域内像素点的加权平均值替代，使用高斯卷积可以去除图像中存在高斯噪声影响。同样在讲解时域卷积等价于频域乘积时，很有必要指出延伸的物理意义——从广义上看，任何一个系统（h（t））都可以看成是一个滤波器，因为它们均实现了一定的频率选择性。

对于信号分解与合成中的正交函数集，可以做如下解释—— 一个正交函数集可以类比成一个坐标系，函数集中的每个函数均类比成该坐标系统中的一个轴，在该坐标系中，任何一个函数可以类比成一个点，点向这个坐标系的投影（体现为该函数与构成坐标系的函数间的点积）就是该函数在这个坐标系统中的坐标。相应的，对于电信类课程的核心知识点傅里叶级数来说，它是将信号在正交三角函数集上进行分解（投影），如果将指标系列类比为一个正交集，则指标上值的大小可类比为性能在这一指标集上的分解或投影；分解的目的是为了更好地分析事物的特征，正交集中的每一元素代表一种成分，而分解后对应该元素的系数表征包含该成分的多少；特别是，一个一般的时间信号f（t）是由有限个或无穷多个不同频率的正弦信号叠加而成的，而这些正弦信号的幅度大小决定了“这些正弦信号”对原信号f（t）的贡献程度，不同频率的正弦信号的幅度和初相位的不同，决定了信号f（t）波形的形状以及信号的特性和本质（例如当一个运转中的轴承发出隆隆声音时，我们知道它含有的低频正弦信号成分比较丰富，也就是说含有的低频正弦信号“强”，根据这个情况，可以判断出这个轴承内圈或外圈上可能出现有大的棱角）。

对于傅里叶变换，重点要搞清楚信号的频谱表示，了解频谱图到底表示了关于信号的什么样的信息。例如，将周期信号表示成傅里叶级数分解形式，那么傅里叶级数系数的模就是分解过程中每个频率分量的幅度，频谱图直观的表示了信号包含了哪些频率分量及每个频率分量在整个信号中所占据的分量。同理，傅里叶变换和拉普拉斯变换及Z变换在信号分解的表达式里，都可以看成是信号分量对应的权值。要了解信号与信号之间的不同，可以通过时域的波形来了解，观察它们随时间变量的变化；也可以通过频谱图来了解，观察不同信号包含哪些频率分量及这些频率分量在信号中的相对比重分布如何，是高频成分多还是低频成分多。信号带宽（信号的占有频带宽度）是信号频率特性中的重要指标，具有实际应用意义。在信号占有的频带宽度内，集中了信号的绝大部分谐波分量，若信号丢失占有频带宽度以外的谐波成分，不会对信号产生明显影响。另外，系统也有信号占有频带宽度（工作频带），当信号通过系统时，信号与系统的占有频带宽度必须“匹配”，若信号的带宽大于系统的带宽，则信号通过此系统时就会损失许多重要的成分而产生较大失真，若信号的带宽远小于系统的带宽，信号可以顺利通过，但对系统资源是巨大浪费。

对于模拟信号的数字化和抽样定理，按照经典的证明与讲解，一般是通过抽样脉冲序列与模拟信号的时域乘积等于频域卷积，继而观察频域各平移版本是否存在频谱重叠来阐述的，在面向应用型人才的培养中，完全可以通过对一个已知语音信号的数字化（不同采样频率之下的实际声音效果对比）来展示，给学生一个既深刻又简单明了的切身体验。例如在高保真音乐欣赏中，往往衬有由多种高品质乐器或电子合成器合成的背景音，对于这样的原始质感信号，以不同的采样频率进行采样试听体验将会收到意想不到的效果。同样的，对于图片也存在抽样定理问题，只不过称作分辨率，抽样密度越大，图片的分辨率越高，也就越清晰；若抽样率不够，图片信息就会发生混叠——网上有一幅图片，近视眼戴眼镜看到的是爱因斯坦，摘掉眼镜看到的是玛丽莲·梦露，因为不戴眼镜，分辨率不够抽样频率太低），高频分量失真被混入了低频分量，才造成了一个视觉陷阱。

三、一体化综合化的实践教学

在电信类课程的实践教学中，为获取整个课程群实践教学的理想效果，需要将Matlab、DSP实验系统、SOPC 实验系统、goldwave、WaveEditor等相结合，总体设计开展软硬结合、横跨电信类多门课程的实验教学，实践项目的划分力争由小及大、由简入难。实验实践的整体规划如下：

第一环节：电路分析实验平台（重点是三大定理、一/二阶电路响应）；

第二环节：信号与系统Matlab 课后习题训练及实验平台实践；

第三环节：数字信号处理Matlab 课后习题训练；

第四环节：数字信号处理实验与信号处理课程设计；

第五环节：DSP 与goldwave（或WaveEditor）综合实验（图像、语音）。

在以上各个环节的实践中，以下几个知识点需要着重突出应用与表现：1.傅里叶变换，在“信号与系统”实验中，采用Matlab软件仿真傅里叶变换；在“DSP原理与应用”实验中，采用 CCS软件结合DSP实验箱实现离散傅里叶变换的软硬件综合的设计；同时，利用学生全程实践的课外时间将快速傅里叶变换算法在SOPC 实验平台上加以实现；2.抽样定理与模拟信号的数字化，在“信号与系统”的教学实践中，用Matlab进行仿真分析；在“数字信号处理”实践锻炼中，采用 CCS进行PCM编码设计，在“语音信号处理”中通过goldwave（或WaveEditor）工具进行直接观察与感知。3.滤波器原理与设计，在“电路分析”与“信号与系统”实验中，着重通过实验箱观察分析RC电路的响应；在“数字信号处理”及“DSP原理与应用”实验中，采用CCS软件与DSP硬件平台结合的方式设计实践与创新训练；在“数字图像处理”和“语音信号处理”中，采用DSP平台和goldwave（或WaveEditor）展示工程应用与效果。此外，对于信号的运算处理及系统的分析也应分阶段、分层次通过多种手段达成。如此设计实施一体化綜合化教学，既利于夯实学生所学理论知识，又利于培养他们的工程实践能力，更能促成他们对于多种方法的融会贯通。

四、结语

通过对电信类课程做一体化融合化的组织设计，“电路分析”、“信号与系统”、“数字信号处理”、“DSP原理与应用”、“数字图像处理”、“语音信号处理”课程之间教学安排更加合理，内容衔接更加自然，教学实施更为有的放矢。在相关专业的教学中，着眼全局，面向课程群做如是设计施教，将会极大地提升教学效果。

[ 参 考 文 献 ]

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[责任编辑：钟 岚]

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