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关于提高通信与信息系统专业工程硕士教学质量的教学论文

时间:2018-12-28 工程硕士GCT 我要投稿

  【论文摘要】本文以装备指挥技术学院通信与信息系统工程硕士开设的《数字信号处理》和《统计信号处理》课程为背景,分析工程硕士学员的特点,并结合课程的特点,通过适当调整教学内容,将仿真软件引入课堂,将工程实例融入教学内容等方法有效地提高了本专业工程硕士专业课的教学质量。

  【论文关键词】工程硕士;数字信号处理;统计信号处理;教学质量

  为适应国民经济与人才需求的多样性发展,促进科技、教育、经济的紧密结合,培养更多更好的高素质应用型人才,我国于1997年设置了工程硕士专业学位。工程硕士是相对于工学硕士而言的学位类型,它与工程领域任职资格相联系,与工学硕士处于同一层次,但侧重于工程应用。我国的工程硕士教育极大地丰富了研究生培养模式和学位类型,在研究生教育的理论与实践中具有重大的意义。

  为了满足军队人才培养的需要,装备指挥技术学院招收项目管理专业和通信与信息系统专业工程硕士,笔者们有幸连续五年承担了通信与信息系统专业《数字信号处理》和《统计信号处理》课程的教学任务,最初的教学我们还是秉承了已有工学硕士相关课程的教学思路和模式,但是实际的教学效果并不是非常理想。

  矛盾集中体现在上述两门课程的最大特点就是需要很多的公式推导和证明,同时与本科阶段学习的某些课程紧密相关,前来学习的工程硕士学员大多工作了很长时间,积累了丰富的实践经验,同时也远离了课本很长时间。感受到学员们面对成串公式的难耐之情,我们不得不进行认真的思考,原有的工学硕士的教学模式已不能适用于工程硕士的教学特点,只有结合工程硕士自身的特殊性以及课程的特点,合理地设置教学内容,选取教学方法,才能提高工程硕士的教学质量。总结近几年的教学经验,主要从以下几方面进行了改进,取得了一定的效果。

  一、从回忆中获取新的知识

  工程硕士研究生均来自各单位的一线岗位,大都具有5年以上的实践工作经验,一般都具有较多的独立工作经验,是本单位有一定发展前途的技术骨干。这些学员的最大优点就是参加工作时间长,有较丰富的实践经验,分析和解决实际问题的能力较强。然而,从学校毕业时间长也是他们的缺陷所在,他们在大学本科学习的专业知识部分如果本职工作中几乎不用的话,在他们最初攻读工程硕士学位课程的时候已经是所剩无几,甚至有些知识已经陈旧,亟须更新。即使是由于有机会经常使用,对某些知识还比较熟练,但这也是很有局限性的,因此,旧知识的遗忘和现有知识的不系统性成为了工程硕士学员们要通过的第一难关。

  笔者所在学院为工程硕士开设的课程统一都是32学时,如何在有限的时间里使其有最大的收获是每一位教员应当用心思考的问题。我们的做法是在刚开课的时候先拿出4学时对本科阶段的有关专业知识进行复习,唤起学员们的记忆,为后续内容的学习打下良好的基础。这种复习不是面面俱到的复习,而是有针对性的复习,即只复习与后续课程息息相关的内容,

  如《数字信号处理》课程我们只复习卷积、傅立叶变换、滤波器设计和系统的变换域等内容;《统计信号处理》课程我们只复习概率、随机过程和随机信号与线性系统等内容。复习的过程也不是旧知识的简单复现,而是启发式的回忆,即教员先提出一些关键信息。启发学员进行回忆,通过对学员零碎的知识片断进行有序整合,最终在学员的脑海中搭建出本课程的体系结构。

  正如那句老话,“磨刀不误砍柴功”,这样的回忆是非常有意义的,它有助于学员状态的调整,使其从一个习惯于工作的忙碌的骨干转变为一个勤奋学习的学生;有助于学员对新知识的掌握,我们相信从一个高的起点出发,总会收获更多的成功。当然这样的做法无形中提高了对教员的要求,任课教员必须非常熟悉本课程的内容,清晰地理出新旧知识之间的关系,各个知识点之间的关系,甚至是这些知识在现实生活的具体应用。

  二、有失必有得

  经过4学时的回忆之后学员们逐渐有了一些信心,但当他们打开厚厚的课本时,还是会感到一丝厌烦。由于各种原因,许多工程硕士课程选用的教材基本上和工学硕士的教材是相同的,这些教材无论从体系结构上还是具体内容上都过于强调基础理论,强调内容的系统性、严密性和完整性。然而对于工程硕士而言,他们更加渴望的是教材内容的宽广性、综合性、先进性和应用性。在尚未寻找到专门为工程硕士编写的教材的条件下,我们针对工程硕士研究生的特点与培养目标,结合相关工程领域的发展方向和所面临的新技术新问题,对教材的内容进行删减和重新的组织,使其既能够保证足够高的学术水平,又能适应工程硕士的实际知识结构与能力水平。

  例如,我们将《数字信号处理》课程中同态滤波、K—L变换、DHT变换等应用范围比较小的内容作为自学内容,供学员们根据自己的能力和兴趣自行选择,而将课程的重点放在平稳随机信号的功率谱估计上,着重研究各种经典谱估计方法和现代谱估计方法的基本原理、各种方法的估计性能比较、改善措施以及其在实际应用中的适用条件等,同时,根据当前本学科的前沿发展动态,适当地加入软件无线电技术相关的知识。

  对教学内容合理的取舍有助于带领学员集中精力进行深入的钻研,而面面俱到的教学,表面上学了很多知识,事实上真正学到的东西却很少。

  三、让抽象的知识“活”起来

  无论我们翻开到《数字信号处理》和《统计信号处理》课程教材的哪一页,通常映入眼帘的都会是密密麻麻的公式,这是一种科学的语言,用数学符号来描述物理现实,是对物理现象高度的抽象,从而能够更有效地找寻和建立一些通用的方法来解决实际问题。换句话说,公式的得来源于现实,而公式的终极目标又是要服务于现实的,即需要利用公式去解决现实中更多的问题。

  对于实际工程经验丰富,但是理论知识不够系统的工程硕士而言,直接铺天盖地的推导公式只能让他们望而却步,甚至会使其失去了自己研究的方向,只有让抽象的知识“活”起来,才能使得学员更好地理解、接受和灵活应用所学知识。针对这两门课程“公式繁多”但“与实际联系紧密”的特点,我们在教学过程中应重点就以下几方面进行了设计。

  (一)从熟知的现象中引入新的知识

  尽量从学员熟悉的事物中引出新的知识,这样可以增加学员对新知识的亲近感和熟悉感,更有信心学习掌握新知识。从某种意义上说,一个新的知识。未必是一个新的事物,而是与各种已有的旧知识息息相关,更进一步说,这种新的知识很可能仅仅是诸多旧知识之间建立了一种新的联系。新知识的出现并不是为了推翻旧的知识而是为了优化旧知识而已。

  帮助学员在脑海里建立知识点和知识点之间的联系非常重要,这样更有助于让学员认清知识的本质。因此在引入新知识的时候,我们尽量注意先分析原有方法的性能、优缺点、局限性,以及造成这些问题的根本原因,即为学员描述新知识的“来龙”。而后,从找到的根本原因出发,分析可能的解决方法,进而转入对新知识的讨论。最后,对新知识的应用进行概述,为学员指明该方法的“去脉”。在对每个重要知识点的“来龙去脉”都非常熟知的情况下,在工程中究竟应该选取什么样的方法就可以做到心中有数了,即使是忘记了公式的具体符号,也可以很快地在资料中找到。

  (二)注重物理意义的解释,简化繁琐的公式推导

  繁琐的公式推导是会让大多数人厌烦的,但是我们可以注意到这样一个事实,在实际应用的过程中往往不是需要我们对已有公式进行推导,而是正确应用。影响了公式正确应用的不是能否推导出该公式,而是是否理解了该公式,是否了解公式中的每一个参数与实际物理世界中的对应关系。所以,在进行《数字信号处理》和《,统计信号处理》课程的授课过程中,我们一般只选取最重要的公式进行最简单的推导,很快得出结论,将大部分的精力放在对结论性公式的解释上。

  (三)使用多种仿真软件丰富教学手段

  计算机技术以及信息技术的不断发展极大地促进了教育技术手段的提高。近些年来在信息与信号系统学科领域中涌现出了大量的可以用于辅助教学,辅助系统开发的软件,例如,Systemview、Matlab、LabWin—dows/CVI等。将这些仿真软件应用于课堂教学,可以使枯燥的公式变成形象的波形和频谱,很容易就能够理解和掌握所学知识。

  另外,学员在课后也可以使用这些仿真软件,软件强大的计算功能、数据处理显示功能和某些软件的图形编成语言使得学员仿佛置身在“示波器”“频谱仪”“矢量分析仪”等仪器旁边,每当自己有一些新想法的时候,不再需要闷头推导公式去论证自己的想法,而是在仿真环境中依据自己的想法,轻松搭建一个属于自己的小系统,运行之后就可以看到自己的想法变为现实之后的效果,如果对自己的想法并不满意,则可以继续进行调整。经过这样的磨炼,他们的科研能力都得到了锻炼,提高解决工程实践问题的能力也正是工程硕士的培养目标。

  四、以工程实例为牵引

  对工程技术型工程硕士的学位要求是“掌握本门学科坚实的基础理论、系统的专门知识和工程技术;具有独立担负专门技术工作包括开发研究、工程分析和设计工作的能力。”可见,对于工程技术型的工程硕士的培养,基础理论知识和工程技术的培养是齐头并进的,更加侧重于对其工程实践能力的培养。理论知识和工程技术不是截然分开的两种事物,而是紧密联系的同一事物的两个方面,理论知识是工程技术的基础,而工程技术则是将理论知识在实践中的具体应用,要想提高学员的理论知识和工程技术水平,教员应当先具备足够的工程经验,这样才有可能引导学员顺利地从理论过渡到实践。

  笔者们的工程实践经验比较有限,但是还是尝试着将已经完成的科研项目进行适当的简化,作为案例进行使用,以工程实例作为课程的牵引。根据课程的进程,在一定的阶段以某些工程实例为背景介绍该项目的基本技术指标要求,根据任务的要求在学员问展开讨论,将具有代表性的观点归纳总结成不同的实现方案,再利用各种仿真软件对方案中的各个关键环节进行仿真分析,对其所能够达到的指标进行论证,回溯到原始的技术指标进行比对,对各个方案的优缺点进行比较,最后教员给出已完成的工程实例的技术方案,并解释每一项关键技术的选择、论证的过程,以及该项目所获得的收益。

  这样的做法极大地丰富了教材的知识,更重要的是极大地提高学员的积极性,以《数字信号处理》课程中引入的“记录分系统”项目为例,当该课程的进程过半,学员已经熟悉了模拟信号数字化方法、离散时间信号的时域和频域分析方法、多速率信号处理技术等知识,教员介绍“记录分系统”项目的指标要求,对中心频率70MHz、带宽23MHz的中频信号进行采集并存储于介质中,要求因“记录”操作所造成的信号损失不超过ldB。接受项目后学员很快将项目分解为“采集”“传输”和“存储”三个主要环节。

  学员们在第一个环节上就遇到了困难,按照常理,教材上介绍最多的是“低通采样定理”,定理要求只有在采样的过程中使用高于原始信号最高频率2倍以上的采样速率进行采样才能保证能够从采样后的信号中无失真地恢复原始信号,但是此项目中被采集信号最高频率为81.5MHz,工程上一般采用5倍最高频率作为采样频率,粗略估算采样频率应为400MHz左右,如此高速率的ADC器件造价很高,性能也不是很稳定,而且由此产生的采样值经过量化编码后形成的数据量更是大的惊人,显然这是不可取的一种采集方案。

  通过课后资料的查阅,又有学员提出采用目前软件无线电平台上经常采用的“正交下变频”的方法,在完成采样的同时降低了数据的速率。这种方法已经成功地应用在许多“数字化接收机”和“综合基带设备”上,显然是一种不错的选择,但是我们还可以进一步的对项目进行分析,数字接收机之所以采用“正交下变频”的方法,主要是为了满足零中频采样的目的,采样后信号由原始的一路信号变为了速率较低的同相和正交两路信号,而后再进行后续的解调等处理。回顾“记录分系统”的设计目的,采集后的信号并没有进行更多的处理,仅仅是存储起来,如果采用“正交下变频”的方法,无形中增加了系统的复杂程度,应该还有更优的方案。

  经过对各种采样方法的归纳总结,学员们发现根据“记录分系统”不对数据进行更多处理的特点,可以选择与“低通采样定理”相对应的“带通采样”方式,那么带通采样中的采样频率该如何选取呢?随着问题不断涌现,学员们解决问题的兴趣也越来越浓厚,课本中的知识不断地被尝试于实践中,即便是没有被选中的方案,反复的论证过程实质上就是知识从课本到学员能力的内化过程,学员的收获也是非常大的,对教学质量的提高效果明显。