彭芳 吳軍 馬健 向建軍

摘? 要 以專業(yè)學位研究生隨機信號處理課程教學為對象，分析課程教學現(xiàn)狀和構建實踐性課堂存在的問題，提出以培養(yǎng)實踐應用能力為導向的教學改革路線。通過優(yōu)化重構教學內容體系、開展分層實踐教學活動、創(chuàng)新Seminar教法形式、緊貼裝備拓展理論實踐技能，以及完善綜合考核機制等舉措，提升研究生的自主學習和實踐應用能力，取得良好的教學效果，為研究生畢業(yè)后勝任第一任職崗位打牢基礎。

關鍵詞 隨機信號處理;專業(yè)學位研究生;實踐應用能力;教學改革;MATLAB;Simulink;MOOC;通用DSP開發(fā)平臺

中圖分類號：G643.7? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）20-0080-05

Research on Teaching Reform of Professional Degree Graduate Course Guided by Cultivation of Practical and Applied Ability//

PENG Fang， WU Jun， MA Jian， XIANG Jianjun

Abstract Taking the course teaching of Random Signal Processing for the graduate students of professional degree， this paper analyzes the current situation of the course teaching and the problems exis-

ting in the construction of practical class， and puts forward the tea-ching reform route based on practical application ability. Through optimizing and reconstructing the teaching content system， opening up the practice teaching activities in stratified practice， innovating the Seminar teaching method， sticking to the equipment for expan-

ding the theoretical and practical skills and perfecting the compre-hensive check mechanism， the self-learning and practical application ability of graduate students is improved， so it has achieved good tea-

ching results and laid a solid foundation for the first station.

Key words random signal processing; professional degree graduate; practical and applied ability; teaching reform; MATLAB; Simulink; MOOC; general DSP development platform

1 課程建設背景

近幾年來，我國軍隊研究生教育正加速由學術型人才培養(yǎng)為主向應用型人才培養(yǎng)為主的轉變，為培養(yǎng)和造就大批高層次新型軍事人才，打贏信息化戰(zhàn)爭提供強有力的人才和智力支持。積極發(fā)展專業(yè)學位研究生教育，不僅是適應軍隊研究生教育“三個轉變”的需要，也是院校教育“向實戰(zhàn)貼近，向部隊靠攏，向裝備聚焦”的迫切要求[1-2]。專業(yè)學位研究生教育旨在培養(yǎng)具備寬廣領域知識、較強實踐能力、優(yōu)良職業(yè)素養(yǎng)的高層次應用型專門人才，因此在專業(yè)課程教學中需以實踐應用為導向，以培養(yǎng)工程應用人才為目標，以“建立實踐性教學體系，突出邏輯解題能力培養(yǎng)”為方法，全面構建實踐性課堂。

專業(yè)學位研究生的課程建設，在教學理念、教學內容、質量標準、教學方式等方面，應區(qū)別于過去學術研究型人才的培養(yǎng)[3]。隨機信號處理課程是空軍工程大學立項建設的專業(yè)學位研究生課程，課題組在2017年承擔了電子與通信工程專業(yè)學位研究生60個學時的該課程教學任務，依據(jù)前期對專業(yè)學位人才培養(yǎng)目標與定位的初步認識，以及前期課程建設中積累的一些素材和經驗，著重從更新教學理念、優(yōu)化重構教學內容、分層實踐教學、創(chuàng)新教學方法、課程綜合考核等多方面開展有益嘗試，取得較好的教學效果。

2 隨機信號處理課程教學現(xiàn)狀分析

隨機信號處理課程是信號與信息處理專業(yè)通信處理理論與技術方向，以及電子與信息系統(tǒng)專業(yè)雷達與通信信號處理方向碩士研究生的一門核心專業(yè)基礎課程，也是一門學時較多的學位課。如何在較強的背景噪聲下提取真正的信號或信號的特征，并將它們應用于工程實際，是信號處理理論的一個重要內容。工程應用中遇到的實際信號大都具有隨機特性，研究隨機信號的分析與處理方法有著重要的理論意義與實際意義。

本課程主要討論現(xiàn)代濾波的基本理論以及基于信號模型分析的基本方法，以維納濾波器為基礎內容，以卡爾曼濾波、自適應濾波器和現(xiàn)代譜估計為核心內容，初步探索高階矩譜估計、時頻分析、小波變換等現(xiàn)代數(shù)字信號處理中的新理論和新技術[4]。隨機數(shù)字信號處理在理論上涉及范圍廣泛，概率統(tǒng)計、隨機過程、數(shù)值分析等是它的基本工具，信號與系統(tǒng)、離散時間信號處理是它的理論基礎，在學科發(fā)展上與最優(yōu)控制、通信理論等緊密相連，近年來又成為人工智能、模式識別、神經網絡等新興學科的理論基礎之一，其應用拓展到眾多的電子工程領域，如雷達、通信、電子對抗等，為復雜電子信息系統(tǒng)的數(shù)字信號處理實現(xiàn)提供堅實理論支撐。

專業(yè)學位研究生人才培養(yǎng)要求應以實際應用為向導，以綜合素養(yǎng)和應用知識與能力的培養(yǎng)為核心，尤其是專業(yè)課程教學必須強調實踐性和應用性[5]?，F(xiàn)有課程教學資源與學員創(chuàng)新能力的提高，以及創(chuàng)新性實踐教育模式的運行之間還存在一定的差距，主要表現(xiàn)如下。

新型信息化武器裝備技術在課程內容的前沿性中體現(xiàn)不足? 通常課程前沿性是指研究生課程內容體現(xiàn)學術上的先進性、高端性、創(chuàng)新性，是科學或學科最新成果在課程內容上的體現(xiàn)。對于電子與通信工程專業(yè)方向的專業(yè)學位研究生而言，畢業(yè)后主要擔負高度信息化的航空電子裝備保障任務。近年來，院校教育改革的主要方向是培養(yǎng)崗位指向明確的高層次應用型人才，在專業(yè)學位研究生培養(yǎng)目標上，如何在追求學術創(chuàng)新的同時，更要針對部隊的任職需求，加強崗位任職能力的培養(yǎng)，實現(xiàn)專業(yè)學位研究生教育與任職教育的融合發(fā)展，仍是值得深入研究的問題[6]。因此，在航空電子信息化裝備平臺和技術日新月異的今天，新裝備新技術在教學內容中的有效嵌入需要精心的教學設計與準備。

課程的教學實踐內容與實戰(zhàn)化教學貼得不緊密? 通常隨機信號處理算法的計算機仿真實現(xiàn)主要基于MATLAB軟件仿真工具來完成，其目的有三：1）編程實現(xiàn)某一具體算法;2）對影響算法效果的各種因素進行分析;3）對同一種用途下的不同算法進行對比分析，歸納各種算法的適用環(huán)境。目前，現(xiàn)有的一些實驗內容大多為驗證性實驗，難度設置上偏低，沒有充分考慮信息化電子系統(tǒng)所處的真實戰(zhàn)場環(huán)境與信號處理過程;其次，大多數(shù)學員僅掌握了MATLAB基本的編程技巧，對基于GUI和Simulink的可視化仿真技術仍顯生疏，無法有效搭建實時的、可視化仿真系統(tǒng)，難以支持基于Simulink仿真建模的探究性實驗和基于DSP開發(fā)平臺的開放性實驗的開展。

教學方法手段較為落后，學員主動參與意識不強? 目前普遍采用的“一言堂”式教學方法僅僅讓學員知其“理”，很少讓學員知道“怎么做”。以情景認知理論、建構主義、實用主義為指導，將課程教學從知識傳授為主向知識應用與職業(yè)體驗為主轉變，用實踐訓練和研討互動等多種形式突出實踐性的教學手段明顯不足，抑制了學員創(chuàng)新思維能力的發(fā)展。

專業(yè)學位研究生課程的多樣化考核機制有待完善? 在課程教學中應使研究生鞏固專業(yè)基礎，接觸學科前沿，學習科研方法，接受實踐訓練，培養(yǎng)創(chuàng)新能力[5]。課程考核如何區(qū)別于學術學位的論文導向型評價體制，特別是實踐能力的考核如何體現(xiàn)，怎樣科學合理地設置權重，也是一個值得探討的問題。

3 以實踐應用為導向的教學改革路線

充分利用信息化教學資源，優(yōu)化重構教學內容體系? 為搭建寬廣、復合、動態(tài)、實用的教學內容體系，基于信號在不同維度空間（時域、頻域、時頻結合）處理方法手段的諸多不同，以及將原理講授與算法仿真實現(xiàn)和學術科研實踐有機融合的思路，對教學內容進行優(yōu)化和重構，實行“一縱三橫”的模塊化教學。以時域離散隨機信號的分析為理論基礎，以時域處理→頻域處理→時頻域的聯(lián)合處理為主線，分解為四大教學模塊（信號分析、時域濾波算法、功率譜估計、時頻分析與小波變換）組織實施。

利用中國大學MOOC、學堂在線、優(yōu)酷視頻、微課網等網絡平臺上校外專家的教學視頻和優(yōu)質教學資源，如西安電子科技大學的數(shù)字信號處理MOOC，國防科技大學的隨機信號處理教學視頻等，借助MATLAB仿真軟件、DSP軟件開發(fā)系統(tǒng)等多種信息化實踐手段，利用裝備半實物仿真任務電子訓練系統(tǒng)平臺搭建的信息化仿真訓練環(huán)境，將傳統(tǒng)課堂教學擴展為課前理論自學、課堂知識導學和課后實踐拓展的分布式教學體系，構建校內與校外、課內與課外、理論與實踐有機融合的實踐性課堂?；谛盘柼幚砭S度主線劃分的“一縱三橫”教學模塊如圖1所示。

合理設計驗證性、探究性和開放性實驗，實現(xiàn)分層實踐教學? 精心設計基于MATLAB仿真的原理驗證性實驗、基于Simulink仿真建模的探究性實驗，以及基于通用DSP開發(fā)系統(tǒng)平臺的開放性實驗等三個層級的實踐項目?？紤]系統(tǒng)仿真的直觀性、實時性需求，實踐項目難度亦逐步提升，對原理驗證性實驗要求是學員普遍掌握，對探究性和開放性實驗根據(jù)學員專業(yè)方向的不同與動手實踐能力的不同，在成果形式上沒有統(tǒng)一要求。

1）原理驗證性實踐。該類實驗的主要目的是：計算機編程實現(xiàn)相關算法，分析影響算法性能的各種因素;對解決同一問題的不同算法，比較其性能，歸納出算法的適用環(huán)境和優(yōu)缺點;把抽象的信號處理形象化，通過信號處理前后的圖像對比，使學員對濾波、譜估計等理論有直觀感性的認識;提升學員的編程技巧（如多維輸入輸出下的卡爾曼濾波、自相關矩陣的編程實現(xiàn)等）。最終達到對隨機信號處理基本經典理論的鞏固和深入理解。

2）基于Simulink仿真建模的探究性實驗。該實踐項目主要依托Simulink圖形軟件開展信號處理系統(tǒng)的模擬與設計研究，由學員在課外自主進行。Simulink是一款與MATLAB融為一體，對動態(tài)系統(tǒng)進行模擬、仿真和分析的應用軟件，該軟件帶有豐富的工程應用方面的工具箱，其中包括用于通信系統(tǒng)仿真、數(shù)字信號處理的工具箱。該工具采用框圖形式語言，對于搭建動態(tài)模型非常直觀、方便，且可以進行交互式系統(tǒng)仿真，可隨時修改系統(tǒng)模型和調整仿真參數(shù)。此類實驗的主要目的是：掌握設計隨機數(shù)字信號處理相關算法的原理和方法;熟悉算法實現(xiàn)的特性;了解各種參數(shù)對算法性能的影響，獲得最優(yōu)策略選擇。

實驗內容包括維納線性預測、自適應濾波器、自回歸過程的參數(shù)估計和功率譜估計等，根據(jù)個人的專業(yè)方向選擇其中一個任務，搭建相應信號處理系統(tǒng)模型，從MATLAB程序中自動生成C程序，對模型進行編譯，選擇合適的模型參數(shù)，實現(xiàn)復雜數(shù)字信號處理系統(tǒng)的模擬與仿真。在運行過程中調整模型參數(shù)，觀測不同信號算法及參數(shù)變化對示波器、頻譜儀等測量儀器輸出波形的影響，研判系統(tǒng)仿真性能及精度的改善情況，實現(xiàn)理論與實踐的緊密結合。

3）基于通用DSP開發(fā)平臺的開放性實驗。該實踐項目主要依托一套通用DSP開發(fā)系統(tǒng)（ICETEK-VC5509-A型實驗箱）和配備Code Composer Studio 3.1軟件的計算機，開展自適應濾波器的算法研究和DSP仿真實現(xiàn)。自適應濾波器是一種復雜的算法，設計它是為了在信道均衡、抵消回波、增強譜線、抑制噪聲等方面有所應用。在掌握算法工作原理的基礎上，該開放性實踐項目的難點主要體現(xiàn)在建立程序設計思路和流程圖，通過CCS軟件環(huán)境進行程序編寫，把濾波程序燒錄到DSP芯片中;還需進行程序的調試與運行，最后在CCS環(huán)境下查看仿真結果，可與MATLAB仿真結果進行比較。通過硬件產品設計、調試、開發(fā)，體驗模擬仿真實現(xiàn)與實時系統(tǒng)應用間的差別，使學員得到創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在整個實踐過程中還可逐步引入在研基金項目和科研訓練項目等多樣實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學員的實踐創(chuàng)新意識與能力。

針對不同教學模塊的教學特點，創(chuàng)新教法形式? 以“緊貼裝備發(fā)展、探索學科前沿，創(chuàng)設應用語境、增強實踐技能”為指導原則，在課前、課中和課后不同時間段，合理采用精講課、專題研討課、自主研究課、文獻課、實驗報告課和嘉賓論壇課等多種課堂組織形式，適當選取基于問題牽引式、案例式、對比式、Seminar等多種符合現(xiàn)代教育理念的教學方法，尤其是Seminar教學法實現(xiàn)了傳統(tǒng)教學的單向傳導模式向雙向互動模式的轉化，以利于激發(fā)學員的自主學習能力和實踐創(chuàng)新能力[7]。下面以自適應濾波算法研討課為例，介紹Seminar教學法的組織實施過程。

1）教學內容：自適應濾波算法改進的可能途徑、應用條件及其優(yōu)缺點，主要從自適應權值最優(yōu)點搜索方法、步長的選擇最優(yōu)策略、濾波器結構選取對濾波性能的影響等三個方面入手。

2）教學目標：要求學員深刻理解自適應濾波算法優(yōu)化的途徑，在追蹤前沿、問題求解、總結歸納的基礎上，敢于質疑，提出自主創(chuàng)新的新思路。

3）組織方法：采用Seminar教學法，組織方法和實施步驟如圖2所示，分課前自學、課堂研討、課后深化三個教學階段進行。

①組織實施與課前自學階段。教員課前確定“自適應濾波算法的優(yōu)化策略”研討主題，給出六篇主要參考文獻，以最優(yōu)權值選擇、步長參數(shù)最優(yōu)策略、濾波器結構優(yōu)選為研討內容，確定研討目標要求和時間分配。學員分組選定題目后，以指定文獻閱讀為主，通過中國知網等平臺自主查閱相關輔助資料，組內討論后形成獨立的觀點，制作成PPT用于課堂展示和討論。該階段以學員課外自主學習為主，教員提供必要的指導，根據(jù)學員的問題通過院研究生課程教學網站平臺進行分類指導。

②協(xié)助引導與課堂研討階段。這一階段，首先由教員簡單介紹本次所要討論的主題和相關知識點，以及分組自主研究情況等;然后各小組分別做匯報和陳述;隨后圍繞主題，課程參與者向報告小組提問或給出意見和建議，并積極討論，最后由教員點評總結。在課內的整個過程中，教員需要維持好課堂研討氣氛的活躍度，控制發(fā)言時間，引導討論的進程和方向，及時指正學員匯報討論中可能出現(xiàn)的錯誤，保證Seminar的順利進行。本次課學員的課堂研討評價結果計入最終的文獻報告研討總分。

③實踐運用與課后深化階段。課后教員仍繼續(xù)引導學員積極關注自適應算法優(yōu)化理論在現(xiàn)代雷達、通信工程實踐中的應用，鼓勵其利用MATLAB和Simulink仿真工具開展算法仿真，并緊密結合其論文研究方向提出自主創(chuàng)新的算法，并進行仿真驗證與運用。學員根據(jù)課堂上提出的問題和建議，將三個方面的研討內容進行整理，按照研討論文格式要求形成一份關于自適應濾波算法優(yōu)化策略的綜合研討報告，梳理提煉出可能的創(chuàng)新優(yōu)化方法，熟練運用數(shù)值軟件仿真工具進行仿真驗證，分析其正確性和有效性。

緊貼預警探測新裝備運用，拓展理論與實踐技能? 以專業(yè)學位研究生的任職崗位需求為牽引，在課堂教學過程中緊密銜接信息化預警探測裝備新技術的運用，及時將現(xiàn)役新的信息化裝備中信號處理問題與解決方案充實到課堂中來，實現(xiàn)隨機信號處理新、舊理論的動態(tài)銜接，使學員較快地熟悉信息化裝備中信號處理的一些關鍵技術。

以第二專題教學為例，維納濾波和卡爾曼濾波的課程內容與組織形式如圖3所示。首先以精講課形式介紹兩種現(xiàn)代濾波算法的基本原理;其次通過計算機編程對算法進行仿真實現(xiàn);然后以課堂串講和文獻閱讀的方式了解算法的具體應用;最后結合空中預警雷達探測新技術開展相關理論拓展研究，以及模擬戰(zhàn)場環(huán)境，拓展其實踐能力。

在理論拓展環(huán)節(jié)，以經典維納濾波理論為基礎，以當前軍用航空電子裝備廣泛應用的陣列信號處理技術以及某型機平臺應用的空時二維自適應信號處理關鍵技術為背景，開展多級維納濾波器的主題文獻研討。教員指定一組學員并發(fā)布研討任務，學員利用課外進行文獻資料收集，制作PPT以課堂研討的形式進行匯報，重點對算法原理和算法步驟進行解析，總結該算法與經典維納濾波的異同點，深入思考阻塞矩陣的構造方法。匯報結束后，通過提問和討論的方式形成一種生生互動、師生互動的良好局面。通過理論拓展，使學員更深刻地理解了多級維納濾波器的基本原理，熟悉該算法在機載雷達下視工作時的雜波抑制和慢動目標檢測中的運用機制，以及因其良好的降維特性在工程應用中的廣泛性。

在實踐拓展環(huán)節(jié)，以經典卡爾曼濾波算法為基礎，以某型機平臺應用的自適應機動目標跟蹤模式及關鍵技術為背景，開展基于交互多模型和卡爾曼濾波的機動目標跟蹤仿真實踐?？柭鼮V波被廣泛應用于雷達對運動目標的探測與跟蹤，在以往的實踐教學中，主要考查學員對遞推算法流程的掌握程度和數(shù)值仿真計算的能力，仿真環(huán)境的設置相對簡單，如目標設置為勻速或勻加速運動，且在觀察時間內運動狀態(tài)無變化。然而，實際戰(zhàn)場環(huán)境中的運動目標隨時會出現(xiàn)轉彎、躲閃或是其他特殊的攻擊姿態(tài)等機動現(xiàn)象，通常不會保持同一種運動狀態(tài)，顯然采用固定的系統(tǒng)狀態(tài)方程無法描述機動目標的運動特性，因此需要構建貼近戰(zhàn)場真實態(tài)勢的仿真環(huán)境，采用交互多模型（IMM）技術來實現(xiàn)對機動目標的跟蹤。如仿真環(huán)境可設置為：目標在一段時間內的運動過程中，運動速率保持不變，但是在幾個不同時段分別以不同的轉彎速率進行機動，其余時間則進行勻速運動。

系統(tǒng)的觀測噪聲標準差已知，交互多模型算法的模型集由七個具有不同轉彎速率的協(xié)同轉彎模型構成，通過計算機編程結果觀察機動目標跟蹤的效果[8]。由于該任務工作量較大，指派四人為一組來完成，其中兩人通過查閱文獻或專著，分別匯報擴展卡爾曼濾波算法理論和交互多模型濾波理論，以文獻匯報為主;另外兩人協(xié)同開發(fā)仿真程序，課堂上主要匯報編程過程和實驗結果。通過該實踐拓展過程，學員依據(jù)卡爾曼濾波基礎知識，自主學習掌握了交互多模型算法的基本原理，熟悉了交互多模型+卡爾曼濾波的濾波算法流程，仿真實現(xiàn)了具有復雜運動狀態(tài)的機動目標跟蹤。

其中，兩名負責編程的學員在教員指導下都獨立完成整個算法的程序編制，但兩人在編程技巧上各有所悟，如在多維矩陣數(shù)組的編程中，分別采用元胞數(shù)組和結構體來實現(xiàn)，使程序更為靈巧短小，較大地提升了他們對課外專業(yè)知識的掌握能力和實踐創(chuàng)新能力。

完善綜合考核機制，區(qū)別學術學位? 根據(jù)教學目標模型，改變以往筆試為主的課程考核方式，采用基于過程、注重能力的考核評價思路與方法，加大研究報告、設計制作、案例分析、想定作業(yè)等在考核中的比重，推廣專題答辯、研究報告等綜合考核方法，建立科學嚴謹、操作性強的課程成績評價體系。

專業(yè)學位研究生教育與學術型研究生教育的教學目標有所區(qū)別，前者的教學重點是強調任職后的應用能力，即在崗位實踐中解決問題的能力;而后者著重培養(yǎng)學員的研究能力。因此，對于專業(yè)學位研究生的課程考核也必須進行相應的調整與改革。調整后的課程考核方式以及與學術型考核的對比如表1所示。由表1可見，專業(yè)學位的課程考試方式是五項加權為學員的最終考試成績。其中增加了課程作業(yè)指標考核，作業(yè)內容為幾個專題中經典算法的編程實現(xiàn)，包括維納濾波、卡爾曼濾波、經典譜估計、現(xiàn)代譜估計、自適應濾波實驗中的五個經典算法，考核目的是使每名學員都能掌握經典算法的原理與實現(xiàn)，提高編程技巧。

其次，課程論文指標考核主要考查學員運用本課程所學理論解決工程實際問題的能力、論文撰寫能力等。對專業(yè)學位所設置的該項指標權重低于學術型考核，且論文選題要緊貼自身的研究方向，論文可以用專題研究、研究報告、案例分析、調研報告等多種形式呈現(xiàn)。對于學術型研究生而言，要求更為嚴格，必須體現(xiàn)學術論文的規(guī)范性和研究成果的創(chuàng)新性，達到期刊發(fā)表要求。

此外，在研討指標權重的設置上，專業(yè)學位研究生的該項考核權重要高于學術型，且研討以主題研討為主，即由教員指派具體任務，包括理論拓展與實踐拓展兩個環(huán)節(jié)，分別體現(xiàn)了理論的前沿性和技術的實用性。對于學術型研究生而言，研討是以文獻研討為主，文獻要求反映近幾年發(fā)表的本學科領域的重要學術觀點和最新成果，以學員講解文獻為主、集體討論為輔，通過教員總結點評的形式開展。

4 結語

總之，專業(yè)學位研究生教育是當前及未來我軍高層次應用型人才培養(yǎng)的主戰(zhàn)場，其成敗關乎能否滿足高技術戰(zhàn)爭的人才需求，具有至關重要的政治和軍事意義。進行軍隊專業(yè)學位研究生教育改革，要以教學團隊建設為先導，以教學模式創(chuàng)新為核心。在本輪課程建設過程中，課題組成員利用教法研討、教學實踐、培訓競賽、演習演練、課題研究、技術支援等手段不斷提升教學水平，形成一支師德師風好、學術水平高、教學能力強，以學科帶頭人為核心的勝任教學任務的課程教學團隊。同時在教學理念、課程內容、教學方法、課堂形式、考核評價等方面開展了初步的改革嘗試，加大了應用能力訓練內容的比例，在學員的互動參與中收到良好的教學效果，學員普遍反映自己的實踐應用能力得到鍛煉，分析問題與解決問題的能力得到提升。

今后將繼續(xù)把握高層次應用型人才培養(yǎng)的特點與規(guī)律，以全面提升專業(yè)學位研究生的實踐、應用與創(chuàng)新能力為主導，使課程建設更加能凸顯專業(yè)學位研究生教育的特定職業(yè)指向性、較強實踐創(chuàng)新性、職業(yè)性與學術性相統(tǒng)一、理論知識與應用能力相統(tǒng)一的基本特征[9]。■

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