關於提高通信與信息系統專業工程碩士教學質量的教學論文
【論文摘要】本文以裝備指揮技術學院通信與信息系統工程碩士開設的《數字信號處理》和《統計信號處理》課程為背景，分析工程碩士學員的特點，並結合課程的特點，通過適當調整教學內容，將仿真軟件引入課堂，將工程實例融入教學內容等方法有效地提高了本專業工程碩士專業課的教學質量。
【論文關鍵詞】工程碩士；數字信號處理；統計信號處理；教學質量
為適應國民經濟與人才需求的多樣性發展，促進科技、教育、經濟的緊密結合，培養更多更好的高素質應用型人才，我國於1997年設置了工程碩士專業學位。工程碩士是相對於工學碩士而言的學位類型，它與工程領域任職資格相聯繫，與工學碩士處於同一層次，但側重於工程應用。我國的工程碩士教育極大地豐富了研究生培養模式和學位類型，在研究生教育的理論與實踐中具有重大的意義。
為了滿足軍隊人才培養的需要，裝備指揮技術學院招收項目管理專業和通信與信息系統專業工程碩士，筆者們有幸連續五年承擔了通信與信息系統專業《數字信號處理》和《統計信號處理》課程的教學任務，最初的教學我們還是秉承了已有工學碩士相關課程的教學思路和模式，但是實際的教學效果並不是非常理想。
矛盾集中體現在上述兩門課程的最大特點就是需要很多的公式推導和證明，同時與本科階段學習的某些課程緊密相關，前來學習的工程碩士學員大多工作了很長時間，積累了豐富的實踐經驗，同時也遠離了課本很長時間。感受到學員們面對成串公式的難耐之情，我們不得不進行認真的思考，原有的工學碩士的教學模式已不能適用於工程碩士的教學特點，只有結合工程碩士自身的特殊性以及課程的特點，合理地設置教學內容，選取教學方法，才能提高工程碩士的教學質量。總結近幾年的教學經驗，主要從以下幾方面進行了改進，取得了一定的效果。
一、從回憶中獲取新的知識
工程碩士研究生均來自各單位的一線崗位，大都具有5年以上的實踐工作經驗，一般都具有較多的獨立工作經驗，是本單位有一定發展前途的技術骨幹。這些學員的最大優點就是參加工作時間長，有較豐富的實踐經驗，分析和解決實際問題的能力較強。然而，從學校畢業時間長也是他們的缺陷所在，他們在大學本科學習的專業知識部分如果本職工作中幾乎不用的話，在他們最初攻讀工程碩士學位課程的時候已經是所剩無幾，甚至有些知識已經陳舊，亟須更新。即使是由於有機會經常使用，對某些知識還比較熟練，但這也是很有侷限性的，因此，舊知識的遺忘和現有知識的不繫統性成為了工程碩士學員們要通過的第一難關。
筆者所在學院為工程碩士開設的課程統一都是32學時，如何在有限的時間裏使其有最大的收穫是每一位教員應當用心思考的問題。我們的做法是在剛開課的時候先拿出4學時對本科階段的有關專業知識進行復習，喚起學員們的記憶，為後續內容的學習打下良好的基礎。這種複習不是面面俱到的複習，而是有針對性的複習，即只複習與後續課程息息相關的.內容，
如《數字信號處理》課程我們只複習卷積、傅立葉變換、濾波器設計和系統的變換域等內容；《統計信號處理》課程我們只複習概率、隨機過程和隨機信號與線性系統等內容。複習的過程也不是舊知識的簡單復現，而是啟發式的回憶，即教員先提出一些關鍵信息。啟發學員進行回憶，通過對學員零碎的知識片斷進行有序整合，最終在學員的腦海中搭建出本課程的體系結構。
正如那句老話，“磨刀不誤砍柴功”，這樣的回憶是非常有意義的，它有助於學員狀態的調整，使其從一個習慣於工作的忙碌的骨幹轉變為一個勤奮學習的學生；有助於學員對新知識的掌握，我們相信從一個高的起點出發，總會收穫更多的成功。當然這樣的做法無形中提高了對教員的要求，任課教員必須非常熟悉本課程的內容，清晰地理出新舊知識之間的關係，各個知識點之間的關係，甚至是這些知識在現實生活的具體應用。
二、有失必有得
經過4學時的回憶之後學員們逐漸有了一些信心，但當他們打開厚厚的課本時，還是會感到一絲厭煩。由於各種原因，許多工程碩士課程選用的教材基本上和工學碩士的教材是相同的，這些教材無論從體系結構上還是具體內容上都過於強調基礎理論，強調內容的系統性、嚴密性和完整性。然而對於工程碩士而言，他們更加渴望的是教材內容的寬廣性、綜合性、先進性和應用性。在尚未尋找到專門為工程碩士編寫的教材的條件下，我們針對工程碩士研究生的特點與培養目標，結合相關工程領域的發展方向和所面臨的新技術新問題，對教材的內容進行刪減和重新的組織，使其既能夠保證足夠高的學術水平，又能適應工程碩士的實際知識結構與能力水平。
例如，我們將《數字信號處理》課程中同態濾波、K—L變換、DHT變換等應用範圍比較小的內容作為自學內容，供學員們根據自己的能力和興趣自行選擇，而將課程的重點放在平穩隨機信號的功率譜估計上，着重研究各種經典譜估計方法和現代譜估計方法的基本原理、各種方法的估計性能比較、改善措施以及其在實際應用中的適用條件等，同時，根據當前本學科的前沿發展動態，適當地加入軟件無線電技術相關的知識。
對教學內容合理的取捨有助於帶領學員集中精力進行深入的鑽研，而面面俱到的教學，表面上學了很多知識，事實上真正學到的東西卻很少。
三、讓抽象的知識“活”起來
無論我們翻開到《數字信號處理》和《統計信號處理》課程教材的哪一頁，通常映入眼簾的都會是密密麻麻的公式，這是一種科學的語言，用數學符號來描述物理現實，是對物理現象高度的抽象，從而能夠更有效地找尋和建立一些通用的方法來解決實際問題。換句話説，公式的得來源於現實，而公式的終極目標又是要服務於現實的，即需要利用公式去解決現實中更多的問題。
對於實際工程經驗豐富，但是理論知識不夠系統的工程碩士而言，直接鋪天蓋地的推導公式只能讓他們望而卻步，甚至會使其失去了自己研究的方向，只有讓抽象的知識“活”起來，才能使得學員更好地理解、接受和靈活應用所學知識。針對這兩門課程“公式繁多”但“與實際聯繫緊密”的特點，我們在教學過程中應重點就以下幾方面進行了設計。
(一)從熟知的現象中引入新的知識
儘量從學員熟悉的事物中引出新的知識，這樣可以增加學員對新知識的親近感和熟悉感，更有信心學習掌握新知識。從某種意義上説，一個新的知識。未必是一個新的事物，而是與各種已有的舊知識息息相關，更進一步説，這種新的知識很可能僅僅是諸多舊知識之間建立了一種新的聯繫。新知識的出現並不是為了推翻舊的知識而是為了優化舊知識而已。
幫助學員在腦海裏建立知識點和知識點之間的聯繫非常重要，這樣更有助於讓學員認清知識的本質。因此在引入新知識的時候，我們儘量注意先分析原有方法的性能、優缺點、侷限性，以及造成這些問題的根本原因，即為學員描述新知識的“來龍”。而後，從找到的根本原因出發，分析可能的解決方法，進而轉入對新知識的討論。最後，對新知識的應用進行概述，為學員指明該方法的“去脈”。在對每個重要知識點的“來龍去脈”都非常熟知的情況下，在工程中究竟應該選取什麼樣的方法就可以做到心中有數了，即使是忘記了公式的具體符號，也可以很快地在資料中找到。
(二)注重物理意義的解釋，簡化繁瑣的公式推導
繁瑣的公式推導是會讓大多數人厭煩的，但是我們可以注意到這樣一個事實，在實際應用的過程中往往不是需要我們對已有公式進行推導，而是正確應用。影響了公式正確應用的不是能否推導出該公式，而是是否理解了該公式，是否瞭解公式中的每一個參數與實際物理世界中的對應關係。所以，在進行《數字信號處理》和《，統計信號處理》課程的授課過程中，我們一般只選取最重要的公式進行最簡單的推導，很快得出結論，將大部分的精力放在對結論性公式的解釋上。
(三)使用多種仿真軟件豐富教學手段
計算機技術以及信息技術的不斷髮展極大地促進了教育技術手段的提高。近些年來在信息與信號系統學科領域中湧現出了大量的可以用於輔助教學，輔助系統開發的軟件，例如，Systemview、Matlab、LabWin—dows／CVI等。將這些仿真軟件應用於課堂教學，可以使枯燥的公式變成形象的波形和頻譜，很容易就能夠理解和掌握所學知識。
另外，學員在課後也可以使用這些仿真軟件，軟件強大的計算功能、數據處理顯示功能和某些軟件的圖形編成語言使得學員彷彿置身在“示波器”“頻譜儀”“矢量分析儀”等儀器旁邊，每當自己有一些新想法的時候，不再需要悶頭推導公式去論證自己的想法，而是在仿真環境中依據自己的想法，輕鬆搭建一個屬於自己的小系統，運行之後就可以看到自己的想法變為現實之後的效果，如果對自己的想法並不滿意，則可以繼續進行調整。經過這樣的磨鍊，他們的科研能力都得到了鍛鍊，提高解決工程實踐問題的能力也正是工程碩士的培養目標。
四、以工程實例為牽引
對工程技術型工程碩士的學位要求是“掌握本門學科堅實的基礎理論、系統的專門知識和工程技術；具有獨立擔負專門技術工作包括開發研究、工程分析和設計工作的能力。”可見，對於工程技術型的工程碩士的培養，基礎理論知識和工程技術的培養是齊頭並進的，更加側重於對其工程實踐能力的培養。理論知識和工程技術不是截然分開的兩種事物，而是緊密聯繫的同一事物的兩個方面，理論知識是工程技術的基礎，而工程技術則是將理論知識在實踐中的具體應用，要想提高學員的理論知識和工程技術水平，教員應當先具備足夠的工程經驗，這樣才有可能引導學員順利地從理論過渡到實踐。
筆者們的工程實踐經驗比較有限，但是還是嘗試着將已經完成的科研項目進行適當的簡化，作為案例進行使用，以工程實例作為課程的牽引。根據課程的進程，在一定的階段以某些工程實例為背景介紹該項目的基本技術指標要求，根據任務的要求在學員問展開討論，將具有代表性的觀點歸納總結成不同的實現方案，再利用各種仿真軟件對方案中的各個關鍵環節進行仿真分析，對其所能夠達到的指標進行論證，回溯到原始的技術指標進行比對，對各個方案的優缺點進行比較，最後教員給出已完成的工程實例的技術方案，並解釋每一項關鍵技術的選擇、論證的過程，以及該項目所獲得的收益。
這樣的做法極大地豐富了教材的知識，更重要的是極大地提高學員的積極性，以《數字信號處理》課程中引入的“記錄分系統”項目為例，當該課程的進程過半，學員已經熟悉了模擬信號數字化方法、離散時間信號的時域和頻域分析方法、多速率信號處理技術等知識，教員介紹“記錄分系統”項目的指標要求，對中心頻率70MHz、帶寬23MHz的中頻信號進行採集並存儲於介質中，要求因“記錄”操作所造成的信號損失不超過ldB。接受項目後學員很快將項目分解為“採集”“傳輸”和“存儲”三個主要環節。
學員們在第一個環節上就遇到了困難，按照常理，教材上介紹最多的是“低通採樣定理”，定理要求只有在採樣的過程中使用高於原始信號最高頻率2倍以上的採樣速率進行採樣才能保證能夠從採樣後的信號中無失真地恢復原始信號，但是此項目中被採集信號最高頻率為81．5MHz，工程上一般採用5倍最高頻率作為採樣頻率，粗略估算採樣頻率應為400MHz左右，如此高速率的ADC器件造價很高，性能也不是很穩定，而且由此產生的採樣值經過量化編碼後形成的數據量更是大的驚人，顯然這是不可取的一種採集方案。
通過課後資料的查閲，又有學員提出採用目前軟件無線電平台上經常採用的“正交下變頻”的方法，在完成採樣的同時降低了數據的速率。這種方法已經成功地應用在許多“數字化接收機”和“綜合基帶設備”上，顯然是一種不錯的選擇，但是我們還可以進一步的對項目進行分析，數字接收機之所以採用“正交下變頻”的方法，主要是為了滿足零中頻採樣的目的，採樣後信號由原始的一路信號變為了速率較低的同相和正交兩路信號，而後再進行後續的解調等處理。回顧“記錄分系統”的設計目的，採集後的信號並沒有進行更多的處理，僅僅是存儲起來，如果採用“正交下變頻”的方法，無形中增加了系統的複雜程度，應該還有更優的方案。
經過對各種採樣方法的歸納總結，學員們發現根據“記錄分系統”不對數據進行更多處理的特點，可以選擇與“低通採樣定理”相對應的“帶通採樣”方式，那麼帶通採樣中的採樣頻率該如何選取呢?隨着問題不斷湧現，學員們解決問題的興趣也越來越濃厚，課本中的知識不斷地被嘗試於實踐中，即便是沒有被選中的方案，反覆的論證過程實質上就是知識從課本到學員能力的內化過程，學員的收穫也是非常大的，對教學質量的提高效果明顯。
