平頂山學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 李 寧 薛亞許

數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革的探索

平頂山學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 李 寧 薛亞許

本文針對數(shù)字信號處理課程理論性強(qiáng)、抽象概念多等特點，結(jié)合我校該課程實際教學(xué)情況，從課程體系、教學(xué)模式、實驗教學(xué)和考核方式四個方面進(jìn)行改革、研究。通過多媒體教學(xué)和試驗教學(xué)的結(jié)合，收到了較好的教學(xué)效果。

數(shù)字信號處理；教學(xué)改革；教學(xué)方法

一、引言

數(shù)字信號處理作為高等院校電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)必修課，隨著全球信息化的飛速發(fā)展，其應(yīng)用日益廣泛。在本課程的教與學(xué)的過程中，普遍反映該課程理論性很強(qiáng)，抽象概念多，難以理解和掌握。尤其是對三本學(xué)生來說，學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對薄弱，且未開設(shè)實驗課，學(xué)習(xí)本課程有一定困難，導(dǎo)致學(xué)生怕學(xué)、厭學(xué)、學(xué)不懂、學(xué)習(xí)興趣不高。因此如何幫助學(xué)生理解與掌握該課程的基本理論、并能夠綜合運(yùn)用相關(guān)知識解決實際問題是本課程的首要任務(wù)。本文結(jié)合平頂山學(xué)院電氣信息工程學(xué)院數(shù)字信號處理的教學(xué)現(xiàn)狀，對課程體系、課堂教學(xué)模式、實踐教學(xué)和考核方式進(jìn)行積極探索。

二、課程體系的優(yōu)化

數(shù)字信號處理課程作為信號處理學(xué)科一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，覆蓋我院電子信息工程和測控技術(shù)與儀器兩個專業(yè)，通過幾屆授課及與學(xué)生的課堂交流發(fā)現(xiàn)存在以下問題：學(xué)生在接收到相關(guān)課程的學(xué)習(xí)時僅能理解和掌握每一門課程中的一些理論知識，而且都是分散、凌亂的，甚至一部分學(xué)生僅僅為了期末考試過關(guān)，無法形成一個完成的課程體系，提高自身的分析問題、解決問題的能力，導(dǎo)致學(xué)生被動學(xué)習(xí)、目標(biāo)不明確，缺乏積極性，從此惡性循環(huán)。針對這些問題，入學(xué)時教師的引導(dǎo)十分重要，這就要求每一門課程的授課老師不僅對自身專業(yè)領(lǐng)域非常熟悉，還需要站在信號處理這門學(xué)科的角度去考慮，做到自然銜接，讓學(xué)生能逐漸建立自己的知識體系，提高學(xué)習(xí)積極性和信心。同時需要進(jìn)行合理的課程結(jié)構(gòu)設(shè)置，整合教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程體系。使幾門相關(guān)的課程組成一個結(jié)構(gòu)合理、層次清晰、相互連接的課程群體[1]，進(jìn)而獲得整體優(yōu)勢。

數(shù)字信號處理課程其先修課程有信號與系統(tǒng)，高等數(shù)學(xué)、矩陣分析、MATLAB應(yīng)用等。后續(xù)課程有DSP技術(shù)及應(yīng)用、通信原理等。就目前我院相關(guān)專業(yè)的開設(shè)情況進(jìn)行分析。

其一在課程內(nèi)容的選擇上無法實現(xiàn)很好的銜接，比如高等數(shù)學(xué)中的傅里葉級數(shù)，不管是對連續(xù)信號還是離散信號的分析，都具有很重要的地位，但是目前我院電子與測控兩個專業(yè)所開設(shè)的高等數(shù)學(xué)課程中竟然把傅里葉級數(shù)這一章節(jié)刪掉不講。造成同學(xué)們對信號分解這部分的概念理解非常困難。高等數(shù)學(xué)工科專業(yè)上的第一門基礎(chǔ)課，學(xué)習(xí)目的是為了以后能在相關(guān)專業(yè)課程中有所應(yīng)用，目前我?；A(chǔ)課課程的內(nèi)容選擇上無法以專業(yè)課為導(dǎo)向，不能把相關(guān)知識應(yīng)用到專業(yè)課中去，造成學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課時感覺枯燥、難懂；學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課時重要的知識點沒有學(xué)到或者十分生疏，不利于后續(xù)課程的開展。針對這種情況應(yīng)該通過相關(guān)學(xué)科教師之間進(jìn)行交流，通過對內(nèi)容調(diào)整使基礎(chǔ)課與專業(yè)課都能達(dá)到很好的教學(xué)效果。

圖1 頻域采樣定理的驗證

其二在課程的安排順序上需要進(jìn)行調(diào)整。MATLAB是一種仿真軟件，在數(shù)字信號處理課程中應(yīng)用很廣泛，無論是對信號進(jìn)行譜分析還是濾波器的設(shè)計都采用該軟件進(jìn)行實現(xiàn)，作為一種功能強(qiáng)大的計算工具，學(xué)生需要掌握MATLAB軟件的應(yīng)用來處理專業(yè)課中所遇到的問題。目前我院MATLAB課程作為考查課在大四上學(xué)期開設(shè)，而考研的同學(xué)卻沒法在這學(xué)期投入較多的精力去學(xué)習(xí)，在某種程度上也影響到其他專業(yè)課程相關(guān)知識點的展開，如果能把該軟件的學(xué)習(xí)作為一門基礎(chǔ)課開設(shè)在大二上學(xué)期，則能使教育資源得到更好的利用。在數(shù)字信號處理這門課程的學(xué)習(xí)中得心應(yīng)手，游刃有余。

三、教學(xué)模式的更新

數(shù)字信號處理存在概念多、不直觀且非常抽象、公式推導(dǎo)繁瑣等問題。在學(xué)習(xí)這門課程時，學(xué)生普遍感到數(shù)字信號處理的概念抽象，對其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握。因此，如何幫助學(xué)生理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的能力，是數(shù)字信號處理課程教學(xué)所要解決的關(guān)鍵問題。

首先，要轉(zhuǎn)變教學(xué)思想。在教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)基本內(nèi)容的深刻理解和基本概念的建立，淡化公式的推導(dǎo)和解題技巧，強(qiáng)化所學(xué)知識的綜合應(yīng)用與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2]；以培養(yǎng)學(xué)生的能力為核心，打破理論教學(xué)與實踐教學(xué)的界限，在多媒體教室將課堂教學(xué)與上機(jī)實驗融為一體，邊理論教學(xué)邊上機(jī)實驗，從而實現(xiàn)理論與實踐的有機(jī)結(jié)合。

其次，教師必須不斷地更新教學(xué)手段?！皵?shù)字信號處理”課程中有許多抽象的數(shù)學(xué)概念，可以通過MATLAB演示實驗[3]，揭示其物理概念，幫助學(xué)生理解與掌握，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與學(xué)習(xí)積極性，利用啟發(fā)式的教學(xué)方法和個性化教學(xué)方法使學(xué)生有更多的發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題的空間。下面舉例說明MATLAB在頻域采樣理論驗證中的應(yīng)用。

例：長度為26的三角形序列x(n)，分別對序列x(n)進(jìn)行16點32點的離散傅里葉變換(DFT)，分別對16點和32點頻域采樣進(jìn)行離散傅里葉反變換(IDFT)，并繪制波形圖驗證頻域采樣理論[4]。

% 頻域采樣理論驗證

運(yùn)行結(jié)果如圖1所示，由圖1可知：當(dāng)采樣點數(shù)(DFT變換的點數(shù))N=16<26(序列的長度)時，存在時域混疊失真(d)，x16(n)≠x(n);當(dāng)采樣點數(shù)(DFT變換的點數(shù))N=32>26時，無時域混疊失真(f)，x32(n)=x(n)。此結(jié)果與頻域率采樣理論的內(nèi)容相符。

將MATLAB軟件引入數(shù)字信號處理教學(xué)中，不僅將枯燥難懂的數(shù)字信號處理課程變得有趣、易解，而且使學(xué)生能直觀地領(lǐng)會和理解分析方法和處理結(jié)果，這對推動學(xué)生靈活深入地掌握基本概念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。

四、實踐教學(xué)的改革

數(shù)字信號處理課程雖然理論性較強(qiáng)、但與實踐關(guān)系密切，如果僅利用課堂時間對理論知識進(jìn)行講解，難以使學(xué)生有比較透徹的理解，無法應(yīng)用到實踐。目前我院在該課程的開設(shè)上還未加入相應(yīng)的實驗課，以致學(xué)生對相關(guān)知識的掌握相對膚淺。加入實驗課程，不僅能夠讓學(xué)生學(xué)會利用軟件分析問題、解決問題，同時也加深會所學(xué)知識的理解。

實驗項目的設(shè)置力求科學(xué)合理，根據(jù)課程內(nèi)容的進(jìn)展設(shè)計不同層次的實驗教學(xué)方案：驗證型(基礎(chǔ)型)、提高型、拓展型[5]。驗證型實驗主要是針對相關(guān)理論、算法進(jìn)行驗證、分析，如信號的譜分析與頻域采樣定理的驗證等；提高型實驗主要是根據(jù)響應(yīng)指標(biāo)對實際系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，如數(shù)字濾波器的設(shè)計。拓展型實驗是根據(jù)相關(guān)理論和算法對實際系統(tǒng)的進(jìn)行分析與改進(jìn)，并結(jié)合其他相關(guān)專業(yè)課如DSP硬件技術(shù)進(jìn)行硬件實驗。如可以對一段錄制聲音信號或者圖像信號進(jìn)行去噪處理的MATLAB仿真與DSP實現(xiàn)。通過三個不同層次的實驗教學(xué)，不僅學(xué)生對該課程中的理論知識掌握得更加扎實，同時也更好的鍛煉和提升專業(yè)實踐能力和專業(yè)創(chuàng)新能力，極大地提高該課程的教學(xué)水平。

五、考核方式的多樣化

考試是影響學(xué)生學(xué)習(xí)的一個主要因素，而目前考核形式還是圍繞著公式的套用、基本數(shù)學(xué)運(yùn)算等，考核結(jié)果也無法反映學(xué)生實際的掌握程度，甚至有些同學(xué)以考試過關(guān)為目的，具體收獲了什么知識、提高了哪些能力根本不關(guān)心，這勢必造成了考試帶來的過多負(fù)面影響，無法讓同學(xué)們在該課程的學(xué)習(xí)中提高自身的專業(yè)素養(yǎng)與實踐能力。隨著計算機(jī)軟件的發(fā)展與應(yīng)用，對學(xué)生的要求也有所改變，不再像以前那樣重視單純的計算能力，而是利用所學(xué)基本原理和基本方法去學(xué)習(xí)新知識和解決實際問題的能力。因此，在新的歷史發(fā)展環(huán)境下，需要對當(dāng)前的考核方法及考核內(nèi)容進(jìn)行改革。

從考核內(nèi)容上，改變過去重理論輕實踐、重知識輕能力、重運(yùn)算輕應(yīng)用的考核方式，對學(xué)生知識和能力進(jìn)行綜合考核[6]。從考核方式上，改變過去學(xué)生靠死記硬背公式去應(yīng)付考試的現(xiàn)象，考試采取半開卷的方式，加強(qiáng)應(yīng)用能力的培養(yǎng)。不再單純靠期末考試成績確定最終成績，考核內(nèi)容包括平時學(xué)習(xí)、實踐環(huán)節(jié)、期末考試等，提高學(xué)生在每個環(huán)節(jié)中的積極性。

六、結(jié)論

在我院近幾屆電子信息工程專業(yè)和測控技術(shù)與儀器專業(yè)的教學(xué)中，進(jìn)行多方面的改革嘗試，采用多媒體教學(xué)與試驗教學(xué)結(jié)合的教學(xué)模式，取得了較好的效果。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展和輔助軟件的應(yīng)用，數(shù)字信號處理課程理論教學(xué)內(nèi)容也在不斷地豐富和完善，教學(xué)方式還需要不斷地改進(jìn)和優(yōu)化，需要我們繼續(xù)學(xué)習(xí)和探索。

[1]李天倩,陽小明.信號處理相關(guān)課程結(jié)構(gòu)探討[J].高等教育研究,2009,26(1):87-89.

[2]陳厚金,胡鍵,薛鍵,徐錕,郝曉莉.信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,1999.21(4):4-6.

[3]聶小燕,魯才.數(shù)字信號處理教學(xué)改革的探索[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2008,6(6):125-127.

[4]高西全,丁玉美.數(shù)字信號處理[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2008:89.

[5]朱金秀,張卓,朱昌平.數(shù)字信號處理課程實驗教學(xué)研究與實踐[J].實驗室研究與探討,2008,27(5):96-98.

[6]余穎,肖靜,劉樹博.數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革的探索和實踐[J].東華理工大學(xué)學(xué)報,2011,30(3):294-296.

[7]李力利.數(shù)字信號處理教學(xué)過程中的探索與體會[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2003,25(2):86-89.

[8]高軍萍,王霞,李琦,閆林.數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革的探索與體會[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2007,29(2):19-21.

[9]李軍,周亞訓(xùn).基于MATLAB和DSP的數(shù)字信號處理課程實驗設(shè)計[J].實驗室研究與探索,2007,26(1):26-30.

The Investigation of Teaching Innovationfor the Curricula Digital Signal Processing

LI Ning，Xue Ya-xu
（College of Physics & Electric-Information Engineering，Pingdingshan University Pingdingshan 467000，China）

According to the characteristic of the Digital Signal Processing course，such as abundance in theory and uneasy to understand in concept.we have made some innovations and researches in curriculum system，teaching mode，experimental teaching and examination method combined with the teaching practice of our school.Multimedia teaching and experimental teaching are brought forward to achieve prominent effects.

Digital Signal Processing；Teaching Innovation；Teaching Effect

李寧（1983—），女，河南開封人，碩士研究生，主要從事基于傳感器陣列的氣體檢測系統(tǒng)方面的研究。