文昊翔+胡松喜

摘要：針對傳統(tǒng)教學模式的弊端，提出對《數字信號處理》課程采用任務驅動模式進行教學。通過對心電信號進行頻譜分析、降噪處理等作為案例，講授譜分析與濾波器設計等相關章節(jié)。案例取自于實際醫(yī)療儀器設計，因而直觀、生動，有利于提高學生學習興趣與培養(yǎng)學生解決問題的能力。與傳統(tǒng)教學方法相比，以任務驅動模式實施教學后，學生到課率顯著提高，在后繼課程運用數字信號處理解決問題的能力亦有明顯改觀。

關鍵詞：數字信號處理；心電信號；MATLAB；譜分析；濾波器設計

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）08-0134-04

Abstract： Task-based teaching method is introduced in the course of “Digital Signal Processing （DSP）” to overcome the drawback of traditional teaching method. The chapters of spectrum analysis and filter design are teaching base on the task of analyzing and denoising the Electrocardiograph （ECG）. The task which is taken from a real design of medical apparatus is straightforward and intuitive. It is advantageous to the improvement of students interest and their capability. Compared with the traditional teaching method， students are more willing to attend class with the new teaching method and their capability improves in solving problem with DSP knowledge.

Key words： Digital Signal Processing（DSP）； Electrocardiograph（ECG）； MATLAB； spectrum analysis； filter design

隨著信息科學與計算機技術的迅速普及，數字信號處理的理論與應用得到飛躍式發(fā)展，已形成一門極其重要的學科?！稊底中盘柼幚怼芬呀洺蔀楦叩葘W校相關專業(yè)的必修課程，在課程體系中處于承前啟后的地位，非常重要。

但在《數字信號處理》的講授過程中，學生普遍反映該門課程數學推導復雜、概念抽象、枯燥難學。而配套的實驗多為驗證性實驗，與生產應用相距甚遠，不能有效引起學生的學習興趣。

針對學生反饋信息，結合實際教學經驗，本文提出采用任務驅動教學模式來改善課堂教學與實驗教學這兩個教學環(huán)節(jié)，并將該教學模式應用于實踐。實踐表明，與傳統(tǒng)教學模式相比，使用任務驅動模式可以使教學效果有較大幅度的提高。

1 傳統(tǒng)教學模式的弊端

在傳統(tǒng)教學模式中，《數字信號處理》課程的教學多分為理論教學與實驗兩個環(huán)節(jié)。在理論教學中，教師主要通過多媒體講授相關概念與數學原理；而在實驗環(huán)節(jié)，學生主要通過實驗驗證理論，以進一步加深對理論知識的理解。

在理論教學中，一般多采用傳統(tǒng)的講授型教學方法，即先介紹概念，再引入數學工具進行推導獲得結論，然后講解例題，最后布置作業(yè)。該模式以教師為中心，對學生進行灌輸性教學，可有效保證所講授知識的系統(tǒng)性，但因講授過程較枯燥，且數學推導復雜，導致學生學習積極性不高，教學效果不近人意。

在實驗環(huán)節(jié)，主要通過引入MATLAB進行一些驗證性的實驗。MATLAB提供了一個人機交互的數學系統(tǒng)環(huán)境，將MATLAB軟件應用于《數字信號處理》課程教學與實驗中，將教學內容中難以理解的抽象概念、公式與例題的結果用圖形的方法直觀地表示出來，使學生形象地理解教學內容，并且開拓學生的視野。通過實驗環(huán)節(jié)的引入，可部分緩解理論教學枯燥乏味的缺點。

但在實驗環(huán)節(jié)中，驗證性實驗的比重較大，實驗內容多是對理論教學內容進行驗證，部分學生僅機械地運行MATLAB代碼，對實驗目的一知半解，對知識點的理解也僅僅浮于表面。因此既不利于培養(yǎng)學生解決問題的能力，亦未能有效激發(fā)學生的學習興趣。

通過對《數字信號處理》的后繼課程進行觀察與調查得知，在《電子技術課程設計》設計頻譜分析儀時，能編程實現(xiàn)快速Fourier變換（Fast Fourier Transform， FFT）并充分理解連續(xù)、離散信號時頻關系的人不到25%，甚至有一半學生根本無法參加該門課程的實踐。

2 任務驅動教學模式

任務驅動教學模式最早源自哈佛商學院的“案例式教學”[1]，針對高校理工科教學則在編程語言教學[2-4]中應用尤為普遍。任務驅動教學法，就是在教師的指導下，根據教學目的與要求，組織學生通過對任務的調查、閱讀、思考、分析與交流討論等活動，培養(yǎng)學生分析問題與解決問題的能力，并在此過程中加深學生對基本概念與數學原理的理解。

任務驅動教學法要求以學生為主體，學生在教師的指導下，扮演參與任務、體驗任務、完成任務的重要角色。任務不應有標準答案，而是要學生自己去思考、去創(chuàng)造、充分發(fā)揮個人的想象，使得枯燥乏味的理論知識變成生動活潑的實踐體驗。

3 任務的選擇與設計

任務的選擇與設計是提高教學效果的關鍵，所選任務需要結合教學大綱要求，應以吸引學生學習興趣，提高學生分析解決問題的能力為目的，并且任務須盡量選擇學生所熟悉的應用作為背景，使學生易于接受。任務的選擇需要同時滿足以下條件：

1） 化虛為實

數字信號處理涉及很多抽象的概念與復雜的數學原理，如連續(xù)信號的時頻變換分析、離散信號的時頻變換分析，以及如何用離散信號的FFT逼近連續(xù)信號的頻譜等。但這些內容在生產實踐中有廣泛的應用。因此可通過實際工程問題導入相關課程內容，做到化虛為實。

2） 貼近生活、生產實踐

高校講授知識的目的不在于讓學生通過考試，而在于讓學生能將知識應用于實踐，解決生產問題。如果學生無法發(fā)現(xiàn)所學知識的應用價值，就會迷惘，甚至到最后失去學習動力。因此，在選擇任務時必須結合生產實踐，使學生學以致用。

3） 難度適中

任務的選擇要考慮學生的接受能力與知識水平。過于復雜的任務將使學生無法完成而產生挫敗感，久而久之學生就會失去學習興趣。而過于簡單的任務，因挑戰(zhàn)性不強將不能有效激發(fā)學生的學習興趣。

4） 目的連貫、覆蓋面廣

一個任務最好能覆蓋多個前后連續(xù)的知識點，以便教學時逐步引導學生由淺入深接受知識點，同時達到整合知識的目的。

4 任務驅動教學的具體實施

本文以對心電信號進行處理為應用背景，引導學生進行頻譜分析、濾波器設計以講授課程相關內容。選擇心電信號處理作為應用背景的主要原因有以下兩點：

1）心電信號的形狀在影視劇中經常出現(xiàn)，為學生所熟悉，能引起學生的興趣。

2）心電信號是人類最早進行研究并應用于臨床的一種生物信號，通過對心電信號進行統(tǒng)計與分析，可以詳細地了解心臟的生理特性，為心血管疾病的診斷提供重要的依據。因此，如何能有效地提取出清晰、完整的心電信號具有相當重要的意義與臨床價值[5]。

然而，由于人體生理機能的紛繁復雜，使得心電信號具有極強的隨機性，同時還存在著普遍的噪聲干擾。因此在對心電信號進行分析前，必須先對采集的信號進行預處理，以達到所需信噪比的要求。綜合上述，對心電信號進行濾波預處理與進行頻譜分析構成了心電信號處理的核心環(huán)節(jié)，具有極強的實際應用價值[6]。

以心電信號處理為任務，可以開展頻譜分析、數字濾波器設計兩個章節(jié)的授課工作。并最后布置一個探索性、提高性的任務供學有余力的學生思考。

4.1 頻譜分析

在時域對圖1與圖3進行對比分析可得，帶噪心電信號主要是以標準心電信號為基礎，并附加了一個高頻分量。在頻域對圖2與圖4進行對比分析可得，帶噪心電信號與標準心電信號相比，主要是在50Hz處存在一個干擾峰值。

通過本任務，可以完成以下三個知識點的教學：

1） 如何對信號進行時域分析與頻域分析；

2） FFT的應用；

3） 如何用離散信號的離散頻譜迫近連續(xù)信號的連續(xù)頻譜。

4.2 數字濾波器的設計

由圖4得，受工頻干擾的心電信號在頻域50Hz處有一干擾峰，可引導學生思考如何濾除該干擾，然后引入下一章節(jié)的內容--數字濾波器的設計。在講授理論內容之前，先布置任務，然后引導學生帶著問題聽課。

對比時域圖可得，濾波后信號（圖6）與帶噪信號（圖3）相比，50Hz干擾得到極大的抑制，同時因設計的是低通濾波器，高頻分量全部被濾除，因此濾波后信號（圖6）與原心電信號（圖1）相比，高頻分量丟失嚴重。若從頻域觀察，該變化更明顯。

4.3 開放性實驗

由圖6、圖7可得，以低通濾波器濾除50Hz工頻干擾并不是一種令人滿意的解決方案，因為它把50Hz以上的高頻分量也濾除掉，造成信號畸變。針對該缺陷，可引導學生從以下三個方面進行改進：

1）更好的解決方案應該是設計帶通濾波器，僅僅濾除50Hz附近的頻率分量。如此可以避免丟失高頻分量[8]。

2）因電能質量不理想將導致諧波干擾，即工頻干擾并不僅僅是在50Hz處，凡是與50Hz成倍數關系的頻率處，都有可能出現(xiàn)諧波干擾[9]，因此需考慮設計數字陷波器，濾除工頻干擾的基波分量與各諧波分量。

3）更復雜的情況是，因電力系統(tǒng)不穩(wěn)定，會導致工頻頻率出現(xiàn)±3%的波動。方案一用傳統(tǒng)的帶阻濾波器濾除工頻干擾時，其阻帶是固定的，而為了避免濾除心電有效成份，帶阻濾波器的阻帶通常非常狹窄。當工頻干擾的頻率波動超出阻帶帶寬時，帶阻濾波器將會失效。為克服工頻頻率波動的問題，需要用到更復雜的數字信號處理技術---自適應濾波[10]。自適應理論雖然相對復雜，但實現(xiàn)具體算法時僅需簡單的四則運算。一些基礎比較扎實的學生，仍然可以掌握。

以上三點改進方案已經超出《數字信號處理》的教學要求，但可以作為開放性實驗，留給學生討論，以提高學生分析問題、解決問題的能力。

5 結語

現(xiàn)代課程教學強調三大理念，即學術性、民主性與協(xié)作性，同時注重綜合性、創(chuàng)新性與實踐性。以此為目的，高校教育工作者紛紛探索各種更先進的教學模式。但理工科多以枯燥、復雜的數學原理為基礎，由于學科內容的特殊性，和其他學科比較起來，難以在教學過程中實踐其他先進的教學方法。同時由于課程內容相對枯燥，傳統(tǒng)的教學方式又難以吸引學生的注意力。因此理工科教師在探索先進的教學模式時顯得尤為艱辛。

筆者嘗試將在計算機編程教學中取得成功應用的任務驅動模式引入《數字信號處理》教學。以心電信號處理這一實際工程應用為案例，講授FFT、頻譜分析、數字濾波器設計等相關章節(jié)，取得了較好的教學效果。當學生學習完相關理論，并以理論為指導解決實際工程問題，可極大地提高他們的自信心。同時，學而致用，更能提高學生的學習興趣。實踐表明，任務驅動模式可有效克服傳統(tǒng)教學模式的缺陷，極大地提高學生的學習興趣與積極性。同時后續(xù)課程教師反映，采用任務驅動模式開展教學工作后，學生利用《數字信號處理》解決實際問題的能力顯著提高。

參考文獻：

[1] 熊春榮. “C語言程序設計”課程案例驅動教學模式的研究與實踐[J].玉林師范學院學報：自然科學版，2010，31（5）：119-121.

[2] 劉亞楠. 淺析計算機語言VB教學中如何有效應用任務驅動教學法徐茂[J].吉林建筑工程學院學報，2014，31（6）：61-63.

[3] 林海濤. 任務驅動教學法在《Matlab程序設計語言》教學中的實踐[J]. 開封教育學院學報，2014，34（1）：80-81.

[4] 劉彩紅. 項目化的任務驅動教學法在Java語言課程中的應用[J]. 甘肅科技，2014，30（8）：9-11.

[5] 賓光宏. 心電信號自動檢測算法研究及其軟件實現(xiàn)[D]. 長春理工大學，2008.

[6] 杜鵬飛. 心電信號的預處理及特征提取算法研究[D]. 鄭州大學，2015.

[7] E.W. Kamen， B. S. Heck，. Fundamentals of Signal and Systems Using the Web and MATLAB[M]. 第二版.北京：科學出版社， 2004.342-344.

[8] 錢友峰. 心電信號的預處理和分析[D]. 長春理工大學，2006.

[9] 蔡忠法，陳隆道，陳國志. 基于Adaline神經網絡的家用電器諧波分析[J]. 儀器儀表學報，2011，32（7）：1449-1454.

[10] 孫明麗. 用于心電信號去噪的自適應方法研究[D]. 天津理工大學，2014.