翟懿奎，馬 慧，曾軍英

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革研究

翟懿奎，馬 慧，曾軍英

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

針對(duì)目前五邑大學(xué)信息工程學(xué)院數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)現(xiàn)狀，對(duì)課程建設(shè)改革進(jìn)行了一些探討，包括整合教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化課程體系及進(jìn)一步豐富教學(xué)手段，提出對(duì)基于Matlab的生物特征提取研究及考試方法等方面進(jìn)行改革。

數(shù)字信號(hào)處理；課程改革；教學(xué)研究

0 引 言

數(shù)字信號(hào)處理這門課程理論性較強(qiáng)，涵蓋了很多抽象概念和數(shù)學(xué)公式，蘊(yùn)含著豐富的物理意義，學(xué)生覺(jué)得該課程學(xué)習(xí)難度大[1]。隨著學(xué)科的發(fā)展，教與學(xué)的不相適應(yīng)已經(jīng)在本課程的教學(xué)中顯現(xiàn)出來(lái)。目前，國(guó)內(nèi)一些高校已經(jīng)展開數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)改革。

為了深人貫徹、全面推進(jìn)素質(zhì)教育及強(qiáng)化工程教育的精神，更好地幫助學(xué)生系統(tǒng)理解這門課程，掌握這門課程包含的基本概念、原理和分析方法，我們對(duì)課程的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深人研究，并做出一定的調(diào)整和改革。

1 總體上分析數(shù)字信號(hào)處理課程

1.1 數(shù)字信號(hào)處理課程特點(diǎn)

數(shù)字信號(hào)處理課程涉及的知識(shí)理論性較強(qiáng)，知識(shí)面廣且概念抽象、學(xué)時(shí)少，高等數(shù)學(xué)、矩陣分析、隨機(jī)過(guò)程等課程是該課程的基礎(chǔ)。當(dāng)今社會(huì)，信號(hào)處理的發(fā)展進(jìn)人了新的階段，在信息化進(jìn)程中，數(shù)字信號(hào)處理的地位變得越來(lái)越重要。生活實(shí)踐中遇到的數(shù)字信號(hào)處理問(wèn)題十分常見(jiàn)，與這些內(nèi)容相關(guān)的科學(xué)技術(shù)在科技領(lǐng)域的比重日益增大[2]。

1.2 目前數(shù)字信號(hào)處理課程存在的問(wèn)題

當(dāng)下，數(shù)字信號(hào)處理教材存在內(nèi)容繁雜、難度系數(shù)較大、理論性較強(qiáng)等問(wèn)題，而學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的自覺(jué)性較差。實(shí)際教學(xué)中由于其他課程的安排，數(shù)字信號(hào)處理課程的課時(shí)被壓縮，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容繁多但學(xué)時(shí)較少。

2 整合教學(xué)內(nèi)容

（1）數(shù)字信號(hào)處理與信號(hào)與系統(tǒng)課程優(yōu)化整合數(shù)字信號(hào)處理和信號(hào)與系統(tǒng)是五邑大學(xué)信息工程學(xué)院開設(shè)的兩門非常重要的必修課。這兩門課程的主要內(nèi)容都是對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行分析和處理，得到我們希望的有用信號(hào)[3]。改革之前，兩門課程的教學(xué)內(nèi)容存在交叉嚴(yán)重的現(xiàn)象。雖然目前大多教材為減少授課內(nèi)容的重復(fù)性，將信號(hào)與系統(tǒng)課程中的離散部分和數(shù)字信號(hào)處理課程中與之重復(fù)的部分進(jìn)行了整合，但最終效果差強(qiáng)人意。學(xué)院該課程學(xué)時(shí)較少，僅30學(xué)時(shí)，這就要求精選課程內(nèi)容。為此，我們對(duì)本課程進(jìn)行了更深人的整合。

（2）整合后的課程主線。強(qiáng)化連續(xù)信號(hào)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生在掌握理論的同時(shí)，了解相應(yīng)背景，淡化對(duì)數(shù)學(xué)技巧和運(yùn)算的過(guò)分依賴，增加學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)的靈活性，達(dá)到舉一反三的效果。在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)該循序漸進(jìn)，從易到難，講授內(nèi)容從時(shí)域過(guò)渡到頻域，從連續(xù)信號(hào)過(guò)渡到離散信號(hào)，從傅氏變換過(guò)渡到拉氏變換再到Z變換，把各知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來(lái)學(xué)習(xí)、理解和記憶，將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域以及傅氏與拉氏變換和Z變換之間的聯(lián)系梳理清楚，使知識(shí)點(diǎn)之間相互銜接，讓學(xué)生從更高的層次上整體把握課程的核心內(nèi)容[4]。

3 改善教學(xué)手段

（1）因?yàn)樵撜n程公式定理多、理解難，借助形象化教學(xué)手段，學(xué)生可以更好地理解教材中的概念、定理，同時(shí)增加他們學(xué)好本課程的信心。比如，對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理中繁瑣數(shù)學(xué)公式的記憶，可以采用聯(lián)想記憶法，結(jié)合其他課程、聯(lián)系其他知識(shí)一起記憶，糾正死記硬背的習(xí)慣。這種方法有助于學(xué)生靈活、輕松地記憶重點(diǎn)知識(shí)，同時(shí)將枯燥的數(shù)學(xué)公式更加形象具體地表現(xiàn)出來(lái)，易于學(xué)生的學(xué)習(xí)和理解。

（2）讓學(xué)生參與習(xí)題的講解和課堂小結(jié)，自己備課、準(zhǔn)備PPT，然后講述知識(shí)點(diǎn)，其他學(xué)生提出疑惑，大家各抒己見(jiàn)，進(jìn)行探討和解惑。最后教師對(duì)每位學(xué)生的講解進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，對(duì)講授過(guò)程中的問(wèn)題提出改進(jìn)意見(jiàn)，再次強(qiáng)調(diào)一下重點(diǎn)內(nèi)容。為了調(diào)動(dòng)學(xué)生參與的積極性，可以通過(guò)給平時(shí)成績(jī)加分等方式鼓勵(lì)學(xué)生踴躍參加習(xí)題課講解。

（3）本課程有些公式非常抽象、枯燥無(wú)味、難以理解，教師在講授這些內(nèi)容的時(shí)候不應(yīng)該一成不變地通過(guò)板書推演公式，應(yīng)該加人一些動(dòng)態(tài)元素，這樣才能調(diào)動(dòng)課堂氛圍。我們采用課堂板書與現(xiàn)代教學(xué)資源相結(jié)合的方式，發(fā)揮好傳統(tǒng)教學(xué)手段與現(xiàn)代教學(xué)手段的優(yōu)勢(shì)。為了使抽象的概念形象化，提高教學(xué)效果，我們采用形象生動(dòng)的圖像、動(dòng)畫等形式進(jìn)行輔助教學(xué)。

（4）教師在講解一些需要求解的題目時(shí)，可以將整個(gè)題目的求解過(guò)程做一遍板書，再制作一個(gè)動(dòng)畫，將整個(gè)求解過(guò)程完整地重現(xiàn)一遍，加深學(xué)生的印象，提高其學(xué)習(xí)效率[5]。

4 將數(shù)字信號(hào)處理課程理論應(yīng)用于基于MATLAB的生物特征提取研究

該課程理論繁多、較難理解，這是往屆學(xué)生普遍反映的情況，更有學(xué)生覺(jué)得本課程在實(shí)際中沒(méi)有什么應(yīng)用。因此，教師在教授本課程的時(shí)候應(yīng)該將看似復(fù)雜的理論知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用實(shí)例結(jié)合起來(lái)。Matlab作為一款高性能的數(shù)學(xué)仿真應(yīng)用軟件，無(wú)論在數(shù)字信號(hào)處理課程的理論學(xué)習(xí)還是實(shí)踐教學(xué)中都得到廣泛應(yīng)用，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①公式計(jì)算和信號(hào)表達(dá);②在課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用;③對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的測(cè)驗(yàn)和展示。生物特征識(shí)別技術(shù)是一種通過(guò)采集和分析人體固有的特征（生理特征和行為特征）進(jìn)行身份識(shí)別的計(jì)算機(jī)技術(shù)。計(jì)算機(jī)通過(guò)導(dǎo)人的視頻和圖像采集這些特征，應(yīng)用生物統(tǒng)計(jì)學(xué)，結(jié)合圖形、聲音、行為分析、數(shù)據(jù)庫(kù)等高級(jí)算法和科技手段，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)人身份的識(shí)別。為此，我們將數(shù)字信號(hào)處理課程理論應(yīng)用于基于Matlab的生物特征提取研究，以此來(lái)提高學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣。

人臉圖像中，除了全局紋理特征外，局部紋理所含有的信息對(duì)特征提取和識(shí)別效果也非常重要。這就要求我們找到一種方法，提取紋理部分的重要信息，并盡量降低不重要的信息對(duì)識(shí)別的影響，即對(duì)人臉圖像進(jìn)行局部分析。將數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中的Gabor變換引人人臉識(shí)別中，采用這些變換進(jìn)行局部分析，提取出對(duì)人臉識(shí)別有用的特征。針對(duì)這個(gè)應(yīng)用實(shí)例，講解過(guò)程中要強(qiáng)調(diào)基于Gabor小波變換進(jìn)行特征提取的優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)圖像的邊緣特征方向與二維Gabor濾波器紋理特征方向一致的時(shí)候，二維Gabor小波變換有較強(qiáng)的響應(yīng)，如眼睛等部位Gabor響應(yīng)輸出較為強(qiáng)烈。通過(guò)修改Gabor函數(shù)的參數(shù)sigma、theta，可以獲得不同中心頻率、不同方向上的Gabor濾波器，既可以提取不同局部細(xì)節(jié)的紋理特征，又能夠提取全局性較強(qiáng)的特征，同時(shí)減少噪聲干擾。Gabor變換提取人臉特征的流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 Gabor變換提取人臉特征的流程圖

根據(jù)以上流程圖編寫的程序可以得出一幅經(jīng)Gabor小波變換后的人臉特征圖像，見(jiàn)圖2。

通過(guò)這種應(yīng)用實(shí)例，借助Matlab實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理中的工程實(shí)踐問(wèn)題[6]，將Matlab仿真實(shí)驗(yàn)融人課堂講授，與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合且教學(xué)效率高。同時(shí)，通過(guò)Matlab的可視化工具，學(xué)生能更加深刻地理解抽象的概念和數(shù)學(xué)理論以及對(duì)公式計(jì)算和信號(hào)的處理。

圖2 經(jīng)Gabor小波變換后的人臉圖像及其特征圖像

5 改良考核方式，將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到學(xué)習(xí)過(guò)程中

之前的考試只注重書面成績(jī)，忽略了考試本身的重要意義，使學(xué)生不能對(duì)考試有正確的認(rèn)識(shí)。因此，改革考核方法意義重大。加大平時(shí)實(shí)踐成績(jī)的比重，考試采用半開卷的方式（即可以帶紙質(zhì)版資料進(jìn)考場(chǎng)），可以相對(duì)延長(zhǎng)考試時(shí)間，引導(dǎo)學(xué)生將學(xué)習(xí)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到運(yùn)用能力上[7]。這樣，不僅保證了試卷難度適合于大多數(shù)學(xué)生，使考試成績(jī)分布在合理的范圍之內(nèi)，也較為客觀地反映了學(xué)生對(duì)本課程的實(shí)際掌握情況[8]。

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（編輯：孫怡銘）

1672-5913(2017)01-0070-03

G642

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61072127，61372193）；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（S2013010013311，10152902001000002，S2011010001085，S2011040004211）；廣東高等學(xué)校優(yōu)秀青年培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（SYQ2014001）；廣東省特色創(chuàng)新類項(xiàng)目（2015KTSCX143）；五邑大學(xué)青年科研基金項(xiàng)目（ 2013zk07）。

翟懿奎，男，副教授，研究方向?yàn)樯锾卣髯R(shí)別、圖像處理與模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)、人臉美麗研究，yikuizhai@163．com。