張超 田薇 王海濤 周勇

摘 ?要：飛行器控制與信息工程（簡(jiǎn)稱：飛控信）是教育部新增設(shè)的本科專業(yè)，具有典型的新工科特點(diǎn)。為適應(yīng)新專業(yè)人才培養(yǎng)的新要求，對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》課堂教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式進(jìn)行了改革，闡述了三注重、三變?yōu)楹腿龑?shí)施的具體措施，給出了典型示例。實(shí)踐表明該改革思路為飛控信專業(yè)課開展課堂教學(xué)革命提供了有益探索。

關(guān)鍵詞：飛行器信息與控制工程;新工科;數(shù)字信號(hào)處理;課堂教學(xué)革命

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）12-0126-03

Abstract： Flight Control and Telecommunications （FCT） is a new undergraduate specialty added by the Ministry of Education and has typical characteristics of emerging engineering. In order to meet the new requirements of new specialty， the teaching content， teaching method and teaching mode of classroom teaching of Digital Signal Processing （DSP） have been reformed. The concrete measures of "Three Focuses， Three Changes" and "Three Implementation" have been elaborated， and typical examples have also been given. The practice shows that this reform idea provides a useful exploration for the classroom teaching revolution of FCT courses.

Keywords： flight control and telecommunications; emerging engineering; digital signal processing; classroom teaching revolution

一、概述

現(xiàn)代飛行器功能、性能以及安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性的提高，迫使飛行器越來越朝著信息化、綜合化和智能化方向發(fā)展?！稊?shù)字信號(hào)處理》[1]曾是西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院電子信息工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，而現(xiàn)在是飛行器控制與信息工程新專業(yè)的重要專業(yè)課程。由于聽課學(xué)生的專業(yè)類型和新工科人才培養(yǎng)要求發(fā)生了重要變化[2]，該課程也必須進(jìn)行調(diào)整和變化?；谶@一現(xiàn)實(shí)需求，本文對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》課堂教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)模式進(jìn)行了探索和嘗試，具體闡述了三注重、三變?yōu)楹腿龑?shí)施的改革思路和實(shí)踐示例。

二、通過“三注重”更新教學(xué)內(nèi)容

（一）注重各種變換之間的物理內(nèi)涵關(guān)聯(lián)歸納

一般來說，《數(shù)字信號(hào)處理》先修課程有《信號(hào)與系統(tǒng)》和《復(fù)變函數(shù)和積分變換》，教學(xué)內(nèi)容中就涉及到了大量的數(shù)學(xué)變換，具體包括：連續(xù)非周期信號(hào)的傅里葉變換（簡(jiǎn)稱CTFT）、連續(xù)周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)（簡(jiǎn)稱CTFS）、離散非周期信號(hào)的傅里葉變換（簡(jiǎn)稱DTFT）、離散周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)（簡(jiǎn)稱DTFS）、有限長(zhǎng)離散信號(hào)的離散傅里葉變換（簡(jiǎn)稱DFT）及其快速傅里葉變換（簡(jiǎn)稱FFT）這6種頻域變換，以及連續(xù)信號(hào)的拉普拉斯變換（簡(jiǎn)稱ST）和離散信號(hào)的Z變換（簡(jiǎn)稱ZT）這2種復(fù)頻域變換。數(shù)學(xué)公式多，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度大。本課程適當(dāng)?shù)诉@些變換的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，注重了各種變換之間的前后聯(lián)系及其物理內(nèi)涵，如圖1所示。

（二）注重先進(jìn)飛行器信號(hào)處理實(shí)際應(yīng)用案例

積極將科研工作中涉及到的信號(hào)處理內(nèi)容融入到課程內(nèi)容中，結(jié)合飛行器控制和信息工程新本科專業(yè)的新培養(yǎng)要求，加強(qiáng)飛行器狀態(tài)信息產(chǎn)生、獲取、傳輸和處理的教學(xué)內(nèi)容。例如，以軍民融合戰(zhàn)略為聚焦點(diǎn)，積極將航空弱磁信號(hào)測(cè)量技術(shù)和無人機(jī)空地通信方面的科研成果引入教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的信號(hào)處理理解能力。通過實(shí)際案例擴(kuò)展了學(xué)生視野，也增添了學(xué)習(xí)興趣。

（三）注重MATLAB數(shù)字信號(hào)處理編程內(nèi)容

Matlab應(yīng)該可以說是目前學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理各種理論算法的最好編程平臺(tái)了，本課程積極將Matlab數(shù)字信號(hào)處理編程引入課程教學(xué)，專門用4次課時(shí)間集中講解和演練各類信號(hào)處理和濾波器設(shè)計(jì)編程。

三、通過“三變?yōu)椤备倪M(jìn)教學(xué)方法

（一）變“重復(fù)式全講”為“類比式略講”

信號(hào)變換在數(shù)字信號(hào)處理課程中占了很大篇幅，數(shù)學(xué)公式多，推導(dǎo)證明多，習(xí)題難度大。若按照“公式定義→基本性質(zhì)→特點(diǎn)分析→具體應(yīng)用”這條常規(guī)的重復(fù)式全講思路去講授每一個(gè)變換，授課效果肯定不會(huì)好，一是因?qū)W時(shí)所限每種變換無法徹底講透，二是學(xué)生上課聽講時(shí)更會(huì)被各種數(shù)學(xué)公式難住而迷失。為此，授課時(shí)積極開展類比式略講，對(duì)同一類知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納和類比，首先精講一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，然后重點(diǎn)分析他們的區(qū)別和聯(lián)系，最后再推廣到另一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。例如，DTFT對(duì)稱性和DFT對(duì)稱性是本課程的兩個(gè)主要知識(shí)點(diǎn)，授課時(shí)首先重點(diǎn)講透DTFT對(duì)稱性，然后再通過分析DTFT和DFT關(guān)系和區(qū)別，進(jìn)而就能快速地講透DFT對(duì)稱性，如圖2所示，這樣學(xué)生理解的會(huì)更快、掌握的也會(huì)更牢固。

（二）變“平鋪式講授”為“問題式啟發(fā)”

由于信號(hào)類型不同，所采用的信號(hào)變換方法也會(huì)不同，因此各種變換的適用對(duì)象和物理含義也不同[3]。若一上來就平鋪直敘地講授這些變換的公式就過于僵化了，因此本課程講授時(shí)總是花大量精力去通過問題啟發(fā)分析出“為什么”和“如何能”這兩個(gè)方面。例如，在具體講授FFT時(shí)先用1個(gè)課時(shí)通過各種小問題一步一步啟發(fā)學(xué)生去思考為什么在學(xué)習(xí)了DFT后還要學(xué)習(xí)FFT、如何能大幅度減少DFT計(jì)算量實(shí)現(xiàn)FFT等等，如圖3所示啟發(fā)分析透后，帶著思路再去講授也就能水到渠成。

（三）變“呈現(xiàn)式演示”為“啟發(fā)式演練”

Matlab數(shù)字信號(hào)處理編程知識(shí)講解不再是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單地介紹各種函數(shù)及其參數(shù)、直接給出Matlab代碼和運(yùn)行結(jié)果，盡量減少這種呈現(xiàn)式演示。而是改為在介紹完各種函數(shù)及其參數(shù)后，再結(jié)合具體編程要求詳細(xì)和學(xué)生一起探討編程思路，鍛煉學(xué)生的編程思維，然后給出程序的總體框架，讓學(xué)生嘗試寫出關(guān)鍵代碼行，最后通過仿真來優(yōu)化代碼。通過這種啟發(fā)式演練，能迅速抓住編程的關(guān)鍵。

四、通過“三實(shí)施”改革教學(xué)模式

（一）實(shí)施“重構(gòu)傳統(tǒng)”板書

多媒體和各類信息技術(shù)的廣泛運(yùn)用有效提升課堂授課效率和授課節(jié)奏，但CTFT、CTFS、DTFT、DTFS、DFT、FFT、ST、ZT這類變換若單純通過PPT等形式展現(xiàn)出來，學(xué)生接受和理解起來還是很吃力。因此，這門課知識(shí)點(diǎn)講授時(shí)采用的是“黑板板書+PPT展示”相結(jié)合的方式，對(duì)關(guān)鍵的、必不可少的數(shù)學(xué)推導(dǎo)回歸傳統(tǒng)，用粉筆在黑板上進(jìn)行推導(dǎo)，推導(dǎo)過程中既體現(xiàn)了思路又能引導(dǎo)學(xué)生思考。

（二）實(shí)施“虛實(shí)結(jié)合”實(shí)驗(yàn)

負(fù)責(zé)完成飛行器信號(hào)處理仿真綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、cTekSmartLabTM*測(cè)試系統(tǒng)及SR-500電磁屏蔽室的設(shè)備建設(shè)，有效改善了課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件。通過實(shí)施數(shù)字信號(hào)硬件實(shí)驗(yàn)+Matlab數(shù)字信號(hào)編程實(shí)驗(yàn)+飛行器機(jī)電作動(dòng)筒磁凈化信號(hào)處理虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)三種形式，鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和工程問題解決能力。

（三）實(shí)施“混合課堂”教學(xué)

積極將雨課堂教學(xué)工具和在線課程等引入課堂教學(xué)過程中，提升授課效果。本課程重點(diǎn)將國(guó)家級(jí)在線課程《數(shù)字信號(hào)處理》納入教學(xué)體系中，通過課前下發(fā)預(yù)習(xí)綱要、課中重點(diǎn)講授和關(guān)鍵問題研討、課后輔導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了雨課堂+在線課程+實(shí)際課堂的“混合課堂”授課形式，在授課過程中通過設(shè)置一些小問題進(jìn)行研討，開展頭腦風(fēng)暴進(jìn)行探究式教學(xué)。

五、結(jié)束語

本文從提升課堂教學(xué)質(zhì)量角度出發(fā)，探討了飛行器控制與信息工程新專業(yè)《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)的改革思路。通過“三注重”更新教學(xué)內(nèi)容、“三變?yōu)椤备倪M(jìn)教學(xué)方法和“三實(shí)施”改革教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)了該課程課堂教學(xué)的具體授課方式，體現(xiàn)了新工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)，對(duì)開展課堂革命起到了積極的探索作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]高西全.數(shù)字信號(hào)處理（第四版）[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2018.

[2]張大良.因時(shí)而動(dòng)，返本開新，建設(shè)發(fā)展新工科-在工科優(yōu)勢(shì)高校新工科建設(shè)研討會(huì)上的講話[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2017（4）：4-9.

[3]李敏通，趙繼政，遲茜，等.問題教學(xué)法在“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].高教學(xué)刊，2015（21）：70-71.