王鳳琴 楊永雙 何燕

摘 要：本文研究了數(shù)字信號處理課程的教學(xué)改革方法，文中詳細(xì)敘述了課程知識體系優(yōu)化、多模式教學(xué)，結(jié)合動態(tài)演示的教學(xué)策略，基于線上線下有機(jī)結(jié)合教學(xué)實施方案及課程及時有效的學(xué)習(xí)反饋，從而完成傳統(tǒng)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢結(jié)合，有效提高學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理; 多模式教學(xué); 線上線下; 教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1006-3315（2021）1-160-002

一、引言

數(shù)字信號處理是通信工程、電子信息類專業(yè)的核心課程，該課程具有數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)多、內(nèi)容廣泛、概念抽象等特點[1]。以往的教學(xué)模式以講授知識點為重，將知識“灌輸”給學(xué)生，授課過程中缺乏對數(shù)字信號處理應(yīng)用的重視[2-3]，重點講授“是什么”，而忽略了“為什么”和可以“做什么”，學(xué)生處于被動學(xué)習(xí)的狀態(tài)，欠缺主動思考探索，且教學(xué)反饋過于單一、滯后，通常通過期末卷面考核結(jié)果總結(jié)分析，獲得學(xué)生學(xué)習(xí)掌握知識的情況及存在的問題，無法及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，直接影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并最終影響學(xué)習(xí)效果。

針對上述問題，自2018年起，鄭州輕工業(yè)大學(xué)計算機(jī)與通信工程學(xué)院數(shù)字信號處理課程組開始實施該課程綜合改革，結(jié)合該門課程的特點及學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)，在教學(xué)策略、教學(xué)實施等方面進(jìn)行教學(xué)探索和嘗試，取得一些有益的成果。

二、課程教學(xué)改革

1.教學(xué)策略

數(shù)字信號處理是我校電子信息工程系三年級學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。課程組對課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心討論策劃，優(yōu)化知識體系，采用問題啟發(fā)、項目驅(qū)動等多模式教學(xué)、對比分析，動態(tài)演示的教學(xué)策略，如圖1所示。

2.優(yōu)化知識體系

課程授課內(nèi)容主要包括信號處理與分析和濾波器設(shè)計兩大模塊，每個模塊下又分為不同的知識模塊，每個模塊內(nèi)容詳細(xì)規(guī)劃，重點突出。授課課程知識體系圖如圖2所示。

2.1多模式教學(xué)

課程組將多種教學(xué)方法進(jìn)行有機(jī)融合。由問題啟發(fā)[4-5]引入相關(guān)知識點，促進(jìn)學(xué)生積極思考，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。采用項目驅(qū)動[6]將理論內(nèi)容融合在實踐項目中，促使學(xué)生結(jié)合實際項目，逐步熟悉和理解理論內(nèi)容。

比如講解模擬信號數(shù)字處理方法時，由問題“為什么要將模擬信號數(shù)字化”，進(jìn)行分組討論，引導(dǎo)得出數(shù)字信號具有穩(wěn)定性強(qiáng)、易存儲、易傳輸、易處理的特點。然后由問題“我們能不能從模擬信號中抽樣出一系列離散值，由這些離散值無失真恢復(fù)原模擬信號”，引入生活中音頻信號采樣和圖像采樣實例，采用MTALAB軟件進(jìn)行采樣恢復(fù)演示，對比不同抽樣頻率下的聲音及圖像信號的恢復(fù)效果，使同學(xué)們直觀認(rèn)識到，抽樣間隔對信號的影響、能不能無失真恢復(fù)原模擬信號，抽樣間隔是關(guān)鍵，進(jìn)一步引導(dǎo)提出問題“如果要無失真恢復(fù)原模擬信號，采樣間隔應(yīng)該如何選取”，給出抽樣的模型，理論推導(dǎo)得出結(jié)論：一個頻譜有限信號f（t），如果頻譜的最高頻率為fm，抽樣間隔Ts小于等于[12fm]時，可以從抽樣信號中無失真的恢復(fù)原模擬信號。

最后結(jié)合抽樣定理的工程應(yīng)用實例“CD數(shù)字錄音系統(tǒng)”，探討CD系統(tǒng)如何選擇采樣率，并討論抽樣前，對錄制的聲音信號為什么要進(jìn)行低通濾波，從而引出抗頻譜混疊濾波器。這樣以問題為導(dǎo)向，層層深入，將所學(xué)內(nèi)容與實際生活結(jié)合，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維能力。

具體講解頻率采樣法設(shè)計濾波器時，由實際生活提出問題“工程上，常給定頻域上的技術(shù)指標(biāo)，能不能直接在頻域進(jìn)行濾波器設(shè)計”，引入用頻率采樣法設(shè)計FIR數(shù)字濾波器的基本思想，設(shè)計方法，約束條件等;實例講解如何利用頻率采樣法設(shè)計FIR數(shù)字濾波器，結(jié)合軟件演示對濾波器設(shè)計結(jié)果直觀地進(jìn)行分析;舉例分析大多數(shù)信號應(yīng)用場合，利用頻率采樣法設(shè)計的濾波器阻帶衰減的是不能令人滿意的，從而給出改善阻帶衰減的方法;對比FIR和IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計，分組討論，總結(jié)兩種濾波器各自的優(yōu)缺點及適合的應(yīng)用場合。

2.2對比分析

數(shù)字信號處理的先修課程為信號系統(tǒng)，它們之間有著千絲萬縷的聯(lián)系，比如Z變換的性質(zhì)、傅里葉變換、離散傅里葉變換等，通過對比分析[7]講解公式推導(dǎo)，溫故知新，將信號與系統(tǒng)中的已有的方法對比應(yīng)用到數(shù)字信號處理課程中新的知識點。

2.3動態(tài)演示

針對數(shù)字信號處理學(xué)科中許多難以理解算法，制作基于MATLAB的教學(xué)演示系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括信號產(chǎn)生模塊、抽樣模塊、頻譜演示模塊、IIR濾波器生成模塊和FIR濾波器生成模塊?；贛ATLAB的教學(xué)演示系統(tǒng)把數(shù)字信號處理中的一些重點、難點用生動形象的方式展現(xiàn)出來，使學(xué)生易于理解，幫助其快速有效地完成課程的學(xué)習(xí)。

3.教學(xué)實施

教學(xué)實施方案采用線上線下相結(jié)合的方式，如圖3所示。采用現(xiàn)代信息技術(shù)，建設(shè)并利用反映課程體系與內(nèi)容的在線課程，供學(xué)生學(xué)習(xí)。學(xué)生可在課前通過線上自主學(xué)習(xí)，線上交流后，進(jìn)行線上檢測，并反饋問題。

線下教學(xué)，以學(xué)生為中心增強(qiáng)交互性，設(shè)置課程分組討論，解決問題，得出相關(guān)重要知識結(jié)論，加深學(xué)生對課程知識點的理解。授課過程注重理論與工程實踐相結(jié)合，通過分組討論講解為什么要引入此知識，聯(lián)系實際結(jié)合項目和學(xué)科前言引導(dǎo)學(xué)生理解所學(xué)內(nèi)容可以做什么，在此基礎(chǔ)上抽象定義，闡述性質(zhì)，詮釋應(yīng)用告訴學(xué)生“是什么”。

4.教學(xué)反饋

4.1學(xué)習(xí)反饋

及時有效的反饋會直接影響到學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)態(tài)度并最終影響學(xué)習(xí)效果[8]。教師時刻關(guān)注學(xué)生的整體學(xué)習(xí)狀態(tài)。課程開始時，進(jìn)行簡單的課堂小測試，并結(jié)合課堂討論，了解學(xué)生對前期信號與系統(tǒng)、線性代數(shù)等相關(guān)知識儲備，對學(xué)生提出該課程學(xué)習(xí)方法的建議。通過線上線下作業(yè)完成情況、隨堂問答及分組討論了解學(xué)生對知識點掌握情況，及時進(jìn)行調(diào)整，討論總結(jié)經(jīng)驗和可實施方案。

4.2信息溝通

充分利用微信、QQ教學(xué)群及電子郵箱等網(wǎng)絡(luò)資源，及時進(jìn)行師生溝通，對學(xué)生的提問，根據(jù)問題反饋情況特殊問題進(jìn)行一對一講解、共性問題課堂解決。學(xué)生對教師教學(xué)的意見和建議也可以通過微信、郵箱來反饋。教師利用QQ群向?qū)W生推送有關(guān)教學(xué)文件、學(xué)習(xí)方法、學(xué)科資料。

三、結(jié)束語

數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革探索，在實際教學(xué)過程中取得了良好的效果，獲得同行教師和學(xué)生的一致好評，被評為校級優(yōu)秀課程。線上線下教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，多模式的教學(xué)策略將枯燥的理論學(xué)習(xí)生動化，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生不但理解了課程中復(fù)雜煩瑣的公式和定理是什么，而且能夠有效將所學(xué)知識與實踐相結(jié)合，明白了為什么要學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，課程中復(fù)雜煩瑣的公式在實際中可以做什么。

資助項目：新型在線開放課程——微課建設(shè)與應(yīng)用研究，鄭州輕工業(yè)大學(xué)第十一批教學(xué)改革與研究項目

參考文獻(xiàn)：

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[2]萬永菁，張淑艷，王海軍.基于微課的數(shù)學(xué)信號處理課程教學(xué)改革與探索[J]化工高等教育，2017（1）.45-49

[3]王卓遠(yuǎn)，鄭德春，孔中華，等.基于項目導(dǎo)學(xué)理念的數(shù)字信號處理課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計[J]電子世界，2019（15），35-37

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[5]郭姣，劉艷良.問題式教學(xué)法在“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)中的運用[J]電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010（5）：83-85

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[7]王燦，臧嫻.基于雙線程的“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)方法探討[J]科技視界，2019（11）：137-138