鄭雁翎

摘? 要 數(shù)字信號(hào)處理課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、概念抽象，工科學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中很難把課程內(nèi)容與工程實(shí)踐問(wèn)題相聯(lián)系，課程對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，前驅(qū)課程理論知識(shí)要求扎實(shí)。因此，學(xué)生普遍對(duì)該課程的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性不夠高。為了既能讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、自主探究，又能夠滿(mǎn)足新工科背景下人才培養(yǎng)的要求，提出課設(shè)任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的課程教學(xué)方法設(shè)計(jì)，將課設(shè)任務(wù)引入整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候，如同在研究一個(gè)個(gè)小的課題。從近兩年教學(xué)實(shí)踐來(lái)看，課設(shè)任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)能夠有效提高教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。該方法同樣適用于工科其他專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)。

關(guān)鍵詞 數(shù)字信號(hào)處理；課程設(shè)計(jì)；教學(xué)方法；任務(wù)驅(qū)動(dòng)；IIR數(shù)字濾波器

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）14-0089-03

Abstract The course of Digital Signal Processing is characterized by?strong theory and abstract concept. It is difficult for engineering stu-dents to connect the course content with engineering practice pro-blems in the learning process. The course has high requirements for?students mathematical foundation and solid theoretical knowledge for the precursor course. Students are neither active nor active in lear-ning. In this paper， it is proposed that a curriculum teaching method driven by the curriculum design task in order to enable students to study actively and explore independently， and meet the requirements?of talent training under the background of new engineering. The curri-culum design task is introduced into the whole teaching process， so that students learn knowledge points as if they are studying a small topic. From the teaching practice in the past two years， the teaching method by curriculum design task driven can effectively improve teaching efficiency and stimulate students interest in learning. This method is also suitable for teaching other engineering courses.

Key words digital signal processing; curriculum design; teaching method; task driven; IIR digital filter

0? 引言

課設(shè)任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的教學(xué)方法，即根據(jù)教學(xué)內(nèi)容將課程設(shè)計(jì)任務(wù)分解成子課題，進(jìn)行理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的教學(xué)：理論課上引入課題任務(wù)，進(jìn)行引導(dǎo)式和講授式教學(xué)；實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行課題的設(shè)計(jì)與實(shí)施，采用啟發(fā)研討式教學(xué)方式；課外組織創(chuàng)新拓展實(shí)踐，積極采用“互聯(lián)網(wǎng)+”的自主式和協(xié)作式學(xué)習(xí)模式。針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程，在教學(xué)過(guò)程中引入課設(shè)題目，理論課中，提出與課程內(nèi)容相關(guān)的課程設(shè)計(jì)題目，圍繞設(shè)計(jì)題目所用知識(shí)點(diǎn)展開(kāi)講解，激發(fā)學(xué)生興趣，使學(xué)生愿意主動(dòng)探究；實(shí)驗(yàn)課中，針對(duì)課設(shè)任務(wù)中的某個(gè)指標(biāo)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、仿真并得出結(jié)論；課后，學(xué)生根據(jù)課設(shè)內(nèi)容進(jìn)行拓展，分小組進(jìn)行實(shí)踐內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)踐。復(fù)雜的理論教學(xué)過(guò)程變成一個(gè)個(gè)小的設(shè)計(jì)課題，有助于學(xué)生從理論到實(shí)踐再到應(yīng)用創(chuàng)新的完美結(jié)合。

1? 數(shù)字信號(hào)處理課程分析

數(shù)字信號(hào)處理課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，概念抽象，工科學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中很難把課程內(nèi)容與工程實(shí)踐問(wèn)題相聯(lián)系。數(shù)字信號(hào)處理課程的前驅(qū)課程包括高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、積分變換等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程，數(shù)字電路、信號(hào)與系統(tǒng)、MATLAB語(yǔ)言等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。目前，寶雞文理學(xué)院的數(shù)字信號(hào)處理課程開(kāi)設(shè)在電子信息及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)大三第二學(xué)期，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、專(zhuān)業(yè)課基礎(chǔ)要求高，加之內(nèi)容復(fù)雜抽象，在近年教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性不夠。針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)電子信息及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的數(shù)字信號(hào)處理課程建設(shè)進(jìn)行深入探索，提出課設(shè)任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的教學(xué)方法研究和設(shè)計(jì)。通過(guò)不斷探索并改革教學(xué)方法，不但要消除學(xué)生對(duì)課程的畏懼心理，而且要讓學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、自主探究，把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)際問(wèn)題的解決中[1]。

2? 課設(shè)任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)方法設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1? 課設(shè)任務(wù)驅(qū)動(dòng)下的教學(xué)方法設(shè)計(jì)

2.1.1? 理論教學(xué)方法設(shè)計(jì)? 傳統(tǒng)的理論課教學(xué)是從知識(shí)點(diǎn)出發(fā)開(kāi)始講授，結(jié)合大量運(yùn)算和推導(dǎo)等。學(xué)生把更多的精力集中在理論知識(shí)的推導(dǎo)和運(yùn)算上，而忽視工程實(shí)際應(yīng)用，這不符合新工科背景下培養(yǎng)應(yīng)用型人才的要求[2-3]?；谡n設(shè)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的理論課開(kāi)展，注重工程實(shí)踐，每個(gè)新的知識(shí)點(diǎn)都結(jié)合一個(gè)課程設(shè)計(jì)題目，從工程實(shí)踐項(xiàng)目的實(shí)例出發(fā)，引出知識(shí)點(diǎn)，課堂從實(shí)際工程實(shí)例導(dǎo)入。

2.1.2? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法設(shè)計(jì)? 數(shù)字信號(hào)處理課程具有很強(qiáng)的工程性和實(shí)踐性，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是該課程必不可少的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主體，學(xué)生通過(guò)虛擬仿真軟件對(duì)教師課堂講授的知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證性仿真，加強(qiáng)理解理論知識(shí)。然而，這樣的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不能直觀地讓學(xué)生理解課程的工程應(yīng)用價(jià)值。因此，在教學(xué)過(guò)程中減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增加基于課設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。選擇的課設(shè)題目必須與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)該接近或者完全按照實(shí)際應(yīng)用指標(biāo)要求，以此提高學(xué)生所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，幫助其樹(shù)立正確的工程價(jià)值觀[4]。

2.2? 教學(xué)方法的實(shí)施過(guò)程：以IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)為例

2.2.1? IIR數(shù)字濾波器理論課程設(shè)計(jì)? 理論教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)多媒體演示工程實(shí)踐的聲音、圖像信號(hào)的處理過(guò)程，學(xué)生能夠非常直接地看到整個(gè)數(shù)字信號(hào)的處理過(guò)程，從而產(chǎn)生理論學(xué)習(xí)的興趣，明確理論學(xué)習(xí)的目的和要求。理論知識(shí)點(diǎn)主要講授IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法：脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法。以應(yīng)用最廣泛的雙線性變換法為例，其基本設(shè)計(jì)過(guò)程是：將給定的數(shù)字濾波器的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成過(guò)渡模擬濾波器的指標(biāo)；設(shè)計(jì)過(guò)渡模擬濾波器；將過(guò)渡模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)。

2.2.2? IIR數(shù)字濾波器實(shí)踐教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

1）提出設(shè)計(jì)目標(biāo)任務(wù)。在設(shè)計(jì)任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中首先提出設(shè)計(jì)目標(biāo)，讓學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真，再根據(jù)仿真結(jié)果得出結(jié)論。如在設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器時(shí)，圖1所示為復(fù)合信號(hào)s（t）的時(shí)域波形和幅頻特性曲線，由三路調(diào)幅信號(hào)疊加構(gòu)成。由圖1可見(jiàn)，三路信號(hào)時(shí)域混疊無(wú)法在時(shí)域分離，但頻域是分離的，那么如何通過(guò)濾波的方法在頻域分離呢？帶著這樣的任務(wù)目標(biāo)，啟發(fā)學(xué)生思考，使其主動(dòng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

2）聯(lián)系理論知識(shí)分析思考。由復(fù)合信號(hào)s（t）的幅頻特性圖可知：頻譜圖中有三個(gè)濾波器，分別為低通濾波器、帶通濾波器和高通濾波器。進(jìn)而確定濾波器的通帶和阻帶截止頻率，并要求其阻帶的最小衰減通常為60 dB，通帶的最大衰減可以為0.1 dB。抑制載波單頻調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式所示：

其中，cos（2πfct）為被調(diào)制波（即載波），fc為載頻（即載波頻率）；cos（2πf0t）為單頻調(diào)制信號(hào)，f0是其調(diào)制頻率，且fc＞f0。由公式（1）積化和差后可知：信號(hào)s（t）是由關(guān)于載頻fc對(duì)稱(chēng)的2個(gè)頻率成分的正弦波信號(hào)疊加而成，其對(duì)稱(chēng)的2根譜線頻率分別為和頻fc+f0及差頻fc-f0。從圖1可以得到250 Hz、500 Hz、1 000 Hz分別為復(fù)合信號(hào)的三路載頻[5]。

假設(shè)g（t）是無(wú)直流成分的連續(xù)帶限調(diào)制信號(hào)，那么s（t）=g（t）cos（2πfct）通常表示為一般的抑制載波調(diào)幅信號(hào)。其頻譜圖有2個(gè)邊帶（上、下邊帶），且關(guān)于載頻fc對(duì)稱(chēng)。若g（t）是具有直流成分的調(diào)制信號(hào)，則s（t）=g（t）cos（2πfct）是包含載頻成分的一般的雙邊帶調(diào)幅信號(hào)，其頻譜圖也是有關(guān)于載頻fc對(duì)稱(chēng)2個(gè)邊帶（上、下邊帶）的頻譜。

3）動(dòng)手設(shè)計(jì)，得出結(jié)論。用MATLAB編寫(xiě)程序，完成濾波器的軟件設(shè)計(jì)。

首先，調(diào)用函數(shù)buttord和butter完成設(shè)計(jì)三個(gè)巴特沃斯濾波器，同時(shí)繪制幅頻響應(yīng)特性的曲線圖并顯示。

其次，調(diào)用函數(shù)filter實(shí)現(xiàn)s（t）信號(hào)的濾波，并從調(diào)幅信號(hào)s（t）中分離出y1（n）、y2（n）和y3（n）不同載頻的三路信號(hào)，與此同時(shí)，繪圖并顯示三路信號(hào)的時(shí)域波形圖，分離效果圖如圖2所示。

2.3? 課后拓展

課后拓展部分主要是把工程實(shí)踐問(wèn)題帶入設(shè)計(jì)。數(shù)字信號(hào)處理在聲音、圖像等信號(hào)的去噪中廣泛應(yīng)用，這些信號(hào)和學(xué)生的生活實(shí)際息息相關(guān)，容易被學(xué)生接受和理解。因此，針對(duì)IIR數(shù)字濾波器，不同的小組分別設(shè)計(jì)聲音信號(hào)的去噪、圖像信號(hào)的去噪。學(xué)生可以選擇錄取組員男、女同學(xué)聲音信號(hào)進(jìn)行處理，也可以選擇自己喜歡的組員照片進(jìn)行處理，將處理結(jié)果與理論分析結(jié)果對(duì)比，理解濾波算法并掌握其應(yīng)用。課后拓展為學(xué)生走上工作崗位奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3? 教學(xué)效果評(píng)價(jià)

基于課設(shè)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)方法，在寶雞文理學(xué)院2016級(jí)、2017級(jí)電子信息及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)應(yīng)用實(shí)施，從課堂到課率、課堂討論參與率、實(shí)驗(yàn)課程動(dòng)手情況來(lái)看，該教學(xué)方法得到良好效果，學(xué)生普遍反映良好，學(xué)習(xí)熱情、積極性普遍很高。一些喜歡研究、動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生還會(huì)應(yīng)用所學(xué)知識(shí)主動(dòng)參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，近兩年獲批多項(xiàng)省級(jí)、校級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目。

4? 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信、控制、電子技術(shù)所涉及的各個(gè)行業(yè)，需要大量高素質(zhì)應(yīng)用型人才。為了適應(yīng)人才培養(yǎng)的要求，需要不斷改革探索更加適合的教學(xué)方法?；谡n設(shè)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)方法設(shè)計(jì)，讓學(xué)生從學(xué)習(xí)理論知識(shí)開(kāi)始就有明確工程設(shè)計(jì)目標(biāo)，了解工程應(yīng)用領(lǐng)域，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和課后實(shí)踐環(huán)節(jié)完成一個(gè)完整的課設(shè)項(xiàng)目。整個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)就是在一個(gè)個(gè)小的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下完成，讓學(xué)生把抽象的信號(hào)函數(shù)與實(shí)際工程量相聯(lián)系，讓人才的培養(yǎng)服務(wù)于社會(huì)。該教學(xué)方法也適用于其他工科專(zhuān)業(yè)課，讓學(xué)生在學(xué)校的學(xué)習(xí)生活中打下良好的工程基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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