張晶 聶堯

摘要“數(shù)字信號處理”是電子信息類專業(yè)教育課程體系中承上啟下的關鍵環(huán)節(jié)，通過本課程的教學使學生了解技術領域概貌，建立基本概念，掌握相關分析方法，對提高其職業(yè)技能，從而培養(yǎng)多樣化人才、傳承技術技能、促進就業(yè)創(chuàng)業(yè)具有現(xiàn)實意義。為有效開展教學工作，文章構建了以學生職業(yè)發(fā)展需要為中心的教學理念，采用因材施教的教學措施，激發(fā)學生的學習熱情和積極性。盡力構建完整的知識體系，并引導學生加深對基本公式的理解和運用，做到活學活用，取得了符合預期的良好的教學效果。

關鍵詞 數(shù)字信號處理；教學理念；教學措施；職業(yè)技能發(fā)展

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.14.005

“數(shù)字信號處理”是電子信息類科學的重要組成部分，數(shù)字處理技術的應用也越來越廣泛[1]。學生通過本課程的學習，了解這一技術領域的同時，還能夠建立起數(shù)字信號處理基本概念，掌握基本方法，本課程是一門結合實際工程應用的基礎理論課程。

筆者承擔了皖西學院電子信息科學與技術專業(yè)大三上學期“數(shù)字信號處理”課程的講授任務。為有效貫徹中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)的《關于推動現(xiàn)代職業(yè)教育高質(zhì)量發(fā)展的意見》等文件精神[2]，筆者在備課過程中積極向由多名教授、副教授、博士以及經(jīng)驗豐富的專任教師組成的本校省級教學團隊求教學習，借助大規(guī)模在線開放課程汲取先進教學經(jīng)驗模式，構建以學生職業(yè)發(fā)展需求為中心的教學理念，并由此指導教學實踐。

1教學理念總結構建

1.1充分重視課程實用技能培養(yǎng)

數(shù)字信號處理技術廣泛應用于諸多工程領域[3]，如雷達、遙感、通訊、電氣儀表、自動化控制等。隨著單片機（SoC）集成化程度的提升，通過ARM微處理器、DSP、FPGA等數(shù)字電路進行信號處理已經(jīng)廣泛滲透到日常生活的各個領域，如計算機和智能手機對語音、圖像、視頻的壓縮、存儲與播放，網(wǎng)絡通訊中傳輸層的編解碼，穿戴設備定位、環(huán)境測量、用戶體征測量，汽車自動輔助駕駛系統(tǒng)對環(huán)境的感知，智能家居系統(tǒng)中對于家電設備的工況監(jiān)測與自動控制等。電子信息相關專業(yè)的學生在相關行業(yè)就業(yè)后，對數(shù)字信號處理相關知識的需求頻率高，場景豐富。教師在教學過程中應面向項目需求、工程問題，以培養(yǎng)學生的實操能力為關鍵點，使之更好具備在上述領域獨立完成研發(fā)工作所需的能力。

1.2有效構建課程概念知識體系

本課程承接“信號與系統(tǒng)”，從時域離散信號和時域離散系統(tǒng)基礎知識出發(fā)，涉及頻域分析、離散傅立葉變換、快速傅立葉變換、時域離散系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構等關鍵知識單元，到IIR＼FIR數(shù)字濾波器的設計為止[4]。可見，作為工程學科課程，其目的在于培養(yǎng)學生設計數(shù)字濾波器的能力。而目前主要教材及參考資料著重于基礎理論講授，包含大量的數(shù)學公式推導證明，“用復雜的事物去解釋復雜的事物”，容易造成學生理解困難。從因材施教的角度出發(fā)，應優(yōu)先保障學生理解并掌握相關基本概念，了解算法和濾波器的基本功能和適用范圍，以便在對應場景下自行查閱相關資料以解決實際問題。

1.3快速傳遞課程基本數(shù)學理論

數(shù)字信號處理作為一個快速發(fā)展、廣泛應用的技術，圍繞其工程應用，已經(jīng)形成了大量的通用軟件平臺及相關工具箱可供使用，如Matlab包含Signal Processing Toolbox，以及通訊、小波、射頻、DSP、相控陣等相關分析工具箱；Python中常用的Scipy庫中也包含了信號處理signal模塊。筆者認為，在實際工程設計過程中應用相關工具或以此為基礎進行二次開發(fā)已成為主流，沒有必要“從輪子開始造車”，但另外一方面，學生能夠系統(tǒng)性地了解相關數(shù)學基礎，對于用好相關軟件工具，提高數(shù)字濾波器設計水平，將大有裨益。在學生已掌握概念知識體系的基礎上，教師應盡量快速、全面地闡明主要公式的含義，便于學生理解；有能力的學生可在課下自行進行公式推導證明。

1.4全面重溫課程相關基礎知識

學習“數(shù)字信號處理”需要全面用到“信號與系統(tǒng)”知識?！靶盘柵c系統(tǒng)”課程包含了“數(shù)字信號處理”所必需的絕大部分前序知識，如采樣、卷積、傅立葉變換、拉普拉斯變換、Z變換、系統(tǒng)響應等[5]。要求學生具備良好的數(shù)理基礎和邏輯思維能力。在大量學生存在數(shù)學基礎功底不扎實，前序課程知識不牢固的情況下，不能簡單假設“學生已掌握相關知識”，而是應該將相關知識點進行代入，幫助學生重溫基礎知識，從而提升對當前內(nèi)容的理解。圖1為數(shù)字信號處理課程知識結構圖[6-7]。

2教學實踐及具體措施

2.1加強興趣引導著力概念傳遞

在教學中著眼于將教學內(nèi)容與實際工作生活場景相結合，引導學生正確理解信號處理的基本概念，以免陷入對數(shù)學公式的死記硬背當中喪失課程學習動能。如在講授信號傅立葉級數(shù)變化時，首先通過動畫展示帶領學生重溫波的疊加特征，而后指出傅里葉級數(shù)是一種對周期信號進行分解的方式，滿足條件（狄利克雷條件）的任何周期函數(shù)可以由一系列不同頻率的正弦（余弦）函數(shù)疊加而成，而這些正弦函數(shù)構成了級數(shù)分解的正交基，并進一步通過動畫演示如何通過基函數(shù)疊加實現(xiàn)對方波信號的擬合。而后，再進行相關數(shù)學公式的展示與介紹，使得學生能夠進一步理解公式中各項的含義。通過從直觀感受到概念建立，再到公式理解，使得基本思想和方法得以傳達，數(shù)學表達與演算也能夠建立，培養(yǎng)學生直覺與思辨的雙重能力。

2.2強化實操訓練注重實驗課程

在講授課程48學時的基礎上，專門安排了10課時的實驗課程，使學生對數(shù)字信號處理的理論知識得到進一步加強，為后面的學習打下堅實的基礎。本課程采用期末閉卷考試、章節(jié)測試，實驗成績、平時成績、大作業(yè)等相結合的方式進行綜合評定。作業(yè)考核主要檢驗學生就某一具體數(shù)字信號處理系統(tǒng)撰寫報告、PPT展示表達個人觀點以及與業(yè)界同行進行交流的能力。實驗考核主要檢驗學生通過實驗，運用數(shù)字信號處理相關技術原理建模求解問題的能力、識別和判斷數(shù)字信號處理技術中關鍵參數(shù)的能力和分析相關技術平臺在方案設計中局限性的能力。章節(jié)測試利用先進的網(wǎng)絡學習平臺——學習通，對每個章節(jié)的知識點進行在線測試，測試題目一般選用客觀題，包括選擇、判斷以及填空等，最終評判的結果以及成績由系統(tǒng)給出。通過學習通進行章節(jié)測試，不僅可以高效客觀地給出成績，對各個章節(jié)的知識點進行加強鞏固，而且提高了學生學習的積極性。試卷考核主要檢驗學生在問題求解過程中運用數(shù)字信號處理相關原理與基礎技術的能力、對數(shù)字信號系統(tǒng)關鍵環(huán)節(jié)的識別和判斷能力。具體的評分標準需要根據(jù)每次考試題目以及每個知識點對應的課程目標、所占的比重等，制訂相應的評分參考標準。

2.3著眼承前啟后重視溫故知新

教師在講授主要教學內(nèi)容的過程中，均通過對前期課程內(nèi)容的代入，使學生在聽講過程中得以重溫已有知識點，并對相關概念進行“預熱”，以便更快地進入恰當?shù)膶W習狀態(tài)。特別是離散傅立葉變換與Z變換相關內(nèi)容與前期“信號與系統(tǒng)”課程有相當多的內(nèi)容重疊，而作為快速傅立葉變換的基礎，筆者在課程中本著“不厭其煩”“溫故知新”的態(tài)度，對知識點進行了有效分解和詳細講述。另一方面，筆者在課后習題的布置中力爭涵蓋當天教學的關鍵知識點，使學生通過習題引導，自主進行復習，加深認知。

2.4融合網(wǎng)絡資源創(chuàng)新教學形式

2.4.1借助網(wǎng)絡平臺提升備課工作質(zhì)量

傳統(tǒng)的備課手段無法實現(xiàn)資源共享和信息化教學的要求，在教育信息化的大環(huán)境下，將資源共享、協(xié)調(diào)配合作為主要的指導思想，以豐富的資源為支撐，可快速便捷地查找、選擇及管理自己需要的資源，完成各項備課任務[8]。課堂上還可以利用網(wǎng)絡信息化學習平臺進行簽到、在線互動、課堂討論、課堂測試以及章節(jié)測試，使得課堂學習形式多元化，活躍課堂氣氛。此外，教師也可以根據(jù)云平臺的大數(shù)據(jù)，針對學生的不同學習情況以及學習水平，制訂不同的教學方案，提高教學質(zhì)量和效率。

2.4.2建立以學生為中心的新型師生互動模式

通過多種渠道搜集學生的反饋信息，如課堂問答、課后作業(yè)、實驗操作情況及實驗報告等進行分析，從而從整體上了解學生的學習情況，做出改善教學的調(diào)整，從而形成將學生作為課堂中心的互動教學模式[9]，強調(diào)學生的積極參與和主動感受，是一種“主導―主體”結構的教學模式[10]。

2.5堅持思政融入實現(xiàn)立德樹人

在本課程講授過程中，應建立講授內(nèi)容與思政要素的有機映射，實現(xiàn)思政教育要求在課程內(nèi)容中的有效融合[11]。在課程的不同階段，結合數(shù)字信號處理相關儀器儀表的自主可控需求與當前現(xiàn)狀分析，鼓勵學生投身產(chǎn)業(yè)報國；通過對信號流圖表示網(wǎng)絡結構，代入個體與整體關系，促使學生加強團隊合作；通過傅立葉變換及其持續(xù)發(fā)展演進的講授，說明創(chuàng)新的持續(xù)性和積累性，量變產(chǎn)生質(zhì)變，提升學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新理念等。

3結語

通過確立教學理念，采取合理措施，開展教學實踐，有效完成了該學期“數(shù)字信號處理”課程教學任務。從課堂講授過程看，課堂上學生的出勤率很高，會積極搶占前排的座位，經(jīng)常有同學搶答課堂問題的情況，課堂教學氛圍很好，學生的參與度很高。從課后作業(yè)看，學生的作業(yè)完成度很高，整體質(zhì)量很好，書寫工整，條理清晰，大部分同學都可以及時糾正參考答案的錯誤。從章節(jié)測試來看，學生非常歡迎網(wǎng)絡信息化學習平臺加入課堂，學習積極性高漲。從期末考試成績看，成績比較理想，班級高分學生較多，大多數(shù)學生的綜合能力較強，自主學習意識較強，期末考試前復習很充分，課程教學達到了預期目標。從長遠看，教學是一項長期的工作，未來將繼續(xù)完善線上線下配套教學資源[12]，進一步為課程建設、學生職業(yè)技能發(fā)展，乃至國家人才隊伍培養(yǎng)做出貢獻。

*通訊作者：張晶

基金項目：皖西學院校級高層次人才科研啟動項目（WGKQ2021057）；審核性評估與新工科視域下通信工程專業(yè)人才培養(yǎng)評價研究（2019JYXM1174）；安徽省質(zhì)量工程項目“新工科”背景下信息類專業(yè)學生評價研究（2019JYXM0360）；安徽省質(zhì)量工程項目數(shù)字信號處理教學團隊（2019JXTD092）；安徽省質(zhì)量工程項目通信原理智慧課堂皖西學院校級質(zhì)量工程（WXXY2019019）。

參考文獻

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