數(shù)字信號處理教學(xué)改革與實踐探索

[摘 要] 本文結(jié)合“數(shù)字信號處理”這門課程的特點，為使傳統(tǒng)的課堂型教學(xué)逐漸過渡到探索型教學(xué)從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)實踐等方面進行了實踐和探討。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)字信號處理，教學(xué)質(zhì)量，教學(xué)改革，教學(xué)實踐。

[中圖分類號] G642．0 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1005-4634(2006)05-0453-03

“數(shù)字信號處理”是電子信息、自動化、測控儀器、生物醫(yī)學(xué)等專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，技術(shù)基礎(chǔ)課的設(shè)置是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一個新的階段，在理論(原理)、方法、技能諸多方面的一個綜合體現(xiàn)。在教學(xué)過程中應(yīng)注重學(xué)生知識、能力、素質(zhì)的全面發(fā)展，注重在以探索和研究為基礎(chǔ)的教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的研究能力與創(chuàng)新能力；從傳統(tǒng)的單向知識傳授的教學(xué)型教學(xué)向知識傳授與探索相結(jié)合的探索型教學(xué)發(fā)展，以正確的教學(xué)理念來指導(dǎo)具體的課程教學(xué)實踐。

1 教學(xué)內(nèi)容的改革

隨著全球性新技術(shù)革命的到來，數(shù)字信號處理在內(nèi)容上已經(jīng)發(fā)展到一個新的水平，因此課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)及時反映時代的特點和科技發(fā)展的方向，以適應(yīng)客觀形勢對人才培養(yǎng)的需要。

首先，精選教材。教材是一門課程的基礎(chǔ)，我們根據(jù)教學(xué)需求，查閱了許多國內(nèi)外教材，并結(jié)合數(shù)字信號處理理論與技術(shù)的最新進展，有目的的選擇了適合當(dāng)前專業(yè)學(xué)生的優(yōu)秀教材和輔助教材，如西安電子科技大學(xué)出版社出版的《數(shù)字信號處理(第二版)》、電子工業(yè)出版社出版的《數(shù)字信號處理及其MATLAB實現(xiàn)》、高等教育出版社出版的《DSP技術(shù)原理及開發(fā)應(yīng)用》等；

其次，精心組織教學(xué)內(nèi)容。數(shù)字信號處理的理論性比較強，教材上有大幅的公式推導(dǎo)，前幾屆學(xué)生反映這門課比較枯燥。為了改變這種狀況，在授課過程中，精心設(shè)計每一堂課，在課程內(nèi)容的組織上多下工夫，在講述一些定義、定理時注意講清思路、講清概念，同時避免大段的公式推導(dǎo)或大量微觀的描述和細(xì)節(jié)的羅列，注意聯(lián)系數(shù)字信號處理的實際應(yīng)用和發(fā)展動向。

將課程內(nèi)容分成三大部分：①數(shù)字信號處理理論基礎(chǔ)，包括時域離散信號和系統(tǒng)時域分析、時域離散信號和系統(tǒng)頻域分析、離散傅里葉變換(DFT)、快速傅里葉變換(FFT)；②數(shù)字濾波器設(shè)計理論和設(shè)計方法，包括時域離散系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與狀態(tài)變量分析法、IIR數(shù)字濾波器設(shè)計、FIR數(shù)字濾波器設(shè)計、特殊濾波器(全通濾波器、梳狀濾波器、格型濾波器、簡單正系數(shù)濾波器)設(shè)計(選講)、多采樣率信號處理介紹；③數(shù)字信號處理的實現(xiàn)，包括數(shù)字信號處理中的量化效應(yīng)、數(shù)字信號處理算法的軟件實現(xiàn)、數(shù)字信號處理算法的硬件實現(xiàn)介紹。講課時以①、②部分為重點，為學(xué)生打好數(shù)字信號處理的理論基礎(chǔ)，以便于進一步深造、學(xué)習(xí)和運用數(shù)字信號處理新技術(shù)、新算法和新器件。③部分只作簡要介紹，使學(xué)生建立數(shù)字信號處理的軟硬件實現(xiàn)的基本概念。

2 教學(xué)方式的改革

《數(shù)字信號處理》是電子信息類等專業(yè)的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，一般在三年級上學(xué)期開課，它是在學(xué)生學(xué)完了《信號與系統(tǒng)》課程后，進一步為學(xué)習(xí)專業(yè)知識打基礎(chǔ)的課程。針對這個時期學(xué)生特點(已經(jīng)掌握了基礎(chǔ)課程的知識，還尚未接觸專業(yè)課程)，筆者在教學(xué)手段、教學(xué)方式和教學(xué)方法上作了許多改革和嘗試。

首先，縮短理論教學(xué)學(xué)時同時加大實踐教學(xué)學(xué)時。理論教學(xué)中變傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)為引導(dǎo)啟發(fā)式教學(xué)，理論講解只占課堂時間的40％，例題與習(xí)題解答占30％，課堂上現(xiàn)場仿真實驗占30％。理論講解使學(xué)生掌握基本概念和基本原理，例題與習(xí)題解答使學(xué)生學(xué)會分析問題和解決問題的方法，并深化基本理論，而現(xiàn)場仿真實驗是調(diào)動同學(xué)們的參與意識，使學(xué)生親身感受信號處理算法的性能，提高學(xué)習(xí)興趣，寓教于樂；

其次，開展課堂板書、多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合的授課方式。針對一些基本原理和基本方法的推導(dǎo)和證明的需要，仍然延續(xù)課堂板書的授課方式，讓學(xué)生一步一步跟上教師的思路，同時在板書的同時留足夠的時間讓學(xué)生領(lǐng)會；而對于一些需要形象理解、圖示舉例以及演示的部分，采用多媒體教學(xué)方式，充分利用聲音、圖像、視頻、動畫等多種形式進行互動教學(xué)。例如，利用MATLAB語言豐富的信號處理工具箱函數(shù)和強大的繪圖功能，解釋較難理解的信號的頻譜概念、傅里葉級數(shù)概念和濾波器與信號濾波的概念及原理就會起到事半功倍的效果；針對課后的復(fù)習(xí)、相關(guān)背景知識的學(xué)習(xí)以及課堂內(nèi)容的擴展部分，充分利用網(wǎng)絡(luò)，建立課程主頁，提供相關(guān)資源和討論空間；

再次，引入雙語教學(xué)模式，加強MATLAB語言與數(shù)字信號處理相結(jié)合。這樣可以使同學(xué)們在學(xué)習(xí)過程中融會貫通科技英語、信號處理和算法語言等課程，使他們體會到基礎(chǔ)課與專業(yè)基礎(chǔ)課之間的聯(lián)系，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自覺性和自主性。

3 教學(xué)實踐改革

為了提高學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識的能力以及工程素質(zhì)，筆者汲取先進的實驗教學(xué)理念和思想，將理論教學(xué)和實驗教學(xué)有機結(jié)合，對實驗教學(xué)逐步進行改革與實踐，編寫了《MATLAB軟件仿真實驗指導(dǎo)書》和《數(shù)字信號處理實驗指導(dǎo)書》(待出版)。其目標(biāo)是為了訓(xùn)練、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。筆者在實驗內(nèi)容上壓縮了傳統(tǒng)的驗證性實驗，擴大和增加了綜合性、設(shè)計性和工程性實驗以及仿真實驗。具體來講有以下特色：

1)采用實驗教學(xué)模式。每個實驗除了包含實驗?zāi)康?、基本原理、步驟外，還包含延伸和綜合實驗內(nèi)容的實驗思考題，同時要求寫出實驗報告和總結(jié)；實驗教學(xué)方式采取開放、課內(nèi)課外結(jié)合的形式；實驗教學(xué)方法提倡個人思考、小組討論。

例如在IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計實驗中，首先要求學(xué)生作以下準(zhǔn)備：①考慮IIR數(shù)字濾波器的不同設(shè)計方法、分析不同設(shè)計方法之間的優(yōu)缺點：每個設(shè)計方法在實現(xiàn)過程中那些參數(shù)對設(shè)計結(jié)果有影響?如何影響?②收集IIR數(shù)字濾波器實際應(yīng)用的例子，參照例子，結(jié)合前面所學(xué)的知識，設(shè)計DSP(數(shù)字信號處理系統(tǒng))系統(tǒng)：③寫出設(shè)計步驟，并編寫MATLAB程序。這樣促使學(xué)生充分利用課外時間，自己去獲取知識、發(fā)展能力。實驗報告的內(nèi)容為：①總結(jié)實驗所得主要結(jié)論；②IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計的主要特點；③附上實驗結(jié)果。在此過程中，鼓勵學(xué)生提出自己的觀點，自主尋找方法，自主探究思路，自主解決問題；

2)側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的計算機應(yīng)用能力。上機訓(xùn)練包括兩方面：一是基于MATLAB開發(fā)的仿真實驗，內(nèi)容包括：基本信號在MATLAB中的表示和運算、卷積計算、系統(tǒng)零極點與頻響、信號的調(diào)制與解調(diào)、濾波器設(shè)計、傅里葉變換、頻譜特性曲線等；二是對課程中涉及到的數(shù)字信號處理內(nèi)容選擇先進的DSP實驗系統(tǒng)結(jié)合MATLAB仿真，大膽創(chuàng)新、精心設(shè)計實驗內(nèi)容，讓學(xué)生在信號與系統(tǒng)的知識基礎(chǔ)上，提前接觸DSP的相關(guān)解決方法，擴展知識面，提高分析問題和解決問題的能力；

3)加強課程、學(xué)科之間的相互滲透，設(shè)計一些綜合性實驗。先將“信號與系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”二門課程的實驗課程打通，共建一個實驗平臺、分段實施，以訓(xùn)練學(xué)生綜合分析能力。在此基礎(chǔ)上，逐步滲透語音與圖像處理的基本知識和方法，為課程和畢業(yè)設(shè)計做鋪墊。

通過實踐性教學(xué)可加強學(xué)生對相關(guān)知識的掌握和理解，促進教學(xué)質(zhì)量的提高。而且通過實驗鍛煉了學(xué)生用計算機輔助計算分析解決實際工程問題的能力，為后續(xù)的相關(guān)課程以及畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)，為提高學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新精神創(chuàng)造了一個良好的環(huán)境。