《數字信號處理》課程本科教學方法的探索與實踐

王 磊 竇海娥

（1南京郵電大學，江蘇 南京 210003）

（2巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

《數字信號處理》課程本科教學方法的探索與實踐

王 磊1竇海娥2

（1南京郵電大學，江蘇 南京 210003）

（2巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

隨著信息科學和計算技術的迅速發(fā)展，數字信號處理的理論與應用得到了飛速的發(fā)展。《數字信號處理》課程已經成為大專院校相關專業(yè)一門必修課程，這極大地促進了教學輔助工具和軟件的發(fā)展，也反過來對該學科的教學提出了新的要求。本文分析了在本科階段開設該課程存在的主要問題，并針對這些問題在教學內容和教學方法等方面進行了改革與探索。實踐證明通過相關改革可以取得良好的教學效果。

數字信號處理；教學方法；教學改革

1 引言

《數字信號處理》是信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課程，它研究的內容廣泛應用于通信工程、信息工程、網絡工程、廣播電視工程、計算機科學、信息安全等許多專業(yè)領域，對這些專業(yè)的理論研究和工程應用均起到重要的指導作用?？梢哉f數字信號處理技術是現代信息產業(yè)的重要基石，它在網絡時代的地位與CPU在PC時代的地位是一樣的。但由于該課程的抽象性和理論性，我校最初重點向研究生開設此課程，現在它已成為我校通信與信息工程等專業(yè)本科生的必修課程。本科生在學習這門課程時，常常感到概念抽象，對其中的分析方法和基本理論等不能很好地理解和掌握。為提高教學效果，我們對“數字信號處理”課程的本科教學過程中出現的主要問題進行分析，并結合教學實踐給出相應的教學改革方法。

2 教學內容與主要問題分析

數字信號處理的理論基礎是離散線性時不變系統(tǒng)理論和離散時間傅里葉變換（DTFT），這些內容在“信號與線性系統(tǒng)”課程中已做了詳細的討論，而數字濾波和快速傅里葉變換（FFT）才是數字信號處理這門課的經典內容，我們將重點介紹這兩方面內容。學習這些內容的同時還應當著眼于設計和應用手段的不斷更新。數字信號處理器和數字信號處理軟件工具是數字信號處理應用的兩大支撐工具，應結合相關的理論對他們作了必要的介紹，特別是需要引入了以Matlab為工具的仿真實驗。考慮到一些新的發(fā)展領域與當前的電子信息系統(tǒng)關系密切并能夠和本課程內容成一體系，例如多采樣率信號處理等內容，也將在這門課程中給予介紹。至于最優(yōu)濾波理論、自適應濾波、二維濾波、數字頻譜的參數模型法和高階譜分析等內容應歸入 “現代數字信號處理”或“隨機信號處理”的課程。

近年來，數字信號處理在理論和應用方面都有了飛速的發(fā)展，也因此對該學科的教學提出了新的要求。通過教學實踐及分析討論，我們認為這門課程最主要的主要特點和突出問題為：

2.1 《數字信號處理》課程的理論性強。信號處理本身就是一門源于數學的學科，也被有些學者稱為是數學的一個分支。它使用數學語言對工程問題進行描述，其中的定理和結論以嚴格的數學證明作為依據，并對其賦予實際的工程物理意義來指導工程實踐。所以數字信號處理課程包含了很多抽象的概念和理論，也涉及到較多的數學推導過程。這是工科類本科生理解和掌握起來有一定難度的最主要原因。

2.2 本科學生缺少一些先修的基礎知識。《數字信號處理》課程要求學生掌握的先修基礎知識有很多，如高等數學、概率論和隨機過程、線性代數、信號與線性系統(tǒng)、通信原理等。部分學生對這些先修課程掌握的不夠扎實，這就會影響數字信號處理課程的學習。另外，部分先修課程在本科階段講授的內容還不足以用來理解數字信號處理中的一些內容，例如對多采樣率信號處理、等波紋最佳逼近原理等問題的理解。

3 教學方法的探索與實踐

在本科階段開設《數字信號處理》存在著一定的難度，對授課教師來講也是一個挑戰(zhàn)。我們通過對教學方法的改革和實踐，比較成功地解決了上述問題，取得了良好的教學效果。

3.1 采用豐富多樣的授課方式。在教學中要充分利用多媒體輔助教學的優(yōu)勢，采用板書和幻燈片優(yōu)勢互補的授課方式。對于一些教學提綱、歸納小結、圖文圖示以及動畫演示的內容，宜采用幻燈片。而對一些公式的推導，基本原理的解釋，則用板書授課效果更好，互動性強，學生也能夠跟隨教師的思路來領會課堂知識。此外，將教學過程與當前最優(yōu)秀的科學計算軟件Matlab進行有機結合是非常重要的，這樣可以使一些很難理解的抽象理論得到直觀演示解釋，同時解決了各種復雜問題的分析與計算等難題。我們在授課的過程中通過多種方式的結合，努力使復雜的數字信號處理理論變成了學生易接受、易實現的簡單問題。

3.2 合理選擇教學內容。數字信號處理理論與應用發(fā)展迅速，《數字信號處理》課程涉及的內容很多、邏輯性很強，而教學的學時和學生的接受能力有限，因此必須合理地篩選授課內容。在側重基本概念、基本原理和基本方法的原則下，重點講授基礎的或者帶有普遍意義的知識點，而對類似或衍生的知識只進行簡單地介紹。在具體內容的取舍方面，我們結合數字信號處理技術的發(fā)展做了精心的安排。例如，在濾波器設計方面，由于設計手段的更新，以往依賴于設計手冊的方法已毫無意義，故我們只在復習模擬濾波器設計時側重于介紹其特點、性能和參數的意義，而討論數字濾波器設計時重點介紹了用計算機設計數字濾波器的有關內容。再如，對于濾波器系數量化效應的統(tǒng)計分析方法幾乎已經沒有實用價值，而Matlab仿真卻可以準確地計算出系數量化對頻率響應的影響，因而在教學中應舍棄統(tǒng)計分析方法代之以Matlab仿真。

3.3 強調重點概念和理論的物理意義。要努力通過聯(lián)系實際應用以培養(yǎng)學習興趣，降低問題的抽象性。由于本課程的理論和結論是通過數學推導的方式得到，學生在關注公式推導證明時往往不注意理解其實質內涵，逐漸造成了學習興趣的下降。針對這種情況，我們除了進行必要的推導以外，教學中要特別強調結論的物理意義和應用。如在面向通信工程專業(yè)本科生授課時，我們以現代通信系統(tǒng)為工程背景，結合課程的內容，具體分析了數字信號處理在通信系統(tǒng)中的應用。

3.4 及時反饋并注重關聯(lián)。在教學工作中，除了安排定期的答疑和課間答疑外，每次作業(yè)中出現的問題要及時反映在習題課的講解中，為本課程后續(xù)內容的學習掃清障礙，杜絕“累積效應”。此外，要注重與先修課程的關聯(lián)，對先修課程中出現的相同內容的不同表達方式一定要解釋清楚，使學生不會混淆概念，反而更好地理解和掌握多門課程。例如，本課程中也出現了噪聲功率譜密度，在通信原理課程中存在單邊帶功率譜密度和雙邊帶功率譜密度的區(qū)分，這里就要向學生解釋清楚。

3.5 學術研究與本科教學緊密結合。努力開拓學生視野，適時地將國內外的重大科技事件和授課內容聯(lián)系起來，既可以拓展學生的學術視野，又可以提高學習興趣。授課教師應將自身的學術研究與本科教學結合起來。例如，目前在國內外“壓縮感知（Compressed Sensing）”技術已逐漸成為學術界的研究熱點，并有望打破傳統(tǒng)的奈奎斯特（Nyquist）采樣定理，從而很可能帶來信號處理領域的又一次重大變革，而“壓縮感知”中許多新方法的誕生和使用都可以和數字信號處理課程中的教學內容聯(lián)系起來。這樣，通過介紹最新學術動態(tài)，不但可以激發(fā)學生的學習興趣，還可能會增強本科生畢業(yè)后繼續(xù)深造的信心。

4 結束語

雖然在本科階段開設《數字信號處理》課程存在著諸多問題，但是遵循上述方法我們不僅順利地開設了《數字信號處理》本科課程，而且取得了良好的教學效果。誠然，教學改革是一個多方面長期的不斷探索、逐步完善的過程。在今后的教學過程中，我們會繼續(xù)進行教學改革探索與研究，不斷完善教學過程。也希望同行們反饋寶貴建議和意見，交流教學體會和經驗，以便不斷修正教學中的誤區(qū)，不斷去粗取精，進一步提高教學效果和質量，共同努力為我國信息產業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)出更多更優(yōu)秀的專業(yè)人才。

[1]謝利民等，現代教學基礎理論[M].上海：上海教育出版社，2003.

[2]http://ac.zstu.edu.cn/rcdp/bencandy.php?fid=95&id=196.

[3]http://www.etc.edu.cn/show/2009/shuzi10.htm.

[4]http://www.news.ynu.edu.cn/jxky/2006-11-24/0-8-1534.html.

[5]任淑萍，王欣峰.《數字信號處理》的優(yōu)化教學研究[J].電力學報，2008，23（3）：255-257.

[6]劉煥淋，何方白，李強.多媒體網絡環(huán)境中的《數字信號處理》教學研究[J].中國教育導刊，2005，（4）：74-75.

[7]朱金秀，張卓，朱昌平.數字信號處理課程實驗教學研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2008，27（5）：96-98.

[8]何培宇，孫明義.《數字信號處理》課程多媒體雙語教學的探索與體會[J].高等理科教育，2006，（1）：72-73.

EXPLORATION AND PRACTICE OF TEACHING METHODS FOR UNDERGRADUATE ON THE COURSE OF DIGITAL SIGNAL PROCESSING

WANG Lei1DOU Hai－e2
（1 Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing Jiangsu 210003）
（2 Chaohu College，Chaohu Anhui 238000）

Digital signal processing theory and applications has made rapid development with the rapid development of information science and technology computing."Digital Signal Processing" has become a relevant professional institutions a compulsory course，which greatly promoted the teaching aids and software development，in turn new requirements of teaching the subject is also put forward.This paper analyzes major problem of the creation of the courses in the undergraduate，and Reforms and explores the solutions to these problems in the teaching content and teaching methods.Practice has proved that，through relevant teaching reform，good teaching results have been obtained.

Digital signal processing； Teaching methods； Teaching reform

G642.0

A

1672－2868（2010）06－0128－03

2010-09-01

南京郵電大學教學改革研究項目（項目編號：JG00206JX10）

王磊（1977-），男，安徽碭山人。工學博士，南京郵電大學通信與信息工程學院講師，研究方向：現代通信中的智能信號與信息處理、認知無線電技術、壓縮感知技術以及隨機矩陣理論在無線通信中的應用。

責任編輯：陳 鳳