數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革的探索

平頂山學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 李 寧 薛亞許

數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革的探索

平頂山學(xué)院電氣信息工程學(xué)院 李 寧 薛亞許

本文針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程理論性強(qiáng)、抽象概念多等特點(diǎn)，結(jié)合我校該課程實(shí)際教學(xué)情況，從課程體系、教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核方式四個(gè)方面進(jìn)行改革、研究。通過多媒體教學(xué)和試驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合，收到了較好的教學(xué)效果。

數(shù)字信號(hào)處理；教學(xué)改革；教學(xué)方法

一、引言

數(shù)字信號(hào)處理作為高等院校電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)必修課，隨著全球信息化的飛速發(fā)展，其應(yīng)用日益廣泛。在本課程的教與學(xué)的過程中，普遍反映該課程理論性很強(qiáng)，抽象概念多，難以理解和掌握。尤其是對(duì)三本學(xué)生來說，學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，且未開設(shè)實(shí)驗(yàn)課，學(xué)習(xí)本課程有一定困難，導(dǎo)致學(xué)生怕學(xué)、厭學(xué)、學(xué)不懂、學(xué)習(xí)興趣不高。因此如何幫助學(xué)生理解與掌握該課程的基本理論、并能夠綜合運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決實(shí)際問題是本課程的首要任務(wù)。本文結(jié)合平頂山學(xué)院電氣信息工程學(xué)院數(shù)字信號(hào)處理的教學(xué)現(xiàn)狀，對(duì)課程體系、課堂教學(xué)模式、實(shí)踐教學(xué)和考核方式進(jìn)行積極探索。

二、課程體系的優(yōu)化

數(shù)字信號(hào)處理課程作為信號(hào)處理學(xué)科一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，覆蓋我院電子信息工程和測(cè)控技術(shù)與儀器兩個(gè)專業(yè)，通過幾屆授課及與學(xué)生的課堂交流發(fā)現(xiàn)存在以下問題：學(xué)生在接收到相關(guān)課程的學(xué)習(xí)時(shí)僅能理解和掌握每一門課程中的一些理論知識(shí)，而且都是分散、凌亂的，甚至一部分學(xué)生僅僅為了期末考試過關(guān)，無法形成一個(gè)完成的課程體系，提高自身的分析問題、解決問題的能力，導(dǎo)致學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)、目標(biāo)不明確，缺乏積極性，從此惡性循環(huán)。針對(duì)這些問題，入學(xué)時(shí)教師的引導(dǎo)十分重要，這就要求每一門課程的授課老師不僅對(duì)自身專業(yè)領(lǐng)域非常熟悉，還需要站在信號(hào)處理這門學(xué)科的角度去考慮，做到自然銜接，讓學(xué)生能逐漸建立自己的知識(shí)體系，提高學(xué)習(xí)積極性和信心。同時(shí)需要進(jìn)行合理的課程結(jié)構(gòu)設(shè)置，整合教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程體系。使幾門相關(guān)的課程組成一個(gè)結(jié)構(gòu)合理、層次清晰、相互連接的課程群體[1]，進(jìn)而獲得整體優(yōu)勢(shì)。

數(shù)字信號(hào)處理課程其先修課程有信號(hào)與系統(tǒng)，高等數(shù)學(xué)、矩陣分析、MATLAB應(yīng)用等。后續(xù)課程有DSP技術(shù)及應(yīng)用、通信原理等。就目前我院相關(guān)專業(yè)的開設(shè)情況進(jìn)行分析。

其一在課程內(nèi)容的選擇上無法實(shí)現(xiàn)很好的銜接，比如高等數(shù)學(xué)中的傅里葉級(jí)數(shù)，不管是對(duì)連續(xù)信號(hào)還是離散信號(hào)的分析，都具有很重要的地位，但是目前我院電子與測(cè)控兩個(gè)專業(yè)所開設(shè)的高等數(shù)學(xué)課程中竟然把傅里葉級(jí)數(shù)這一章節(jié)刪掉不講。造成同學(xué)們對(duì)信號(hào)分解這部分的概念理解非常困難。高等數(shù)學(xué)工科專業(yè)上的第一門基礎(chǔ)課，學(xué)習(xí)目的是為了以后能在相關(guān)專業(yè)課程中有所應(yīng)用，目前我?；A(chǔ)課課程的內(nèi)容選擇上無法以專業(yè)課為導(dǎo)向，不能把相關(guān)知識(shí)應(yīng)用到專業(yè)課中去，造成學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課時(shí)感覺枯燥、難懂；學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課時(shí)重要的知識(shí)點(diǎn)沒有學(xué)到或者十分生疏，不利于后續(xù)課程的開展。針對(duì)這種情況應(yīng)該通過相關(guān)學(xué)科教師之間進(jìn)行交流，通過對(duì)內(nèi)容調(diào)整使基礎(chǔ)課與專業(yè)課都能達(dá)到很好的教學(xué)效果。

圖1 頻域采樣定理的驗(yàn)證

其二在課程的安排順序上需要進(jìn)行調(diào)整。MATLAB是一種仿真軟件，在數(shù)字信號(hào)處理課程中應(yīng)用很廣泛，無論是對(duì)信號(hào)進(jìn)行譜分析還是濾波器的設(shè)計(jì)都采用該軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，作為一種功能強(qiáng)大的計(jì)算工具，學(xué)生需要掌握MATLAB軟件的應(yīng)用來處理專業(yè)課中所遇到的問題。目前我院MATLAB課程作為考查課在大四上學(xué)期開設(shè)，而考研的同學(xué)卻沒法在這學(xué)期投入較多的精力去學(xué)習(xí)，在某種程度上也影響到其他專業(yè)課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的展開，如果能把該軟件的學(xué)習(xí)作為一門基礎(chǔ)課開設(shè)在大二上學(xué)期，則能使教育資源得到更好的利用。在數(shù)字信號(hào)處理這門課程的學(xué)習(xí)中得心應(yīng)手，游刃有余。

三、教學(xué)模式的更新

數(shù)字信號(hào)處理存在概念多、不直觀且非常抽象、公式推導(dǎo)繁瑣等問題。在學(xué)習(xí)這門課程時(shí)，學(xué)生普遍感到數(shù)字信號(hào)處理的概念抽象，對(duì)其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握。因此，如何幫助學(xué)生理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，是數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)所要解決的關(guān)鍵問題。

首先，要轉(zhuǎn)變教學(xué)思想。在教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)基本內(nèi)容的深刻理解和基本概念的建立，淡化公式的推導(dǎo)和解題技巧，強(qiáng)化所學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[2]；以培養(yǎng)學(xué)生的能力為核心，打破理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的界限，在多媒體教室將課堂教學(xué)與上機(jī)實(shí)驗(yàn)融為一體，邊理論教學(xué)邊上機(jī)實(shí)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

其次，教師必須不斷地更新教學(xué)手段?！皵?shù)字信號(hào)處理”課程中有許多抽象的數(shù)學(xué)概念，可以通過MATLAB演示實(shí)驗(yàn)[3]，揭示其物理概念，幫助學(xué)生理解與掌握，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與學(xué)習(xí)積極性，利用啟發(fā)式的教學(xué)方法和個(gè)性化教學(xué)方法使學(xué)生有更多的發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題的空間。下面舉例說明MATLAB在頻域采樣理論驗(yàn)證中的應(yīng)用。

例：長(zhǎng)度為26的三角形序列x(n)，分別對(duì)序列x(n)進(jìn)行16點(diǎn)32點(diǎn)的離散傅里葉變換(DFT)，分別對(duì)16點(diǎn)和32點(diǎn)頻域采樣進(jìn)行離散傅里葉反變換(IDFT)，并繪制波形圖驗(yàn)證頻域采樣理論[4]。

% 頻域采樣理論驗(yàn)證

運(yùn)行結(jié)果如圖1所示，由圖1可知：當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)(DFT變換的點(diǎn)數(shù))N=16<26(序列的長(zhǎng)度)時(shí)，存在時(shí)域混疊失真(d)，x16(n)≠x(n);當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)(DFT變換的點(diǎn)數(shù))N=32>26時(shí)，無時(shí)域混疊失真(f)，x32(n)=x(n)。此結(jié)果與頻域率采樣理論的內(nèi)容相符。

將MATLAB軟件引入數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中，不僅將枯燥難懂的數(shù)字信號(hào)處理課程變得有趣、易解，而且使學(xué)生能直觀地領(lǐng)會(huì)和理解分析方法和處理結(jié)果，這對(duì)推動(dòng)學(xué)生靈活深入地掌握基本概念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。

四、實(shí)踐教學(xué)的改革

數(shù)字信號(hào)處理課程雖然理論性較強(qiáng)、但與實(shí)踐關(guān)系密切，如果僅利用課堂時(shí)間對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行講解，難以使學(xué)生有比較透徹的理解，無法應(yīng)用到實(shí)踐。目前我院在該課程的開設(shè)上還未加入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課，以致學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握相對(duì)膚淺。加入實(shí)驗(yàn)課程，不僅能夠讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用軟件分析問題、解決問題，同時(shí)也加深會(huì)所學(xué)知識(shí)的理解。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置力求科學(xué)合理，根據(jù)課程內(nèi)容的進(jìn)展設(shè)計(jì)不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案：驗(yàn)證型(基礎(chǔ)型)、提高型、拓展型[5]。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)相關(guān)理論、算法進(jìn)行驗(yàn)證、分析，如信號(hào)的譜分析與頻域采樣定理的驗(yàn)證等；提高型實(shí)驗(yàn)主要是根據(jù)響應(yīng)指標(biāo)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。拓展型實(shí)驗(yàn)是根據(jù)相關(guān)理論和算法對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的進(jìn)行分析與改進(jìn)，并結(jié)合其他相關(guān)專業(yè)課如DSP硬件技術(shù)進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)。如可以對(duì)一段錄制聲音信號(hào)或者圖像信號(hào)進(jìn)行去噪處理的MATLAB仿真與DSP實(shí)現(xiàn)。通過三個(gè)不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅學(xué)生對(duì)該課程中的理論知識(shí)掌握得更加扎實(shí)，同時(shí)也更好的鍛煉和提升專業(yè)實(shí)踐能力和專業(yè)創(chuàng)新能力，極大地提高該課程的教學(xué)水平。

五、考核方式的多樣化

考試是影響學(xué)生學(xué)習(xí)的一個(gè)主要因素，而目前考核形式還是圍繞著公式的套用、基本數(shù)學(xué)運(yùn)算等，考核結(jié)果也無法反映學(xué)生實(shí)際的掌握程度，甚至有些同學(xué)以考試過關(guān)為目的，具體收獲了什么知識(shí)、提高了哪些能力根本不關(guān)心，這勢(shì)必造成了考試帶來的過多負(fù)面影響，無法讓同學(xué)們?cè)谠撜n程的學(xué)習(xí)中提高自身的專業(yè)素養(yǎng)與實(shí)踐能力。隨著計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展與應(yīng)用，對(duì)學(xué)生的要求也有所改變，不再像以前那樣重視單純的計(jì)算能力，而是利用所學(xué)基本原理和基本方法去學(xué)習(xí)新知識(shí)和解決實(shí)際問題的能力。因此，在新的歷史發(fā)展環(huán)境下，需要對(duì)當(dāng)前的考核方法及考核內(nèi)容進(jìn)行改革。

從考核內(nèi)容上，改變過去重理論輕實(shí)踐、重知識(shí)輕能力、重運(yùn)算輕應(yīng)用的考核方式，對(duì)學(xué)生知識(shí)和能力進(jìn)行綜合考核[6]。從考核方式上，改變過去學(xué)生靠死記硬背公式去應(yīng)付考試的現(xiàn)象，考試采取半開卷的方式，加強(qiáng)應(yīng)用能力的培養(yǎng)。不再單純靠期末考試成績(jī)確定最終成績(jī)，考核內(nèi)容包括平時(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)踐環(huán)節(jié)、期末考試等，提高學(xué)生在每個(gè)環(huán)節(jié)中的積極性。

六、結(jié)論

在我院近幾屆電子信息工程專業(yè)和測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的教學(xué)中，進(jìn)行多方面的改革嘗試，采用多媒體教學(xué)與試驗(yàn)教學(xué)結(jié)合的教學(xué)模式，取得了較好的效果。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展和輔助軟件的應(yīng)用，數(shù)字信號(hào)處理課程理論教學(xué)內(nèi)容也在不斷地豐富和完善，教學(xué)方式還需要不斷地改進(jìn)和優(yōu)化，需要我們繼續(xù)學(xué)習(xí)和探索。

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The Investigation of Teaching Innovationfor the Curricula Digital Signal Processing

LI Ning，Xue Ya-xu
（College of Physics & Electric-Information Engineering，Pingdingshan University Pingdingshan 467000，China）

According to the characteristic of the Digital Signal Processing course，such as abundance in theory and uneasy to understand in concept.we have made some innovations and researches in curriculum system，teaching mode，experimental teaching and examination method combined with the teaching practice of our school.Multimedia teaching and experimental teaching are brought forward to achieve prominent effects.

Digital Signal Processing；Teaching Innovation；Teaching Effect

李寧（1983—），女，河南開封人，碩士研究生，主要從事基于傳感器陣列的氣體檢測(cè)系統(tǒng)方面的研究。