“數(shù)字信號(hào)處理”教學(xué)改革與實(shí)踐探索

曹斌芳，彭元杰，蔡劍華

（湖南文理學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 常德415000）

“數(shù)字信號(hào)處理”教學(xué)改革與實(shí)踐探索

曹斌芳，彭元杰，蔡劍華

（湖南文理學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 常德415000）

數(shù)字信號(hào)處理是電子信息等學(xué)科重要的專業(yè)課，在各個(gè)學(xué)校的專業(yè)教學(xué)中都是十分重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，受到相當(dāng)?shù)闹匾暋Ｕ撐慕Y(jié)合該課程目前的教學(xué)實(shí)際情況，從教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革。在教學(xué)環(huán)節(jié)中強(qiáng)調(diào)課程應(yīng)用的前沿領(lǐng)域、突出抽象概念的物理意義及工程應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上注重硬件實(shí)驗(yàn)和軟件實(shí)驗(yàn)的綜合培養(yǎng)能力，開(kāi)發(fā)了綜合性，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)并在課程教學(xué)中加入討論式課題。實(shí)踐表明教學(xué)改革取得了良好的效果。

數(shù)字信號(hào)處理；改革；實(shí)踐

數(shù)字信號(hào)處理是電子信息類專業(yè)的重要專業(yè)課，在各個(gè)學(xué)校的專業(yè)教學(xué)中都是十分重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，受到相當(dāng)?shù)闹匾暋Ｓ捎谠撜n程具有概念抽象，理論性強(qiáng)和內(nèi)容枯燥等特點(diǎn)，一般學(xué)生很難學(xué)好。大多數(shù)初學(xué)者在學(xué)習(xí)這門課時(shí)，對(duì)一些重要的理論常常一知半解,進(jìn)而不能深刻領(lǐng)悟理論的實(shí)際意義和工程應(yīng)用。所以教師教什么，如何教；學(xué)生學(xué)什么，如何學(xué)是立足教學(xué)一線的每一位教師應(yīng)切實(shí)思考的問(wèn)題。為此，筆者所在的課程組提出了從課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)方面人手,進(jìn)行積極探索和提出改進(jìn)的方法。

1 .課程教學(xué)改革

1.1 強(qiáng)調(diào)課程教學(xué)的意義

嚴(yán)格意義上每一門課程的教學(xué)都不是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體。在具體的講述課程內(nèi)容前，上課老師要全面的，客觀的，綜合的分析該課程，給學(xué)生一個(gè)對(duì)該課程全面的認(rèn)識(shí)。告訴學(xué)生“為什么學(xué)習(xí)這門課程，如何學(xué)習(xí)，以及在實(shí)際中的應(yīng)用”。

數(shù)字信號(hào)處理是現(xiàn)代信號(hào)處理增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域,在許多以數(shù)字化應(yīng)用為主的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在講解課程的內(nèi)容時(shí)應(yīng)該對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的前沿領(lǐng)域（圖像處理、儀表與控制、語(yǔ)音音頻、無(wú)線電通信、生物醫(yī)學(xué)、消費(fèi)應(yīng)用、數(shù)字、便攜移動(dòng)電話、多功能移動(dòng)通信系統(tǒng)、數(shù)字電視等）進(jìn)行介紹,以提高學(xué)生對(duì)該課程的興趣，同時(shí)幫助他們更好地認(rèn)識(shí)該課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容。比如：最鮮活的例子就是現(xiàn)在普遍使用的手機(jī),讓學(xué)生知道它里面嵌入了數(shù)字信號(hào)處理 （DSP digital signal processor）技術(shù),正是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，才使我們手中的移動(dòng)電話體積變得越來(lái)越小,聲音質(zhì)量越來(lái)越好[3]。使學(xué)生感到自己所學(xué)的東西就在身邊,就在人們的生活中,而不是遙不可及、觸摸不到的。

1.2 強(qiáng)調(diào)數(shù)字信號(hào)處理概念的物理意義和工程應(yīng)用

數(shù)字信號(hào)處理課程涉及的公式比較多,概念很抽象，繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和計(jì)算使學(xué)生感到難學(xué)、難懂、學(xué)了不知如何去用。課程中大量的理論和結(jié)論都是通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)方式得到，所以學(xué)生往往過(guò)于注重公式推導(dǎo)或證明而不能理解其實(shí)質(zhì)和用途。針對(duì)上述情況，在課堂教學(xué)中，應(yīng)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程，著重講解物理意義，實(shí)際應(yīng)用等，以此加深學(xué)生對(duì)抽象問(wèn)題的理解[4]。

以快速傅立葉變換在計(jì)算一維信號(hào)頻譜中的應(yīng)用為例來(lái)說(shuō)明。利用快速傅立葉變換對(duì)一維進(jìn)行處理,實(shí)際上是對(duì)一維信號(hào)求其頻譜，只是采用了傅立葉變換的快速算法（FFT）。可以使學(xué)生深刻的理解和掌握它的概念和含義[5]。

例如在講授Fourier變換時(shí)，我們不但給出一些典型序列的Fourier變換結(jié)果，還以語(yǔ)音信號(hào)、圖像信號(hào)等為例，使學(xué)生能夠更直觀，更貼近實(shí)際地感受數(shù)字信號(hào)處理中的技術(shù)。以往學(xué)生普遍認(rèn)為Fourier變換是學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)，他們經(jīng)常會(huì)提出這樣的問(wèn)題：Fourier變換究竟是在做什么？為什么要求解Fourier變換？為什么要求信號(hào)的頻率[6]？在解釋時(shí)，往往會(huì)以正余弦信號(hào)為例，讓學(xué)生看到Fourier變換對(duì)頻率的提取效果。然而大部分學(xué)生還是認(rèn)為這樣的解釋不夠直觀化、清楚化，不能夠?qū)χR(shí)點(diǎn)有一個(gè)很好的理解和認(rèn)識(shí)。因此，我們又在教學(xué)中給出諸如圖像等的例子，在圖像處理中，F(xiàn)ouier變換起到了集中能量的作用，這種集中就可以應(yīng)用到圖像壓縮等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

在講授數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們更是大量地使用了實(shí)際生活中的應(yīng)用實(shí)例，如去噪聲等，亦取得了較好的教學(xué)效果。通過(guò)這種強(qiáng)調(diào)物理意義和工程應(yīng)用的教學(xué)方式，不但能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能夠更好地講述理論知識(shí)，使學(xué)生更好地理解掌握數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。

1.3 教學(xué)互動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力

轉(zhuǎn)變單純依賴教師、依賴教材的教學(xué)模式,適時(shí)采用預(yù)習(xí)講解式。改變傳統(tǒng)的以教師為主體，以書(shū)本為中心的知識(shí)傳授方式。通常,教材的內(nèi)容總是滯后于技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步的，尤其是相對(duì)于迅速發(fā)展的信息技術(shù)更是如此。在這個(gè)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為生活中不可缺少的一部分，引導(dǎo)學(xué)生正確使用網(wǎng)絡(luò)，把網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作他們獲取新知識(shí)、新技術(shù)的第二課堂,讓他們成為網(wǎng)絡(luò)的主人。所以，當(dāng)課程進(jìn)行到某一階段，具有一定基礎(chǔ)后，應(yīng)讓學(xué)生課后上網(wǎng)查閱相關(guān)的資料，進(jìn)行收集、整理。采用這種教學(xué)方式時(shí),教師不要給學(xué)生設(shè)置太多的限制，應(yīng)讓學(xué)生盡情發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，采用這種教學(xué)方式可以有效地提高學(xué)生的積極性，培養(yǎng)主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)。

1.4 改善課件，增加動(dòng)畫(huà)效果

針對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程中很多抽象的物理問(wèn)題,如頻域采樣定理、圓周卷積運(yùn)算等、利用MATLAB軟件設(shè)計(jì)出動(dòng)畫(huà)課件。通過(guò)動(dòng)畫(huà)課件演示使教師的講解變得生動(dòng)形象，使學(xué)生對(duì)知識(shí)達(dá)到更深刻的理解[7]。

1.5 增加研討性教學(xué)

為了更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，適當(dāng)采用研討式教學(xué),即Seminar。Seminar最先在德國(guó)的大學(xué)產(chǎn)生和應(yīng)用并進(jìn)而擴(kuò)展到全世界，現(xiàn)在已經(jīng)成為世界各國(guó)大學(xué)的主要教學(xué)形式。在Seminar里,學(xué)生是課程的主體，教師與學(xué)生處于平等的地位，教師雖然確立討論的主題并提出問(wèn)題，但是教師的角色已發(fā)生了變化，不再單純是知識(shí)的傳授者和講解者，而是學(xué)生進(jìn)行學(xué)術(shù)討論與研究的啟發(fā)者和開(kāi)導(dǎo)者。研討式教學(xué)有助于培養(yǎng)創(chuàng)新性人才[8]。

當(dāng)課程內(nèi)容階段性的完成教學(xué)時(shí)，教師要給學(xué)生布置綜合作業(yè)。大家在熱烈討論的過(guò)程中，彼此可以相互借鑒，相互啟發(fā)。利用這種方式，在完成作業(yè)的過(guò)程中，大家相互交流、研究，積極查閱資料、手冊(cè)，完全是主動(dòng)地、自然地為完成一個(gè)目標(biāo)去做，是帶著一種主動(dòng)的求知欲去做。正是在研究和討論的過(guò)程中，所學(xué)的知識(shí)得到升華。所以，教師要努力啟發(fā)學(xué)生的內(nèi)在需求，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，使每個(gè)學(xué)生都能在他天賦所及的范圍內(nèi)充分發(fā)揮能動(dòng)性和創(chuàng)造性。

2 .強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié),注重能力培養(yǎng)

實(shí)踐教學(xué)應(yīng)本著“知識(shí)——能力——素質(zhì)”協(xié)調(diào)發(fā)展的教育理念，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐去探求新知，切實(shí)提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)[2]?；谏鲜鲈瓌t，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上注重理論與實(shí)踐的結(jié)合，力圖讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中對(duì)課程所涉及的內(nèi)容有更加深入的理解。另外，我校學(xué)生在先修課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)了“MATLAB與系統(tǒng)仿真”課程，具有一定的MATLAB程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。因此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中要求學(xué)生根據(jù)題目要求，自己編制和調(diào)試MATLAB程序。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，要求學(xué)生主動(dòng)的完成，教師只是充當(dāng)答疑解惑的角色，這充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀性。

隨著課程教學(xué)內(nèi)容的逐步深入，根據(jù)不同階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容特點(diǎn)，構(gòu)建了從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)到課題式研究，再到創(chuàng)新型試驗(yàn)項(xiàng)目的一套實(shí)踐體系。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)大都是硬件電路完成的，所需的實(shí)驗(yàn)儀器比較多，調(diào)試過(guò)程比較復(fù)雜繁瑣，實(shí)驗(yàn)效果往往不是很理想，而且改變參數(shù)時(shí)又必須重新連接電路。MATALB是一種可視化的科學(xué)計(jì)算和分析軟件，利用其提供的良好界面、方便的操作過(guò)程及強(qiáng)大的工具包?？梢蚤_(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證性、綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)編寫(xiě)程序和直觀的實(shí)驗(yàn)效果,鍛煉了學(xué)生用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算與分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力，也為后續(xù)的課程設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)和課題式研究奠定了基礎(chǔ)。

2.2 課題式研究

以數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)理論為基礎(chǔ)，以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和軟件為開(kāi)發(fā)工具,指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課題式研究。課題式研究的選題包括以下幾個(gè)方面:由教師給出適合本科生研究的課題；通過(guò)參加與信號(hào)處理有關(guān)的學(xué)術(shù)講座，從中受到啟發(fā)找到的研究課題；學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的具有研究深度、題材新穎的信號(hào)處理內(nèi)容；學(xué)生通過(guò)查閱資料,上網(wǎng)發(fā)現(xiàn)的新課題。在課題式討論的過(guò)程中，教師主要負(fù)責(zé)對(duì)課題研究的方法進(jìn)行指導(dǎo)，采用集體和個(gè)別輔導(dǎo)相結(jié)合的方式。針對(duì)本科生的課題式研究，老師不能提太高的要求，不應(yīng)過(guò)分看重研究成果。關(guān)鍵在于鍛煉學(xué)生們的獨(dú)立專研精神和科學(xué)思維能力，為將來(lái)進(jìn)一步深造打下良好的基礎(chǔ)。

2.3 參加創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

目前，國(guó)家大力支持大學(xué)生申報(bào)《國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新型試驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目》。在這種機(jī)遇下，老師應(yīng)該大力鼓勵(lì)學(xué)生申報(bào)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)幾屆學(xué)生的努力和實(shí)踐，我們?nèi)〉昧撕芎玫男Ч?/p>

3 .結(jié)論

“數(shù)字信號(hào)處理”是一門很重要的課程，同時(shí)也是一門理論性很強(qiáng)的課程。結(jié)合該課程的實(shí)際情況針對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)做了相應(yīng)的改革嘗試。通過(guò)在本校05級(jí)到07級(jí)學(xué)生中使用，說(shuō)明理論教學(xué)的改革既可以使課堂教學(xué)內(nèi)容清楚，生動(dòng)；又能加深同學(xué)們對(duì)抽象問(wèn)題的理解和對(duì)知識(shí)的掌握，改善教學(xué)效果；實(shí)踐環(huán)節(jié)的改革可以提高學(xué)生的思維能力，創(chuàng)新能力,增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。實(shí)踐證明數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)改革和實(shí)踐探索達(dá)到了良好的效果。

（注：本文系湖南省教育廳科研支持項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：08C614；湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院教改項(xiàng)目）

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