“數(shù)字信號(hào)處理”課程建設(shè)的探索與實(shí)踐

韓建峰?宋麗麗

摘要：介紹了過去五年內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)精品課程“數(shù)字信號(hào)處理”在課程建設(shè)中有意義的舉措和收獲。課程體系設(shè)計(jì)突出該課程承前啟后的特點(diǎn)，教學(xué)內(nèi)容改革注重實(shí)用性，選用英文教材開展雙語教學(xué)，完善教輔資源，課程教學(xué)中以數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)為主線，從而提升課程乃至信號(hào)課程群的整體教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；課程建設(shè)；雙語教學(xué)

作者簡介：韓建峰（1978-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，講師；宋麗麗（1980-），女，內(nèi)蒙古赤峰人，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，講師。（內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

基金項(xiàng)目：本文系內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2011009）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）05-0088-02

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)（以下簡稱“本校”）的“數(shù)字信號(hào)處理”是為電子信息工程和通信工程專業(yè)本科生開設(shè)的學(xué)科基礎(chǔ)課。對(duì)這兩個(gè)專業(yè)而言，“數(shù)字信號(hào)處理”是承前啟后的重要課程。近年來隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)該課程教學(xué)的要求也不斷提高。課程組不斷吸取國內(nèi)外高校的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本校的實(shí)際情況在課程體系與教學(xué)內(nèi)容改革、完善教學(xué)資源、雙語教學(xué)等方面進(jìn)行了探索和實(shí)踐，取得了明顯的效果。

一、課程體系與教學(xué)內(nèi)容改革

本校為本科生開設(shè)的“數(shù)字信號(hào)處理”課程，傳統(tǒng)上偏重于經(jīng)典算法理論及其推導(dǎo)，較少涉及實(shí)現(xiàn)方法。課程教學(xué)內(nèi)容主要是數(shù)字系統(tǒng)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析、處理的基本原理和基本方法，包含了大量時(shí)域、變換域的經(jīng)典數(shù)學(xué)分析方法和對(duì)系統(tǒng)求解的數(shù)學(xué)運(yùn)算，理論性很強(qiáng)。按照傳統(tǒng)的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，學(xué)生易于“紙上談兵”，即只會(huì)用紙筆解題而不會(huì)應(yīng)用所學(xué)理論解決實(shí)際問題，學(xué)生的素質(zhì)和能力與信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求和工程實(shí)際相距甚遠(yuǎn)。目前本校針對(duì)此問題采取了兩條改革途徑，[1]一是使用MATLAB等軟件，為數(shù)字信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)提供仿真環(huán)境；二是引入工程界廣泛采用的DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）器件，指導(dǎo)學(xué)生在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理算法。

課程組將MATLAB軟件仿真引入“數(shù)字信號(hào)處理”課程，把經(jīng)典的分析、處理方法用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，理論聯(lián)系實(shí)際，使學(xué)生掌握初步的實(shí)際信號(hào)的分析與處理方法，具備基本的基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用能力?；贒SP器件的數(shù)字信號(hào)處理硬件實(shí)現(xiàn)方法，學(xué)生則在后續(xù)開設(shè)的課程“DSP技術(shù)”中學(xué)習(xí)。

“數(shù)字信號(hào)處理”與其先修課“信號(hào)與系統(tǒng)”作為電子、通信專業(yè)在信號(hào)系統(tǒng)與控制知識(shí)領(lǐng)域的核心課程，其核心知識(shí)點(diǎn)存在部分重疊的現(xiàn)象，如離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的分析、Z變換等。[2]在這兩門課程的分離教學(xué)中，極易出現(xiàn)重疊教學(xué)內(nèi)容占用較多學(xué)時(shí)的問題。課程組通過不斷地探索和教學(xué)實(shí)踐，對(duì)兩課的教學(xué)內(nèi)容和課程體系進(jìn)行優(yōu)化和改革，在“信號(hào)與系統(tǒng)”中重點(diǎn)分析信號(hào)與線性時(shí)不變系統(tǒng)的基本概念和理論，而在“數(shù)字信號(hào)處理”中則突出離散時(shí)間信號(hào)的處理方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而在保持各自教學(xué)的完整性基礎(chǔ)上，更好地銜接了兩門課程，提升了整體教學(xué)效果。

“數(shù)字信號(hào)處理”是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課程目標(biāo)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力。課程組開發(fā)了多個(gè)MATLAB實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容由淺入深涵蓋了課程內(nèi)容中涉及的基本原理和常用算法，包括實(shí)用性較強(qiáng)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和綜合性強(qiáng)、較有趣味性的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，采用學(xué)生課下自主完成、課堂集中講解的方法，以作業(yè)形式布置給學(xué)生。在課程考核中也包含了應(yīng)用MATLAB的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，約占總成績的20%。另外，課程組還設(shè)計(jì)了一些難度較高的選做實(shí)驗(yàn)，供有興趣且學(xué)有余力的學(xué)生在課下以小組的形式學(xué)習(xí)、鉆研和交流，任課教師定期予以輔導(dǎo)。這種課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力和專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)。

二、教學(xué)資源

1.教材選用

教材作為教學(xué)內(nèi)容的載體在保證教學(xué)效果方面至關(guān)重要。選用優(yōu)秀的英文版教材，既可保證教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)性，又有利于開展雙語教學(xué)。確定選擇英文教材的原則：[3]難度適中，覆蓋教學(xué)大綱要求的基本內(nèi)容，符合本校學(xué)生實(shí)際；內(nèi)容新穎，能夠體現(xiàn)本學(xué)科的最新發(fā)展；有豐富的教輔材料；有中文譯本，且價(jià)格適中。

課程組最終選定科學(xué)出版社出版的《Signal Processing First》作為課程教材。該教材為“國外高校電子信息類優(yōu)秀教材”，[4]重視實(shí)驗(yàn)，采用了很多新的可視性的論證方法，如演示程序和動(dòng)畫制作、實(shí)驗(yàn)室測試工具等，能夠很好地幫助學(xué)生消化數(shù)學(xué)公式、理解較為抽象的概念、原理。另外該教材有中文譯本，由電子工業(yè)出版社出版，教師將中文譯本連同國內(nèi)經(jīng)典教材一起以參考文獻(xiàn)形式提供給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)狀況自主購買。

2.教輔資源完善

課程組制作并不斷完善的多媒體課件，包含大量的圖片、音頻和視頻演示，能夠生動(dòng)、形象地將重要的概念、原理表述清楚。同時(shí)課程組編寫并多次修訂了與課程教學(xué)同步的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，內(nèi)容包括各章重點(diǎn)、難點(diǎn)及典型例題解析、自測練習(xí)題、MATLAB實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、專業(yè)術(shù)語英漢對(duì)照、課程學(xué)習(xí)中常見問題的解答及如何撰寫電子版作業(yè)等內(nèi)容，輔助學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)，解答學(xué)生在教學(xué)過程中遇到的疑問。

本校開設(shè)了精品課程網(wǎng)站及教師個(gè)人課程教學(xué)網(wǎng)站，為學(xué)生提供大量課程學(xué)習(xí)資源，并隨著課程進(jìn)度同步更新，包括教學(xué)大綱、教學(xué)日歷、教案等教學(xué)文件以及課件、作業(yè)參考答案、MATLAB學(xué)習(xí)資料、視頻演示、常用軟件工具等，形成了較完備的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源平臺(tái)。學(xué)生可以非常方便地通過網(wǎng)絡(luò)了解授課進(jìn)度和安排，及時(shí)復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)；學(xué)生作業(yè)以電子版形式提交至課程教學(xué)網(wǎng)站，教師在學(xué)生作業(yè)提交后上傳作業(yè)參考答案，方便學(xué)生查找作業(yè)中的問題，教師在課堂上就問題較多的難點(diǎn)予以講解。實(shí)踐證明，這種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源對(duì)教學(xué)起到積極的作用。

三、教學(xué)內(nèi)容組織與教學(xué)方法

“數(shù)字信號(hào)處理”課程的知識(shí)點(diǎn)較多，學(xué)生極易陷入到多個(gè)概念的機(jī)械記憶中，對(duì)于整個(gè)課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)很難形成較為清晰的認(rèn)識(shí)。因此教師在組織教學(xué)內(nèi)容時(shí)以數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的組成為主線，注重前后知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系，在課堂教學(xué)中時(shí)常將各組成部分與系統(tǒng)對(duì)照，明確相關(guān)理論和方法的目的及用途，從而突出重點(diǎn)、難點(diǎn)。例如，教師在講解相對(duì)抽象的“重構(gòu)”概念時(shí)，首先明確完成“重構(gòu)”的部件DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）在數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中所處的位置以及前端和后端的組件，啟發(fā)學(xué)生思考“重構(gòu)”的目的和作用，同時(shí)與“采樣”對(duì)比，引導(dǎo)學(xué)生分析、理解“重構(gòu)”的方法，這有利于學(xué)生保持較為清晰的思路，掌握相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。

教師應(yīng)根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法。對(duì)于一般概念和原理，以講授法為主，采用形象化的方法，[5]強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)公式代表的物理意義，淡化數(shù)學(xué)計(jì)算，輔助以實(shí)例或演示，注重其在MATLAB仿真中的應(yīng)用，以作圖、音頻輸出等形式具體展示處理效果；就較為抽象、不易理解的問題采用討論法，提出問題引發(fā)學(xué)生思考、參與討論，并加以總結(jié)；利用探究式教學(xué)法，提出綜合性問題（設(shè)計(jì)型MATLAB實(shí)驗(yàn)），促使學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，不斷總結(jié)各部分教學(xué)內(nèi)容的聯(lián)系，逐步建立起系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力和創(chuàng)新精神。教師在課堂教學(xué)中注重與學(xué)生的互動(dòng)，同時(shí)利用網(wǎng)絡(luò)課程論壇解答問題，隨時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。另外本校還專門設(shè)立了學(xué)生反饋環(huán)節(jié)，讓學(xué)生填寫《學(xué)生反饋意見》，及時(shí)了解學(xué)生對(duì)課程教學(xué)的看法和遇到的問題。

四、雙語教學(xué)

利用英文原版教材開展雙語教學(xué)是教育部提倡的一種教學(xué)模式，其重要意義在于吸收國外先進(jìn)教材中的先進(jìn)成分，全面提高教學(xué)質(zhì)量。[6]“數(shù)字信號(hào)處理”是本校于2006年首批認(rèn)定的雙語教學(xué)課程。課程組廣泛學(xué)習(xí)、吸取國內(nèi)先進(jìn)高校開展雙語教學(xué)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，立足實(shí)際，在教學(xué)實(shí)踐中不斷探索、完善適合本校學(xué)生的雙語教學(xué)模式。充分利用英文版教材配套的大量教輔資源，并通過建立與原著作者的聯(lián)系，獲得英文原版多媒體課件，同時(shí)收集了大量國內(nèi)外高校的共享教學(xué)資源。在此基礎(chǔ)上編制了雙語課程教學(xué)課件及雙語課程學(xué)習(xí)指導(dǎo)書，并經(jīng)過五年來的教學(xué)實(shí)踐逐步完善，這些課件及指導(dǎo)書在課堂教學(xué)、學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)、上機(jī)練習(xí)和雙語課程的學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)等方面發(fā)揮了重要作用。

本校地處少數(shù)民族自治地區(qū)，歷屆學(xué)生中均有約10%的少數(shù)民族學(xué)生。由于進(jìn)入大學(xué)前的英語學(xué)習(xí)經(jīng)歷較少，這部分學(xué)生的英語基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，因此相對(duì)其他高校，本校開展雙語教學(xué)的難度更大。因此教師除了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性外，還應(yīng)加大力度對(duì)學(xué)生進(jìn)行雙語學(xué)習(xí)重要性的普及和學(xué)習(xí)方法上的指導(dǎo)。課程組編制的課程學(xué)習(xí)指導(dǎo)書中，特別針對(duì)雙語教學(xué)增加了專業(yè)術(shù)語英漢對(duì)照、雙語課程學(xué)習(xí)中易出現(xiàn)的問題以及往屆學(xué)生學(xué)習(xí)雙語課程的心得和成功的案例等，力爭從學(xué)生對(duì)雙語課程的認(rèn)識(shí)上、心理上、學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)方式等方面為順利開展雙語教學(xué)掃清障礙。對(duì)于學(xué)習(xí)英文原版教材確實(shí)有困難的少數(shù)民族學(xué)生，建議他們主要使用中文譯本并鼓勵(lì)其嘗試用英文原版教材。在課堂教學(xué)中遵循循序漸進(jìn)的原則，課程教學(xué)初期，教師要留出時(shí)間帶領(lǐng)學(xué)生分析重點(diǎn)段落，并通過講解例題、練習(xí)題和作業(yè)題的過程幫助學(xué)生盡快熟悉英文原版教材中的敘述風(fēng)格、常用句法和及命題方式。隨著課程進(jìn)度地推進(jìn)，學(xué)生逐漸熟悉教材，教師應(yīng)逐步減少對(duì)教材語言方面的引導(dǎo)，并增加英文講述的比例。

另外，為了提升整體的課程教學(xué)效果，本校在與“數(shù)字信號(hào)處理”同學(xué)期開設(shè)的“專業(yè)外語”課中，為學(xué)生增加了適當(dāng)?shù)挠嘘P(guān)數(shù)字信號(hào)處理的專業(yè)文獻(xiàn)。通過“專業(yè)外語”地同步學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了大量“數(shù)字信號(hào)處理”的基本專業(yè)術(shù)語和詞匯，可以減輕“數(shù)字信號(hào)處理”雙語課程初期語言方面的教學(xué)壓力，便于順利開展雙語教學(xué)。

雙語教學(xué)開展五年以來，從未出現(xiàn)因語言問題而放棄學(xué)習(xí)的學(xué)生。相反，在學(xué)生的反饋意見中，絕大多數(shù)學(xué)生都喜歡或能夠接受雙語教學(xué)。實(shí)踐證明，“數(shù)字信號(hào)處理”雙語教學(xué)不但對(duì)學(xué)習(xí)本門課程的教學(xué)起到了推動(dòng)作用，同時(shí)對(duì)提高學(xué)生讀、寫專業(yè)文獻(xiàn)的能力以及提升專業(yè)綜合素質(zhì)有著積極的意義。

五、結(jié)束語

由于學(xué)時(shí)問題，現(xiàn)有教學(xué)計(jì)劃中未分配課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，隨著實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)的要求日益提高，現(xiàn)有實(shí)踐教學(xué)模式稍顯薄弱。在本校2011年結(jié)合學(xué)分制改革的培養(yǎng)計(jì)劃修訂中，這一問題已經(jīng)得到了根本性解決。在課程組多年教學(xué)實(shí)踐論證的前提下，新的教學(xué)計(jì)劃中為“數(shù)字信號(hào)處理”增開了8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，這為進(jìn)一步提高“數(shù)字信號(hào)處理”課程的教學(xué)效果提供了有利的條件。

課程組立足實(shí)際，在“數(shù)字信號(hào)處理”課程建設(shè)的過程中勇于探索，勤奮實(shí)踐，特別是在青年教師培養(yǎng)方面成績突出。課程組青年教師于2007年在內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳和總工會(huì)舉辦的“全區(qū)高校青年教師課堂教學(xué)技能大賽”中獲得第一名，并在2012年由中國教科文衛(wèi)體工會(huì)全國委員會(huì)主辦的“首屆全國高校青年教師教學(xué)競賽”中獲工科組二等獎(jiǎng)。

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（責(zé)任編輯：宋秀麗）