數(shù)字信號(hào)處理課程分類和分層教學(xué)模式探索

王 典，劉 財(cái)，劉 洋，鹿 琪，馮 晅

（吉林大學(xué) 地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026）

隨著科學(xué)技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理的理論和技術(shù)取得了飛躍的進(jìn)展，已經(jīng)滲透到生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛、成效最顯著的新興學(xué)科之一[1]。相應(yīng)的“數(shù)字信號(hào)處理”課程已經(jīng)不僅僅是電子信息類專業(yè)的課程，也是非電子信息類相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。

吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院有多個(gè)不同專業(yè)、不同層次的班級(jí)：勘查技術(shù)與工程專業(yè)普通班（以下簡(jiǎn)稱“工科普通班”）、教育部“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗(yàn)計(jì)劃”（又稱“珠峰計(jì)劃”）支持的李四光地球物理實(shí)驗(yàn)班（以下簡(jiǎn)稱“理科實(shí)驗(yàn)班”）、勘查技術(shù)與工程專業(yè)國(guó)家“卓越工程師計(jì)劃”實(shí)驗(yàn)班（以下簡(jiǎn)稱“卓越工程師班”）等。這3個(gè)不同類型的班級(jí)，培養(yǎng)目標(biāo)不同，對(duì)學(xué)生的要求不同?？辈榧夹g(shù)與工程專業(yè)為國(guó)家級(jí)一類專業(yè)，“工科普通班”是以培養(yǎng)該專業(yè)應(yīng)用地球物理方向的本科生為目標(biāo)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工作能力以及具有在本領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行科學(xué)研究的初步能力?！袄砜茖?shí)驗(yàn)班”是中央專項(xiàng)撥款“珠峰計(jì)劃”提供支持、培養(yǎng)創(chuàng)新型領(lǐng)軍人才為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)班?？辈榧夹g(shù)與工程專業(yè)國(guó)家“卓越工程師班”是為了培養(yǎng)造就創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才。

針對(duì)不同層次的教學(xué)對(duì)象和不同的培養(yǎng)方案，如何調(diào)整“數(shù)字信號(hào)處理”課程的教學(xué)內(nèi)容使其適應(yīng)不同的培養(yǎng)目標(biāo)，如何采取有效的教學(xué)手段提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，這是專業(yè)基礎(chǔ)課教師所面臨的重要課題[2]。我們以此為目標(biāo)，采取課程分類、教學(xué)分層的模式，突破“一鍋出”的教學(xué)弊端，旨在提高不同類型班級(jí)“數(shù)字信號(hào)處理”課程的教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)需求的各類人才服務(wù)。

1 教材的分類選擇

“數(shù)字信號(hào)處理”這門課程的教材很多，選擇適合培養(yǎng)目標(biāo)的教材是提高教學(xué)效果的前提。對(duì)于工科普通班的學(xué)生來說，需選擇內(nèi)容簡(jiǎn)潔、取材精煉的經(jīng)典教材。西安電子科技大學(xué)出版社出版、高西全主編的《數(shù)字信號(hào)處理》（第3版）[3]已經(jīng)得到了全國(guó)多數(shù)非電子和通信類專業(yè)的認(rèn)可，作為主要授課教材使用。

“理科實(shí)驗(yàn)班”以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為主要目標(biāo)，在教材選擇上，要充分發(fā)揮學(xué)生的自主意識(shí)，著重培養(yǎng)和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。在以西安電子科技大學(xué)出版社出版、高西全主編的《數(shù)字信號(hào)處理》（第3版）作為教材的基礎(chǔ)上，以北京大學(xué)出版社出版、程乾生著的《數(shù)字信號(hào)處理》[4]作為輔助教材。

“卓越工程師班”采取以目標(biāo)為先導(dǎo)，“多教材整合、課外教材輔助”的原則。以北京大學(xué)出版社出版、程乾生著的《數(shù)字信號(hào)處理》和西安電子科技大學(xué)出版社出版、高西全主編的《數(shù)字信號(hào)處理》（第3版）作為主要授課教材，同時(shí)選擇OPPENHEIM的經(jīng)典教材DISCRETE-TIME SIGNAL PROCESSING和程佩青的《數(shù)字信號(hào)處理教程》作為課外輔助教材，經(jīng)典課外教材的輔助閱讀能夠培養(yǎng)學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)能力，擴(kuò)大視野，提高專業(yè)英語(yǔ)的水平。

2 教學(xué)內(nèi)容的分層設(shè)置

“工科普通班”以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際工作能力為目標(biāo)，在教學(xué)內(nèi)容的選擇上注重知識(shí)的連貫性和實(shí)際應(yīng)用性。從時(shí)域離散信號(hào)的產(chǎn)生和簡(jiǎn)單運(yùn)算、時(shí)域離散系統(tǒng)分析、Z變換及傅里葉變換的各種形式，最后到濾波器的設(shè)計(jì)，清晰的課程講授脈絡(luò)對(duì)于學(xué)生把握知識(shí)的整體性和連貫性十分重要。同時(shí)，在把握整體方向的基礎(chǔ)上，關(guān)注細(xì)節(jié)才是知識(shí)延續(xù)的關(guān)鍵。

“理科實(shí)驗(yàn)班”的課程在設(shè)置上要更著重于基礎(chǔ)理論教學(xué)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力。在教學(xué)內(nèi)容的選擇和設(shè)置上，緊密結(jié)合后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，增加相關(guān)分析、希爾伯特變換、最小相位信號(hào)等內(nèi)容的講解，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論的發(fā)展歷程、發(fā)展動(dòng)態(tài)等方面的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)科學(xué)發(fā)展軌跡有縱向的認(rèn)識(shí)[5]，從而激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)理論研究的興趣和信心。

“卓越工程師班”的教學(xué)必須堅(jiān)持“基礎(chǔ)理論和工程實(shí)踐并重”的原則，增大實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)的比重，設(shè)計(jì)多個(gè)綜合性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣，提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。理論教學(xué)學(xué)時(shí)的壓縮需要整體調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，如將采樣和量化問題進(jìn)行壓縮，添加到模擬信號(hào)數(shù)字處理一節(jié)中講解，時(shí)域離散信號(hào)的簡(jiǎn)單運(yùn)算、信號(hào)的時(shí)域采樣和頻域采樣等問題，可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)現(xiàn)，既節(jié)省了理論教學(xué)時(shí)間，又增加了教學(xué)的生動(dòng)性，易于學(xué)生理解。

3 教學(xué)方法的合理運(yùn)用

多媒體教學(xué)和板書教學(xué)相結(jié)合。多媒體教學(xué)作為目前廣泛應(yīng)用的教學(xué)手段，可以使教學(xué)內(nèi)容形象化、直觀化[6]，提高教學(xué)效率。但是過多地采用多媒體教學(xué)，會(huì)使課堂信息量過大，縮減了學(xué)生的思考空間，特別是“數(shù)字信號(hào)處理”涉及的數(shù)學(xué)理論和公式繁多，選擇部分公式利用板書教學(xué)進(jìn)行詳細(xì)的公式推導(dǎo)，可以吸引學(xué)生的注意力，使學(xué)生關(guān)注推導(dǎo)的細(xì)節(jié)，記憶更牢固，同時(shí)可以增加師生間的互動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與課程學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的主體地位。合理地使用板書教學(xué)、關(guān)注細(xì)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)科學(xué)研究能力的重要手段之一。

Matlab語(yǔ)言輔助課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合[7]。Matlab語(yǔ)言具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和可視化功能，作為數(shù)字信號(hào)處理的有力助手，成為教學(xué)的重要部分。利用Matlab輔助課堂教學(xué)演示和進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，前者可提高課程教學(xué)效果，后者是檢驗(yàn)理論知識(shí)綜合運(yùn)用能力和體現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的有效手段。例如，講授離散信號(hào)的褶積運(yùn)算、離散信號(hào)的頻域分析等問題時(shí)，學(xué)生容易感到抽象難懂，采用理論講解和Matlab仿真工具相結(jié)合方式，通過參數(shù)調(diào)節(jié)和形象展示，增加感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)理論知識(shí)的理解[8]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生親自動(dòng)手參與仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)、結(jié)果演示，分析解決實(shí)際應(yīng)用問題，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[9]。對(duì)于“卓越工程師班”的學(xué)生來說，利用Matlab進(jìn)行實(shí)驗(yàn)已成為必不可少的重要手段。

研究性教學(xué)是提高學(xué)生實(shí)踐能力的新型教學(xué)模式。類似于以科學(xué)研究的方式組織和引導(dǎo)學(xué)生獲取和運(yùn)用知識(shí)[10]，是一種基于案例、問題的學(xué)習(xí)方法，旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維和分析解決問題的能力。例如，給定通帶范圍、阻帶范圍、通帶最大衰減和阻帶最小衰減，設(shè)計(jì)巴特沃斯低通濾波器。通過解決這些開放性的問題，樹立以學(xué)生為主體的教學(xué)觀，引導(dǎo)學(xué)生以問題為先導(dǎo)，發(fā)揮主觀能動(dòng)性，克服單純模仿的弊端，提高學(xué)生提出新問題、發(fā)現(xiàn)新問題和解決新問題的能力[11－12]，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣，加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解。

4 結(jié)束語(yǔ)

“工科普通班”的教學(xué)重實(shí)際工作能力，“理科實(shí)驗(yàn)班”的教學(xué)重基礎(chǔ)科學(xué)研究能力，“卓越工程師班”的教學(xué)重創(chuàng)新和實(shí)踐能力。例如，“工科普通班”旨在學(xué)習(xí)如何根據(jù)各種技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)濾波器；“理科實(shí)驗(yàn)班”要求學(xué)生對(duì)濾波器設(shè)計(jì)過程中的某一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行理論的改進(jìn)、提升；對(duì)于“卓越工程師班”的要求則是把這個(gè)經(jīng)過改進(jìn)的濾波器應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)中。針對(duì)這些不同專業(yè)和培養(yǎng)方案，“數(shù)字信號(hào)處理”這門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，必須進(jìn)行課程的分類和教學(xué)的分層設(shè)置、多種教學(xué)方法的合理調(diào)整和綜合運(yùn)用，建立以基礎(chǔ)學(xué)習(xí)、提高學(xué)習(xí)、興趣學(xué)習(xí)[13]為目標(biāo)的教學(xué)模式，是提高教學(xué)質(zhì)量、增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和解決實(shí)際問題能力的關(guān)鍵。

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