“數(shù)字信號處理”課程學習興趣的培養(yǎng)

劉永紅，王 娜

(燕山大學電氣工程學院，河北秦皇島 066004)

“數(shù)字信號處理”是信息工程、測試計量技術及儀器等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，在高校理工科培養(yǎng)計劃中占有重要的地位。

“數(shù)字信號處理”課程作為數(shù)學方法在工程實踐中的具體應用，需要“信號與系統(tǒng)”、“復變函數(shù)”和“積分變換”等多門先修課程的學習，其內(nèi)容抽象且理論性強。很多學生在接觸這類課程時往往面對大量繁雜的公式會望而怯步，進而會失去學習的動力［1，2］。如何使學生熟練掌握信號處理基本方法的同時教學質(zhì)量得到提升，是“數(shù)字信號處理”課程教學一直面臨的課題。目前關于“數(shù)字信號處理”的教學研究大多強調(diào)科學的課程設置，先進的教輔手段在提高教學質(zhì)量方面的作用，但沒有重視調(diào)動學生學習興趣是提高課程教學質(zhì)量的根本所在［3-5］。

1 教學中調(diào)動學生興趣的實施

1.1 以知識的應用激發(fā)學習興趣

針對“數(shù)字信號處理”課程面向工程實踐應用的特點，只有在教學過程中增強學生的參與意識才能調(diào)動學生的學習興趣，而師生地位平等是激發(fā)學生潛能的基本前提。我們必須強調(diào)學生在教學活動中的主體地位，改變以教師為中心，以課堂課本為中心的教學模式。在教學中不斷地以通信、語音和圖像處理等領域的應用實例提高學生對信號處理技術的興趣與學習積極性。教師還可充分發(fā)揮平時課程測試的作用，結合“數(shù)字信號處理”課程特點，為學生精心選擇諸如濾波器設計和語音信號頻譜分析等實用而生動的題目。學生通過網(wǎng)絡調(diào)研和代碼調(diào)試等步驟以技術報告的形式自主完成，改變消極被動的習慣。教學實踐表明，當學生對信號處理技術的研究擴展到有限的學時(約40學時)外進行主動學習時，說明學生對課程產(chǎn)生了較大的興趣。

1.2 Matlab程序互動激發(fā)學習興趣

我們借助Matlab軟件高效編程和強大的圖形顯示等特點，引導學生把更多的精力投入到信號處理的實現(xiàn)上。例如，通過信號變換的實時處理增強對抽象概念的理解、提高了學習的興趣與效率。學生親自動手編程產(chǎn)生的學習成就感會使其學習情緒進一步提高。同時，程序運行得出的一些啟發(fā)性的結論又會激發(fā)學生去研究探索更深層次的理論原因。因此，針對每一個具體的知識點提供相應的程序實現(xiàn)供學生實踐與思考是激發(fā)學生學習興趣的有效有段。

再如，我們用窗函數(shù)截短數(shù)據(jù)進行DFT頻譜分析是信號處理技術中的常見問題，窗函數(shù)的主要頻域指標包括主瓣寬度和旁瓣最大峰值等，不同長度的矩形窗口函數(shù)主瓣旁瓣衰減關系如圖1所示。顯然，這些圖形化的結果更容易給人以深刻的印象，物理概念更加直觀，學生對窗口長度N決定主瓣寬度卻不會對旁瓣峰值產(chǎn)生影響的概念理解一目了然。

圖1 矩形窗函數(shù)的頻譜特性

要理解窗口參數(shù)對頻率分辨率的影響，必須提供給學生具體的案例去實踐。例如離散傅立葉變換DFT分析復合信號:

其中，N為信號的截取長度，數(shù)字角頻率ω1=0.1，ω2=0.15。理論證明，當采用矩形窗口對信號進行截斷且頻率差大于主瓣寬度:|ω1－ω2|≥4π/N時，頻譜分析可以分辨出兩個譜峰。如圖2所示。取N=256并通過程序驗證該理論，學生對DFT、窗函數(shù)和頻率分辨率等物理概念會有更加深刻理解。

為了驗證頻譜泄漏問題，設

這兩個頻率分量的幅值相差達46dB。由于矩形窗有限的旁瓣衰減(-13dB)，使用其截斷數(shù)據(jù)并做DFT頻譜分析時必然會出現(xiàn)頻譜泄漏，而采用Blackman窗函數(shù)(旁瓣衰減-58dB)時能明確識別出兩個頻率分量的存在，程序運行結果如圖3所示。

圖2 矩形窗DFT截斷效應

圖3 窗函數(shù)截斷效應

通過具體的案例，學生在完成信號的截取、濾波和結果分析等過程，也就具備了采用窗函數(shù)進行頻譜分析的能力。不同的參數(shù)選擇會產(chǎn)生包含不同物理意義的運行結果，當這些結果驗證了理論知識的正確性時，學生對抽象公式的理解也就豁然開朗。

1.3 多媒體課件激發(fā)學習興趣

學生對信號處理知識的掌握，更多是靠PPT演示過程中完成的，生動的多媒體課件是提高課堂教學效果、激發(fā)學生學習興趣的關鍵所在。我們要充分利用圖像、視頻和動畫等多種形式進行互動教學，以激發(fā)學生的多種感觀。課件制作必須以動態(tài)圖標、Flash動畫以及Matlab圖形運算結果等形式展現(xiàn)教學內(nèi)容。只要抽象的概念得到形象的解釋而有助于學生對相關內(nèi)容的理解，學習興趣也會提高。

1.4 加強教師團隊建設激發(fā)學習興趣

教師應該有意識地提高自己的業(yè)務修養(yǎng)，努力鉆研業(yè)務。教師的知識水平、道德素養(yǎng)和業(yè)務能力對學生學習興趣的激發(fā)起著至關重要的作用。

我?！皵?shù)字信號處理”教學團隊由我院各專業(yè)相關教師組成。教學團隊統(tǒng)一制定了教學計劃并定期開展教學研討活動。團隊成員適時安排交叉授課，學生的反饋意見能督促教師團隊成員主動提高業(yè)務能力。由于不同的教師對相同的信號處理問題有各自的思路，交叉教學方式使學生對所學內(nèi)容始終保持新鮮感與學習興趣。

2 教學效果分析

經(jīng)過近兩個學年的教學創(chuàng)新實踐，大部分學生不再面對理論問題束手無策。學生的期末成績優(yōu)良率大幅提高，成績?yōu)榧案衽c不及格的比例由2011年的9.8%降低到近兩年的4.5%與2.8%，說明通過以興趣為核心的教學方式的改進，大部分學生都能真正掌握數(shù)字信號處理技術;學生網(wǎng)上評教成績大幅提高，連續(xù)兩年評教結果為優(yōu)秀，學生評教滿意度保持在95%以上。作為一例，表1示出2012年“精密儀器及機械”專業(yè)學生網(wǎng)上評教結果(及格和不及格兩項均為0)?？梢娪捎凇皵?shù)字信號處理”課程教學方法的改進，學生的自主學習能力得到激發(fā)，直接帶動了教學質(zhì)量的提高。而本年度考研學生選擇數(shù)字信號處理專業(yè)方向比例的大幅提高，驗證了“數(shù)字信號處理”課程對學生具備了持久的吸引力。

表1 2010年10級級精密儀器及機械專業(yè)網(wǎng)上評教結果

3 結語

本文針對“數(shù)字信號處理”課程公式復雜、內(nèi)容抽象但應用性強的特點以及多年來該課程的教學現(xiàn)狀，從課堂教學方法、Matlab程序實現(xiàn)、多媒體輔助教學以及教師團隊建設等多方面改進教學思路，堅持以學生為主體、在知識的應用中激發(fā)學生的學習興趣和自主能動性。近兩年的教學實踐表明了成績的提高以及“數(shù)字信號處理”課程教學質(zhì)量的提升是學生學習興趣提高的必然結果。

［1］胡廣書.數(shù)字信號處理-理論算法與實現(xiàn)［M］.北京:清華大學出版社，2003

［2］張瑞，李歆.數(shù)字信號處理課程教學環(huán)節(jié)的改革研究與實踐［J］.合肥:安徽教育學院學報，2007，25(6):34.

［3］王玉德.數(shù)字信號處理課程的教與學的探討［J］.南京:電氣電子教學學報，2008，30(6):97-98

［4］向友君，周文坤，徐向民.數(shù)字信號處理交互式教學平臺設計與實現(xiàn)［J］.南京:電氣電子教學學報，2009，31(3):91-97

［5］楊毅民.教會學生如何學習數(shù)字信號處理［J］.南京:電氣電子教學學報，2005，27(4):99-104

［6］于家城.數(shù)字信號處理課程教學中需要解決的幾大關系［J］.合肥:合肥師范學院學報，2009，27(3):63-66