“數(shù)字信號處理”課程的教學(xué)方法及考核方式改革與探索

王恩亮 盧勝

摘要： 針對一般本科高校數(shù)字信號處理課程教學(xué)中存在的問題，本文提出了理論教學(xué)結(jié)合工程應(yīng)用，并采用知識結(jié)構(gòu)圖的方法，實驗教學(xué)采用任務(wù)驅(qū)動法等教學(xué)方法上的改革，并對考核評價方式進(jìn)行了改革探索、實踐證明，這些教學(xué)改革措施能夠有效地提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理 教學(xué)方法 考核方式 知識結(jié)構(gòu)圖

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)基本理論和方法的迅猛發(fā)展及廣泛應(yīng)用，“數(shù)字信號處理”已經(jīng)成為科學(xué)和工程領(lǐng)域最熱門的技術(shù)之一，數(shù)字信號處理課程也成為國內(nèi)外電子、通信、計算機(jī)及自動控制等專業(yè)的專業(yè)必修課程；筆者根據(jù)應(yīng)用型本科高校學(xué)生的特點對“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)方法以及考核評價方式進(jìn)行改革和實踐。

“數(shù)字信號處理”課程一方面以高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)及信號與系統(tǒng)等課程為基礎(chǔ)，同時又是相關(guān)專業(yè)后繼課程如DSP原理及應(yīng)用、數(shù)字圖像處理等專業(yè)課程的先修課程，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用。該課程的特點是理論性強(qiáng)、概念抽象，涉及大量的數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，內(nèi)容比較枯燥，課程長期以來一直處于教師難教、學(xué)生更難學(xué)的境況。具體體現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)時缺乏整體把握，對各知識點之間的關(guān)系模糊，理論與實踐相脫節(jié)，學(xué)生不能深入理解概念及了解在生活中的實際應(yīng)用，直接導(dǎo)致學(xué)生考前突擊背公式應(yīng)付考試，由于沒有真正學(xué)懂，使得該課程的合格率不高；同時學(xué)生的動手能力差，學(xué)習(xí)興趣和積極性不高。針對目前一般本科中存在的這些問題，從教學(xué)方法和考核方式上進(jìn)行了改革和實踐，取得了一些成效。

1教學(xué)方法的改革

1.1注重知識結(jié)構(gòu)圖在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

知識結(jié)構(gòu)圖是指把所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整理并制成比較系統(tǒng)完整的知識結(jié)構(gòu)圖示，它在心理學(xué)中被稱為知識網(wǎng)絡(luò)圖。每章內(nèi)容開始前先構(gòu)造本章內(nèi)容的知識結(jié)構(gòu)圖，采用知識結(jié)構(gòu)圖表達(dá)知識線索，使得知識線索清晰可見，學(xué)生對一章知識點有一個整體的和宏觀的感性認(rèn)識，待一章結(jié)束后，將知識點的架構(gòu)圖重新拿出來復(fù)習(xí)，有助于學(xué)生自我檢驗對知識點的掌握情況，從而提高數(shù)字信號處理課程的教學(xué)效果。以下是構(gòu)造的部分章節(jié)的知識結(jié)構(gòu)圖。

1.1.1離散傅里葉變化和快速傅里葉變換的知識結(jié)構(gòu)圖

本章的教學(xué)目標(biāo)是掌握DFT、DFS及其性質(zhì)，熟悉幾種卷積過程以及他們之間的關(guān)系，掌握FFT算法的運(yùn)算量以及常見算法的原理和特點，并掌握FFT算法的應(yīng)用。

1.1.2 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計的知識結(jié)構(gòu)圖

這一部分內(nèi)容重點是IIR數(shù)字濾波器的基本概念、分類、特點以及IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計思路和方法、設(shè)計步驟和原理。

1.1.3 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計的知識結(jié)構(gòu)圖

FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計的特點是因果可實現(xiàn)。其重點知識包括線性相位和具體設(shè)計方法及過程。

1.2注重理論教學(xué)與工程應(yīng)用結(jié)合

數(shù)字信號處理理論性性強(qiáng)且數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)較多，如果教師上課只注重數(shù)學(xué)分析，忽視其工程實踐應(yīng)用的講解，很容易變成一門枯燥的課程，難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。因此數(shù)字信號處理教學(xué)時可以將看似復(fù)雜的理論知識與現(xiàn)實生活中的實例結(jié)合，對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、鞏固基礎(chǔ)知識是最好的方法。

為了說明信號的采樣與重建理論，可以以生活中的CD唱片的制作和播放過程為例，聲音是模擬信號，在CD唱片制作時首先要將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這就需要采樣，而在CD唱片播放時，又是對數(shù)字信號的解調(diào)。卷積算法是數(shù)字信號處理的一個重要知識點，講解這個知識點首先要讓學(xué)生知道它在生活中的應(yīng)用，如移動通話中回聲是經(jīng)常存在的，通常降低或消除回聲的辦法就是利用回聲估計器與接收路徑上的話音流進(jìn)行卷積，得到一個回聲的估計值，再利用減法器減掉這個估計值。濾波器的講解可以以心電圖檢查消除工頻干擾為案例進(jìn)行教學(xué)。此外采用類比方式講解，也能夠很好地幫助學(xué)生理解，如數(shù)字濾波器可以比作一個篩沙子的篩子，篩沙的過程就是將細(xì)沙子選出來，石頭和大沙子留在篩子上面，而數(shù)字濾波器的處理過程也是提取有用信號，噪音則不能通過，如此類比，既形象又易記憶。

1.3實驗教學(xué)采用任務(wù)驅(qū)動法

“任務(wù)驅(qū)動”教學(xué)法，簡單地說，就是“力求以任務(wù)驅(qū)動，以實際任務(wù)為核心，提出問題及要求，引導(dǎo)學(xué)生思考，它適用于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和獨立分析問題、解決問題的能力。它強(qiáng)調(diào)，學(xué)生的學(xué)習(xí)活動必須與任務(wù)或問題相結(jié)合，以探索問題來引導(dǎo)和維持學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和動機(jī)。通俗的說，也就是在教學(xué)過程中，以完成一個個具體的任務(wù)為線索，把教學(xué)內(nèi)容巧妙地隱含在每個任務(wù)之中。每個實驗相當(dāng)于一個總的任務(wù)，教師在實驗課前將任務(wù)要求和思考題下發(fā)給學(xué)生，學(xué)生以組為單位將任務(wù)分解成子任務(wù)，學(xué)生根據(jù)各自的任務(wù)和要求查閱資料，完成程序代碼的編寫，要求學(xué)生做好實驗課前的充分準(zhǔn)備，實驗課上進(jìn)行編程和調(diào)試以及實驗結(jié)果的分析，并對思考題進(jìn)行討論。

以音頻信號處理的實驗為例，這是一個綜合性的實驗，要求學(xué)生完成語音的錄入與打開，以及語音的回放，全程對信號頻譜進(jìn)行分析，為完成任務(wù)學(xué)生提前查閱查資料，進(jìn)入實驗室后，學(xué)生自由組合，2～3人一組看書討論，分解任務(wù)，一步一步完成，每組做完后派一個代表演示講解，在這樣的刺激下，“驅(qū)使”學(xué)生認(rèn)真并迅速地完成任務(wù)。通過任務(wù)驅(qū)動法學(xué)生能充分掌握語音錄入及回放的MATLAB編程，并能深入理解了采樣、濾波器等數(shù)字信號處理理論。

實踐證明，任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法能夠很好應(yīng)用于數(shù)字信號處理的實驗教學(xué)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。在很大程度上提高了實驗課的教學(xué)效果。

2考核評價方式的改革

考試方式改革是課程建設(shè)及教學(xué)質(zhì)量評價的重要內(nèi)容，也是因材施教，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和開展創(chuàng)新教育的重要手段。加強(qiáng)課程考核方式的改革，是教學(xué)改革的必要體現(xiàn)。數(shù)字信號處理課程理論性強(qiáng)，應(yīng)用型強(qiáng)，抽象難以理解。運(yùn)用MATLAB軟件仿真能夠有效幫助理解和運(yùn)用相關(guān)知識點?！稊?shù)字信號處理》課程的傳統(tǒng)考核方式是考試，期末考試成績（70%）+平時成績（30%），平時成績包含考勤、作業(yè)、課上表現(xiàn)情況。在傳統(tǒng)考核方式下多數(shù)學(xué)生只注重最后的理論考核成績，對實驗重視不夠，無法很好地貫徹以培養(yǎng)應(yīng)用能力為主的實踐教學(xué)。且學(xué)生平時過程考核不夠具體化，學(xué)生平時成績差距不大。

2.1考核方式改革的基本思路

為了使學(xué)生注重平時的學(xué)習(xí)過程，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用能力，我們逐步對該課程進(jìn)行考核方式的改革。（1）平時過程考核具體化，含有隨堂測試、考勤、作業(yè)、課上回答問題情況等。學(xué)生學(xué)習(xí)該課程，普遍覺得理論難，應(yīng)用模糊，總評成績一定程度考慮實驗成績，綜合全面。（2）逐步調(diào)整理論成績與平時過程考核及實驗考核的比例，強(qiáng)化過程性的考核，淡化期末考試。通過考試制度的改革，調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)教師深入開展教學(xué)活動，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，提高教學(xué)效果。注重平時實踐教學(xué)的考核，提高學(xué)生對實踐動手能力的提高。

2.2考核方式改革的具體方案

2.2.1對該課程采取平時占20%，期末占50%，實驗占30%的核算方法。加大平時成績和實驗成績比例，拉大差距，利于課程進(jìn)行平時和實驗的嚴(yán)格管理和考核方式多樣化。

2.2.2平時成績由原來的教師自定或忽略不計，轉(zhuǎn)為平時成績具體化，教師在平時的考核上進(jìn)行改革和完善，平時分由隨堂測試、考勤、作業(yè)、課上回答問題情況等構(gòu)成，提高平時實踐性分值，利于引導(dǎo)學(xué)生多參加實踐活動。

2.2.3增加實驗考核環(huán)節(jié)。選取兩個設(shè)計性的實驗，以組為單位，考察每組學(xué)生獨立完成實驗項目的情況，再根據(jù)具體項目的評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成績評定。主要考核學(xué)生對該軟件的掌握與使用情況，以及仿真調(diào)試結(jié)果，軟件仿真主要看學(xué)生編寫程序的思路；其次學(xué)生實驗報告的撰寫也能從一定程度上反應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度。實驗成績以五分制（優(yōu)、良、中、及格、不及格）計算，并將其30%的比例納入總評成績。

2.3考核方式改革的成果及不足

2.3.1 通過初步改革，從總評成績來看，學(xué)生及格率有明顯的提升，由原來的80%提高到現(xiàn)在的95%。從課上效果來看，改善了平時不學(xué)習(xí)、不聽課，到期末通過死記硬背達(dá)到優(yōu)良的現(xiàn)象發(fā)生，使學(xué)生更注重平時的表現(xiàn)，積極參與課堂的討論，積極回答問題，并認(rèn)真思考每一個知識點在實際中的應(yīng)用，一定程度上改變了以前那種靠死記硬背能考好、不需要聽課理解就能考好的學(xué)習(xí)態(tài)度，同時使得認(rèn)真聽講的學(xué)生與不認(rèn)真聽講的學(xué)生在分?jǐn)?shù)的分配上更趨于合理，更重要是調(diào)動了學(xué)生們平時學(xué)習(xí)的積極性。同時，也引導(dǎo)學(xué)生注重實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，改變學(xué)習(xí)觀念。該課程考核方式的改革，已初見成效。

2.3.2 通過課程考核方式的改革，數(shù)字信號處理課程的實驗效果有了明顯提高，學(xué)生對實踐教學(xué)的態(tài)度有了深刻認(rèn)識，也增強(qiáng)了學(xué)生實踐參與強(qiáng)化意識，對培養(yǎng)實用型人才起到了保證作用。

2.3.3 在實踐過程中，也發(fā)現(xiàn)一些不足。考核方式改革的著力點主要是過程和零散點，評價學(xué)生的主要標(biāo)準(zhǔn)還是期末成績，期末成績占的比例還是偏大，學(xué)生對教師的平時分還有不重視傾向，期末猛看筆記，猛學(xué)，淘以往試卷等現(xiàn)象嚴(yán)重，說明考核的力度不夠大，如果設(shè)立平時成績不及格就不準(zhǔn)參加期末考試，也許會糾正這一現(xiàn)象，但也會出現(xiàn)教師平時過于隨意，存在考試不公現(xiàn)象。

3結(jié)束語

由于“數(shù)字信號處理”理論涉及面廣，該學(xué)科領(lǐng)域的理論與實踐研究發(fā)展迅速，技術(shù)應(yīng)用范圍日益擴(kuò)展，教學(xué)內(nèi)容更新快。因此，如何在教學(xué)中更好地發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考及提高學(xué)生獲取知識的能力和分析能力，增強(qiáng)數(shù)字信號處理課程的教學(xué)效果，還有待進(jìn)一步的實踐和探索。

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基金項目：安徽省教育廳質(zhì)量工程重點教學(xué)研究項目（2013jyxm261）。