數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革探討

李莉

（華僑大學(xué) 廈門工學(xué)院 電子信息工程系，福建 廈門 361000）

數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革探討

李莉

（華僑大學(xué) 廈門工學(xué)院 電子信息工程系，福建 廈門 361000）

《數(shù)字信號處理》課程理論性強(qiáng)，學(xué)生普遍反映較難理解且無法將所學(xué)知識在實際中運(yùn)用。針對此情況，本文分別通過課堂教學(xué)以及實踐教學(xué)改革進(jìn)行討論，注重理論教學(xué)與實踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的提高。

數(shù)字信號處理；教學(xué)輔助；CDIO；工程實踐

一、引言

隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理[1-2]在現(xiàn)代科技中的地位越來越重要，在電子信息、通信等各個領(lǐng)域，都具有廣泛的應(yīng)用?！稊?shù)字信號處理》已成為國內(nèi)外高校為電子信息、通信等專業(yè)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過該課程的學(xué)習(xí)旨在讓學(xué)生正確的掌握數(shù)字信號處理的基本原理及分析方法，為今后從事信號處理工作打下良好的基礎(chǔ)。

該課程理論性較強(qiáng)，原理抽象，公式及推導(dǎo)煩瑣，學(xué)生普遍反映較難理解且無法很好地將所學(xué)知識進(jìn)行靈活的實際運(yùn)用。我院將該課程理論教學(xué)與實踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，并進(jìn)一步深化CDIO工程教育理念[3]，對數(shù)字信號處理課程進(jìn)行優(yōu)化改革。數(shù)字信號處理課程與工程應(yīng)用實踐聯(lián)系緊密，讓學(xué)生從工程應(yīng)用角度理解相關(guān)知識更有意義。針對不同階段、不同知識點靈活運(yùn)用引導(dǎo)式、啟發(fā)式和討論式教學(xué)方法，利用專題講解的形式介紹數(shù)字信號處理學(xué)科領(lǐng)域的具體應(yīng)用和前沿知識，激發(fā)學(xué)生的求知欲。通過一系列的實踐教學(xué)及課程改革，促進(jìn)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的提高。

二、課堂教學(xué)

1.輔助教學(xué)軟件的開發(fā)與應(yīng)用。數(shù)字信號課程大量運(yùn)用數(shù)學(xué)公式、系統(tǒng)理論，抽象難懂。數(shù)字信號處理的一些基本概念和方法往往被眾多煩瑣的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)所掩蓋。傳統(tǒng)的教學(xué)方式大多采用板書的形式將數(shù)學(xué)公式和定理證明進(jìn)行分析與推導(dǎo)。大量的板書只會讓學(xué)生覺得枯燥乏味，注意力往往無法集中。然而，采用課件演示方法進(jìn)行講解也只是簡單的將書本知識進(jìn)行搬移，課件演示使得課堂節(jié)奏過快，一些重要的理論知識無法深入理解，不會靈活變通?？梢?，課件演示結(jié)合板書的教學(xué)模式，很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。應(yīng)用輔助教學(xué)軟件[4]，增強(qiáng)教學(xué)過程中的互動性，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性顯得十分有必要。輔助教學(xué)軟件的應(yīng)用可形象地以圖形化方法將一些煩瑣、復(fù)雜、抽象的公式和定理演示給學(xué)生，使得枯燥的理論更加容易地被學(xué)生接受和理解。

Matlab軟件為我們提供了強(qiáng)大的數(shù)值分析和計算結(jié)果可視化功能等工具箱，十分適合在《數(shù)字信號處理》課程中的應(yīng)用。例如，在IIR濾波器的設(shè)計教學(xué)過程中，利用輔助教學(xué)軟件演示濾波器設(shè)計的幅頻或相頻特性（如圖1所示），并結(jié)合濾波器的應(yīng)用實例（巴特沃斯濾波器應(yīng)用——圖像增強(qiáng)[4]），展示最終處理效果，如圖2所示。這種教學(xué)方式不僅可以生動形象的闡述理論知識，還能借鑒實例講解理論知識的運(yùn)用，在增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的同時還能引導(dǎo)學(xué)生積極地參與到課程的實踐教學(xué)活動中去。

圖1 巴特沃斯濾波設(shè)計

圖2 巴特沃斯濾波器在圖像增強(qiáng)中的應(yīng)用

2.實踐案例引入教學(xué)?！稊?shù)字信號處理》課程與工程應(yīng)用聯(lián)系緊密，傳授如何在工程中運(yùn)用相關(guān)知識顯得更為重要。目前，很多高校對專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)還停留在大量灌輸理論知識階段，不注重培養(yǎng)學(xué)生的實踐經(jīng)驗，根本無法做到學(xué)以致用。針對這種現(xiàn)象，在教學(xué)過程中，應(yīng)注重對重要的理論知識、信號處理方法的應(yīng)用的講解與介紹。例如，講解離散傅里葉變換（DFT）時，介紹頻譜分析在語音信號識別中的應(yīng)用；學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的設(shè)計過程中，介紹圖像信號的濾波處理的應(yīng)用等。

在對某一知識體系講授時，可以采用圖片和音頻或視頻等形式有針對性地介紹不同技術(shù)在數(shù)字信號處理領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用，使得學(xué)生可以將基礎(chǔ)學(xué)科所學(xué)知識和工程應(yīng)用研究成果聯(lián)系起來，有助于調(diào)動他們學(xué)習(xí)的積極性和主動性。在課程的中后期可采用專題介紹的形式將最新的有關(guān)數(shù)字信號處理的研究成果介紹給學(xué)生。鼓勵學(xué)生積極參與相關(guān)課題的探討，利用我院的實踐平臺（CDIO創(chuàng)新實驗室），在教師的指導(dǎo)下完成一些創(chuàng)新項目的開發(fā)，鍛煉學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。通過自學(xué)、討論、查閱資料，并在教師指導(dǎo)下，參與教師承擔(dān)的相關(guān)項目和科研活動，鍛煉學(xué)生運(yùn)用知識解決問題和創(chuàng)新能力。鼓勵學(xué)生在整個教學(xué)中，力求通過各種手段將理論知識和實踐相結(jié)合，讓學(xué)生切實地體會到學(xué)以致用。

三、實踐教學(xué)

為了更好的讓學(xué)生掌握數(shù)字信號處理相關(guān)知識及方法，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置必不可少。目前，大多數(shù)高校都存在實踐課程與理論課程嚴(yán)重脫節(jié)的現(xiàn)象，學(xué)生很難將實踐內(nèi)容與理論課程結(jié)合在一起。我院采取理論教學(xué)與實踐教學(xué)教師統(tǒng)一的方式，理論教師直接指導(dǎo)實踐教學(xué)，使得理論教學(xué)和實踐教學(xué)緊密結(jié)合，相輔相成。實驗教學(xué)中，盡可能地做到課堂與實驗室相互穿插，甚至可將課堂轉(zhuǎn)移至實驗室。當(dāng)講授某些重點知識后，馬上進(jìn)行相應(yīng)地實驗練習(xí)，加深對該知識理論的理解與掌握。

教師要對實驗內(nèi)容精心設(shè)計與安排，可根據(jù)學(xué)生的能力水平和興趣因材施教，設(shè)置簡單的驗證性實驗和應(yīng)用性較強(qiáng)的綜合設(shè)計性實驗。對于驗證性實驗主要側(cè)重理論知識的驗證與深入理解，這部分實驗可主要由教師講解，學(xué)生獨(dú)立完成；綜合設(shè)計性實驗主要鍛煉學(xué)生對整個課程的全面理解與掌握以及如何利用課程內(nèi)容解決實際問題的能力。結(jié)合數(shù)字信號處理在工程上的應(yīng)用實例精心編排綜合設(shè)計性實驗[6-7]，教師給出與本課程相關(guān)的綜合設(shè)計性題目供學(xué)生自主選擇。學(xué)生要根據(jù)設(shè)計的要求，進(jìn)行一定的自學(xué)與調(diào)研，通過查閱相關(guān)資料并與教師探討自行設(shè)計方案，并進(jìn)行方案驗證完成設(shè)計實驗的要求。在制定綜合設(shè)計題目的同時盡量鼓勵學(xué)生參與到教學(xué)活動中，調(diào)動其學(xué)習(xí)積極性。

例如，傳統(tǒng)的IIR濾波器設(shè)計實驗通常是教師給出數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)，學(xué)生按照設(shè)計濾波器步驟直接進(jìn)行設(shè)計。這種實驗的教學(xué)方式僅僅只是強(qiáng)化學(xué)生對數(shù)字濾波器設(shè)計步驟的記憶，無法讓學(xué)生深入地理解到數(shù)字濾波器在數(shù)字信號處理領(lǐng)域如何運(yùn)用，如何根據(jù)具體應(yīng)用背景設(shè)定指標(biāo)參數(shù)。因此，綜合設(shè)計實驗的選題一定要以實際的工程應(yīng)用為前提?？梢钥紤]以語音、圖像或心電圖信號的濾波（去噪）為應(yīng)用背景，根據(jù)不同信號的特點及要求進(jìn)行濾波器的設(shè)計。在設(shè)計的過程中，學(xué)生首先要學(xué)會各類信息的采集方法，接著，要求學(xué)生要熟悉各類信號的頻譜分布狀況，根據(jù)頻譜分析確定濾波器的指標(biāo)參數(shù)并進(jìn)行濾波器的選型，最終還要對濾波器的濾波效果進(jìn)行主客觀評價。這種實踐教學(xué)模式可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)字信號處理的知識來分析、解決問題，在研究中加深對基礎(chǔ)知識的理解，提高利用理論知識解決問題的能力。

四、結(jié)束語

《數(shù)字信號處理》課程已成為各大高校電子、通信專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。該課程的理論性過強(qiáng)、公式復(fù)雜，傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難讓學(xué)生理解數(shù)字信號處理的意義何在。數(shù)字信號處理課程的教學(xué)改革需要教師用心思考、精心設(shè)計。教學(xué)輔助軟件的合理使用，將抽象的理論知識形象生動化，有助于加深對信號處理相關(guān)知識的理解，教學(xué)中貫穿實踐案例，能夠更好地幫助學(xué)生理解基礎(chǔ)課程的實際意義，合理安排實驗內(nèi)容可有效地將理論與實踐結(jié)合，大大增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

[1]楊毅明.數(shù)字信號處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]高西全，丁玉美.數(shù)字信號處理[M].第三版.西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[3]顧佩華，陸小華.CDIO工作坊手冊[M].汕頭大學(xué)出版社，2008.

[4]潘偉.Matlab在數(shù)字信號處理輔助教學(xué)中的應(yīng)用[J].綿陽師范學(xué)院學(xué)報，2010，29（3）：99-103．

[5]閆敬文.數(shù)字圖像處理MTLAB版（第二版）[M].國防工業(yè)出版社，2011.

[6]張峰，石現(xiàn)峰，張學(xué)智.數(shù)字信號處理原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[7]許爽，李敏.綜合設(shè)計性數(shù)字信號處理實驗的探討[J].大連民族學(xué)院學(xué)報，2010，12（3）：277-280.

G642.0

A

1674-9324（2014）20-0058-02

李莉（1984-），女，河南開封人，華僑大學(xué)廈門工學(xué)院電子信息工程系，助教，研究方向：數(shù)字圖像處理、圖像/視頻編碼。