獨(dú)立學(xué)院“數(shù)字信號(hào)處理”課程的改革與實(shí)踐

歐藝文 欒華東

[摘要]“數(shù)字信號(hào)處理”課程是獨(dú)立學(xué)院電子信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)，學(xué)生普遍覺得該課程深?yuàn)W、難學(xué)、不會(huì)用。本文分析了該課程在獨(dú)立學(xué)院的教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，并結(jié)合“數(shù)字信號(hào)處理”課程的特點(diǎn)，對(duì)課程的教學(xué)從課程體系、教學(xué)手段與方法、人培修訂、教材建設(shè)、實(shí)踐環(huán)節(jié)、精品課程建設(shè)以及考核方法等七個(gè)方面進(jìn)行了改革和實(shí)踐，取得了較好的效果。

[關(guān)鍵詞]獨(dú)立學(xué)院 數(shù)字信號(hào)處理 教材建設(shè) 人培方案 實(shí)踐教學(xué)

[中圖分類號(hào)]G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，包括圖像處理、數(shù)據(jù)通信、語(yǔ)音通信、生物醫(yī)學(xué)及家用電器等等。獨(dú)立學(xué)院普遍開設(shè)了“數(shù)字信號(hào)處理”課程。由于該課程抽象、難懂，獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的學(xué)習(xí)效果普遍不夠理想。本文首先客觀分析了該課程的教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，接著以武昌工學(xué)院為試點(diǎn)，從課程體系、教學(xué)手段與方法、人培修訂及教材建設(shè)等方面進(jìn)行了全方位的改革與實(shí)踐，取得了一定的成效。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

（一）課程教學(xué)現(xiàn)狀

武昌工學(xué)院（原武漢工業(yè)學(xué)院工商學(xué)院）是2002年經(jīng)國(guó)家教育部批準(zhǔn)建立、2012年轉(zhuǎn)設(shè)成功的的全日制普通本科獨(dú)立學(xué)院。從2004年我校開始招生起，就開設(shè)了數(shù)字信號(hào)處理課程。經(jīng)過(guò)多次人才培養(yǎng)方案的制定與修改，數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)計(jì)劃基本確定，總學(xué)時(shí)64，其中理論學(xué)時(shí)56，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為8。

（二）教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

由于獨(dú)立學(xué)院隸屬于三本院校，學(xué)生的錄取分?jǐn)?shù)普遍較低，大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較薄弱，學(xué)習(xí)能力較差，學(xué)習(xí)方法欠缺，課堂的學(xué)習(xí)效果不佳。具體來(lái)說(shuō)，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）學(xué)生的高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差，對(duì)課程中大量的數(shù)學(xué)公式、推導(dǎo)和計(jì)算心生畏懼。學(xué)生一般沒有也課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)和練習(xí)的習(xí)慣，僅僅把希望全部寄托在課堂上。這樣導(dǎo)致學(xué)生很難聽懂老師所講的內(nèi)容。有些學(xué)生前面的知識(shí)沒有學(xué)好，后面的知識(shí)就更加聽不懂了，以至于逐漸變得厭學(xué)甚至棄學(xué)；

（2）實(shí)踐教學(xué)主要以課內(nèi)實(shí)驗(yàn)為主，采用MATLAB軟件編程的方式，開設(shè)有4個(gè)實(shí)驗(yàn)。上實(shí)驗(yàn)課時(shí)，教師一般先介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理及步驟，再讓學(xué)生上機(jī)操作。由于學(xué)生的編程能力有限，老師一般都提供有參考程序。大部分學(xué)生一上機(jī)就照著程序輸寫，不愿花時(shí)間理解實(shí)驗(yàn)原理，看懂實(shí)驗(yàn)程序，因此學(xué)生光把這些程序輸完都需要很長(zhǎng)的時(shí)間。輸寫程序的速度很慢，甚至于有的學(xué)生光把這些程序輸完就快下課了。程序運(yùn)行成功之后，學(xué)生一般也不愿多花時(shí)間分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，在有限的上機(jī)時(shí)間內(nèi)，學(xué)生基本上只能完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的驗(yàn)證，很難根據(jù)自己對(duì)原理的理解來(lái)修改程序或?qū)崿F(xiàn)方法，從而達(dá)不到提高學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力的目的。

三、課程教學(xué)改革措施

（一）優(yōu)化課程體系

經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐以及對(duì)畢業(yè)生跟蹤調(diào)查結(jié)果的分析，我們認(rèn)為數(shù)字信號(hào)處理課程的課程體系應(yīng)以獨(dú)立學(xué)院人才培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)，以講授基本概念、強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐為主，體現(xiàn)實(shí)用性和綜合性的原則。在這一原則指導(dǎo)下，優(yōu)化后的課程體系具體如下：

從課程的教學(xué)重點(diǎn)來(lái)講，授課應(yīng)強(qiáng)調(diào)基本概念的物理含義與基本方法的應(yīng)用，淡化公式的推導(dǎo)與證明，著重介紹思路與方法，具體推導(dǎo)過(guò)程讓學(xué)生課后完成。比如介紹四種線性相位FIR數(shù)字濾波器的幅頻特性時(shí)，省去每個(gè)幅頻特性表達(dá)式的具體推導(dǎo)，只介紹表達(dá)式的推導(dǎo)思路，即先將頻率響應(yīng)H（ejω）表達(dá)式的求和區(qū)間進(jìn)行前后分半，代入表示h（n）奇偶對(duì)稱性的表達(dá)式，合并為一個(gè)求和區(qū)間，再經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單換元、變形得到幅度函數(shù)的最終表達(dá)式。接著形象地展示幅頻特性曲線圖。由圖總結(jié)出每種濾波器的幅頻特性相對(duì)于w=0、π、2π的奇偶對(duì)稱性，從而歸納出每種情況的適用范圍。最后舉例說(shuō)明在具體設(shè)計(jì)FIR濾波器時(shí)，要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的類型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（二）改革教學(xué)手段和教學(xué)方法

改革教學(xué)方法對(duì)于提高教學(xué)效果至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，筆者根據(jù)獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的特點(diǎn)，深入研究教學(xué)理論和教學(xué)內(nèi)容，逐步形成了一套較為完善的教學(xué)手段和方法。這部分內(nèi)容已在文獻(xiàn)[4]中有過(guò)具體的闡述。值得強(qiáng)調(diào)的是，筆者在每一輪的講課中，都會(huì)有新的領(lǐng)悟和感觸。數(shù)字信號(hào)處理課程始終與數(shù)學(xué)聯(lián)系緊密，講究知識(shí)的前后銜接，承上啟下，學(xué)生前面的基礎(chǔ)知識(shí)一定要弄懂、學(xué)好，這樣才能充分理解后面所學(xué)的內(nèi)容。

由于本課程的理論知識(shí)太抽象，在傳授新課的時(shí)候，除了要適當(dāng)引入matlab教學(xué)，還一定要多講典型例題、習(xí)題，將抽象的概念和方法具體化、應(yīng)用化，講完之后再“趁熱打鐵”，在課堂上留出時(shí)間讓學(xué)生自己做練習(xí)，這樣不僅可以讓老師及時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的情況，還可以促使學(xué)生自己動(dòng)腦、動(dòng)手，而不是光聽老師講就可以了。只有學(xué)生自己真正思考了、練了，才能真正理解、融會(huì)貫通所學(xué)知識(shí)，也能提高他們分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

授課教師特別是年輕教師，一般受大學(xué)傳統(tǒng)教育的影響，習(xí)慣于在課堂上不停地講、不停地寫，好像什么都是重點(diǎn)，什么都得講。滿堂講、滿堂灌的后果是老師累、學(xué)生也累，效果卻并不好。這是因?yàn)閷W(xué)生沒有時(shí)間思考，沒有時(shí)間消化，只是被動(dòng)地接受。其實(shí)老師講得再多，學(xué)生能接受的還是那么一點(diǎn)。所以授課教師要盡量少講，不重要的地方略講、甚至可以不講，重要的地方多講、講透，并且在黑板上板書出來(lái)，方便學(xué)生做筆記、把握重點(diǎn)。同時(shí)多騰點(diǎn)時(shí)間讓學(xué)生自己看書、做練習(xí)，使他們及時(shí)消化、理解所學(xué)知識(shí)。注意把關(guān)鍵的問(wèn)題爭(zhēng)取解決在課堂上！

作為任課教師，平時(shí)要與學(xué)生多談心、多交流，一方面可以增加老師的親和力，讓學(xué)生喜歡老師，更愿意接受老師所教授的知識(shí)。另一方面，也可以讓老師多了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、內(nèi)心的想法，特別是他們對(duì)老師教學(xué)的看法，從而幫助教師發(fā)現(xiàn)自身的問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整教學(xué)思路和教學(xué)策略，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況開展教學(xué)，做到因材施教，從而提高教學(xué)效率和教學(xué)效果。

通過(guò)教學(xué)方法和手段的不斷改進(jìn)，筆者明顯發(fā)現(xiàn)上課做筆記的學(xué)生更多了，學(xué)生與老師的互動(dòng)也更多了，包括積極回答老師的提問(wèn)、認(rèn)真完成老師布置的作業(yè)、練習(xí)等。另外從本課程的最近一次自考成績(jī)來(lái)看，這些改進(jìn)也大大提高了學(xué)生的解題能力與應(yīng)試水平。

（三）注重教材建設(shè)

教材的選取直接關(guān)系到教學(xué)質(zhì)量。筆者經(jīng)過(guò)幾次試用、反復(fù)比較，最終選擇了王華奎主編的普通高等教育“十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材-《數(shù)字信號(hào)處理及應(yīng)用》一書作為教材。該書難度適中，條理清晰，深入淺出，易于理解。同時(shí)加入了大量的matlab實(shí)例，既能加深學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本方法和基本技術(shù)的理解與掌握，又能使他們通過(guò)圖形化的演示、生動(dòng)的數(shù)據(jù)，深入體會(huì)數(shù)字信號(hào)處理的技術(shù)與優(yōu)勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)方面，筆者編寫了校內(nèi)使用的《數(shù)字信號(hào)處理》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，為學(xué)生提供了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、操作與復(fù)習(xí)的藍(lán)本，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

（四）修訂人培方案，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度

由于獨(dú)立院校的學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不夠強(qiáng)，學(xué)習(xí)能力有待提高，師資力量、儀器設(shè)備也有限，授課教師在信息處理這個(gè)學(xué)科領(lǐng)域不宜講得太深，畢竟信息類課程“七分?jǐn)?shù)學(xué)，三分物理”，“難學(xué)、難懂”這是普遍存在的事實(shí)。我們培養(yǎng)的學(xué)生很難與一本學(xué)校的學(xué)生競(jìng)爭(zhēng)，用人單位一般也不會(huì)啟用我們的學(xué)生去從事研發(fā)、設(shè)計(jì)等工作。為此，我們需要做的是，讓學(xué)生盡可能地掌握本課程的基本理論、基本概念和基本方法，打下較扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，之后再引導(dǎo)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，快速地實(shí)現(xiàn)信號(hào)與信息的處理。關(guān)于硬件的實(shí)現(xiàn)，學(xué)生如果以后在工作崗位上接觸到了的話，可以再自學(xué)。基于以上考慮，同時(shí)結(jié)合畢業(yè)生的反饋意見，我們?cè)谥贫娮有畔㈩悓I(yè)新的人才培養(yǎng)方案時(shí)，大膽地把后續(xù)課程《DSP技術(shù)》刪除了，同時(shí)將《數(shù)字圖像處理》等信號(hào)處理類專業(yè)課改為了選修課，僅供有興趣的學(xué)生選讀。此項(xiàng)改革對(duì)于電子信息類人才的培養(yǎng)是有利還是有害的，需要時(shí)間的驗(yàn)證，我們會(huì)繼續(xù)跟蹤調(diào)研，實(shí)時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。我們始終相信，理論知識(shí)的掌握是最根本、最重要的，不管是軟件編程，還是硬件實(shí)現(xiàn)，都需要有一定的理論基礎(chǔ)作為后盾。

（五）改革實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力

由于數(shù)字信號(hào)處理是理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的學(xué)科，工程應(yīng)用十分廣泛，因此必須改革實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。目前，本課程的實(shí)踐教學(xué)體系包括課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、研究小報(bào)告、專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)四個(gè)環(huán)節(jié)。其中“研究小報(bào)告”是在吸收其他兄弟院校先進(jìn)教學(xué)理念的基礎(chǔ)上，近兩三年才安插到課堂教學(xué)中的一個(gè)實(shí)踐性環(huán)節(jié)，以學(xué)生為主體，讓學(xué)生自己通過(guò)研究性學(xué)習(xí)，主動(dòng)地獲取知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)、解決實(shí)際問(wèn)題。這在文獻(xiàn)[4]中已介紹過(guò)。實(shí)踐證明，此項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)能極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和探索的欲望，并在一定程度上提高他們的團(tuán)結(jié)協(xié)作與口頭表達(dá)的能力。

在“課內(nèi)實(shí)驗(yàn)”環(huán)節(jié)中，優(yōu)化了matlab實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在開設(shè)了“離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域分析”和“離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的頻域分析”兩個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又設(shè)置了“IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用”和“FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用”兩個(gè)設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)利用理論課堂上所學(xué)的編程方法，自己編寫程序，以此作為給定實(shí)驗(yàn)成績(jī)的重要依據(jù)。

在畢業(yè)前的“專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)”和“畢業(yè)設(shè)計(jì)”兩個(gè)環(huán)節(jié)中，指導(dǎo)學(xué)生將數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用于數(shù)字圖像處理、語(yǔ)音信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)及通信系統(tǒng)等領(lǐng)域，切身感受數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用。設(shè)置設(shè)計(jì)內(nèi)容時(shí)，也鼓勵(lì)學(xué)生按照自己的興趣，自擬設(shè)計(jì)題目、自行確定設(shè)計(jì)方案和步驟。通過(guò)這種延伸，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生由理論學(xué)習(xí)向?qū)嶒?yàn)技能、科學(xué)研究的轉(zhuǎn)變。

（六）積極建設(shè)精品課程

精品課程是教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的重要組成部分。通過(guò)申報(bào)、積極建設(shè)“數(shù)字信號(hào)處理”精品課程，為學(xué)生提供本課程的教學(xué)大綱、電子課件、作業(yè)習(xí)題以及其他豐富的教學(xué)資源，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源的共享和師生的交流互動(dòng)，使學(xué)生得到更好的教育，從而達(dá)到進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

（七）改革考核方法

對(duì)學(xué)生的成績(jī)?cè)u(píng)定是一個(gè)檢驗(yàn)教學(xué)效果的重要手段。在考核方式上，可以采用閉卷考試、分組作研究報(bào)告、動(dòng)手操作等多樣化的形式。注重學(xué)生平時(shí)的知識(shí)積累，將他們課堂上回答問(wèn)題的情況作為學(xué)生平時(shí)成績(jī)?cè)u(píng)定的重要一環(huán)。在考核內(nèi)容上，將注重公式的套用和計(jì)算轉(zhuǎn)移到了注重分析和綜合應(yīng)用上，在強(qiáng)調(diào)考核基本內(nèi)容、基本概念（占60%）的同時(shí)，加大綜合與設(shè)計(jì)型試題的比重（占40%）。在期末考試中，新增了matlab編程能力的考查，允許學(xué)生用matlab編程的方法解題，這樣既可以使學(xué)生重視軟件實(shí)現(xiàn)能力的培養(yǎng)，提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平，又可以促進(jìn)素質(zhì)教育的實(shí)施和學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

四、結(jié)語(yǔ)

在廣泛調(diào)研與借鑒兄弟院校在數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)改革措施與成效的基礎(chǔ)上，以武昌工學(xué)院為例，對(duì)獨(dú)立學(xué)院的數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了大膽的改革與實(shí)踐。通過(guò)優(yōu)化課程體系，采用豐富多樣的教學(xué)手段與方法，修訂人才培養(yǎng)方案，加大實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、建設(shè)精品課程以及改革考核方式等七大舉措，促進(jìn)了學(xué)生思維能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

在今后的教學(xué)過(guò)程中，筆者將不斷深化和完善數(shù)字信號(hào)處理課程的建設(shè)和改革，探索出更適合獨(dú)立學(xué)院特點(diǎn)的教學(xué)路子，以促進(jìn)電子信息類專業(yè)的發(fā)展。

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（作者單位：武昌工學(xué)院信息工程學(xué)院 湖北省武漢市）