通信工程專業(yè)數(shù)字信號處理課程改革與思考

曹林

摘 要：該文以通信工程專業(yè)為例，對數(shù)字信號處理課程改革的必要性進行了闡述，然后在教學內(nèi)容、課程組織、教學條件和教學方法上對該課程進行了改革，使之適應“卓越工程師”的培養(yǎng)要求。論述了編寫案例的相關注意事項，對課堂授課方式進行了改革，取得了較好的效果。

關鍵詞：數(shù)字信號處理 案例 通信工程 卓越工程師

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0133-02

1 概述

數(shù)字信號處理課程是通信工程專業(yè)的專業(yè)基礎課，已成為現(xiàn)代化技術的重要組成部分，是通信工程專業(yè)卓越工程師必須掌握的核心技術[1]，迫切需要加強該課程的建設與改革，以適應通信領域卓越工程師培養(yǎng)的需要。該課程建設目標是：加強并優(yōu)化“以工程能力為核心“的應用型人才培養(yǎng)專業(yè)實踐教學體系，創(chuàng)建一套適合于卓越工程師培養(yǎng)計劃的數(shù)字信號處理授課教學方法及考核評定模式。具體內(nèi)容為：以MATLAB和DSP硬件工具箱作為軟硬件開發(fā)工具，探索工程實踐型教學方法，將軟件編程和硬件開發(fā)貫徹到授課中的相關環(huán)節(jié)；以典型的工程案例調(diào)動學生的學習興趣，發(fā)揮案例式教學在卓越計劃培養(yǎng)中的優(yōu)勢；以該課程為基礎，以點帶面，注重信號處理課程群建設，通過前后銜接、理論與工程實踐相結合，建立課程間縱向傳承，橫向互補的課程體系，突出工程應用，系統(tǒng)綜合的課程主線；利用多媒體、課程互動仿真編程、網(wǎng)站，博客互動等信息化教學手段，優(yōu)化授課內(nèi)容，引導學生運用知識和能力，自發(fā)地提出問題，研究問題和解決問題；改革考核方式，把理論筆試+上機考試+課外探究式學習+面試作為最后考試成績，著重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，實踐能力和協(xié)作能力。

信息化的基礎是數(shù)字化，而數(shù)字化的核心技術，就是數(shù)字信號處理，近30年來，數(shù)字信號處理（DSP）的理論、方法和應用得到了飛躍式的發(fā)展，其地位和作用也變得越來越重要。數(shù)字信號處理是理論性和工程性都很強的學科，其理論體現(xiàn)在，它綜合應用數(shù)學、電路理論、信號與系統(tǒng)等領域的基礎理論和方法，發(fā)展并形成了自己的理論體系，成為通信、雷達、電視、控制等眾多學科和領域的重要理論基礎與技術基礎。其工程性體現(xiàn)在，其應用極為廣泛，從科學技術各領域到國民經(jīng)濟建設的各行業(yè)；從國防建設的各種武器裝備，到林林總總的消費類電子產(chǎn)品的設計與生產(chǎn)，都是數(shù)字信號處理技術的應用領域。因此，社會對既掌握DSP理論和方法，又掌握工程技術的人才需求，近年來呈爆發(fā)式增長。

2 問題的提出

卓越工程師教育培養(yǎng)計劃（簡稱為“卓越計劃”）是教育部基于國務院《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》內(nèi)容在2010年6月啟動的，其目的是全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量。數(shù)字信號處理是信息與通信工程領域一個發(fā)展和更新最快的學科之一，已成為現(xiàn)代化技術的重要組成部分，是通信工程專業(yè)卓越工程師必須掌握的核心技術，迫切需要加強該課程的建設與改革，以適應通信領域卓越工程師培養(yǎng)的需要，通過該課程帶動信號處理課程群建設，強化培養(yǎng)學生在信號處理工程領域的創(chuàng)新能力和實踐能力。

目前，通信工程專業(yè)“卓越計劃”在數(shù)字信號處理課程建設方面[2]，處于探索和嘗試階段，還沒成熟、通用的成功經(jīng)驗能夠借鑒。傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理課程，大多只討論算法理論及其推導，以理論教學為主，較少涉及實現(xiàn)方法及相關的軟硬件技術，實踐環(huán)節(jié)深度不夠，學生并未能真正接觸到信號處理的工程應用，對信號處理與應用主要知識的切身體會還不夠直接和深入，培養(yǎng)的學生不能夠適應實際企業(yè)生產(chǎn)的需求，更不能體現(xiàn)“卓越計劃”的培養(yǎng)目標[3]。國內(nèi)外的教育界都在尋求DSP的改革途徑，目前主要沿著兩條途徑。一是使用MATLAB等工具軟件，對數(shù)字信號處理的算法作仿真；另外是引入已被工程界廣泛使用的DSP器件，指導學生完成數(shù)字信號處理算法的實現(xiàn)，但上述兩種途徑更主要是在課外實驗引入，很少在課堂上貫徹，只有在課堂上利用案例式工程實踐研究性教學激發(fā)學生的學習興趣，才能讓他們在課下自覺地用上述軟硬件工具開發(fā)相關工程應用。因此需要對數(shù)字信號處理實踐教學和工程應用培養(yǎng)模式進行改革和建設，進行課程機構體系調(diào)整，突出工程應用，分別從課程培養(yǎng)方案、理論教學和實踐教學方面進行探討和實踐，通過多方位，各個環(huán)節(jié)的努力，建立一個培養(yǎng)高素質(zhì)應用型人才的持續(xù)、可靠、高效的課程培養(yǎng)體系。

3 改革與思考

在教學內(nèi)容上，針對本課程抽象難學的特點，以Matlab為主線，自始至終運用Matlab來闡述基本概念和基本原理。強調(diào)理論與實踐環(huán)節(jié)的結合，提供本章重要知識點的Matlab演示程序和結果。對于抽象的數(shù)學模型應用問題，編寫Matlab仿真案例，在課程上增加Matlab案例，邊操作邊講解一些例題和應用，強調(diào)軟件編程互動，利用Matlab軟件邊講邊演示，進一步提問，請學生思考回答，然后馬上修改程序驗證問題的結果?？傊诮虒W內(nèi)容上強調(diào)軟件互動編程，準備豐富的Matlab案例，上課前給學生基本的程序，授課時隨著講解的逐步深入，讓學生自行修改程序，當學生在自己隨身的計算機上看到正確結果時，會深切感受到數(shù)字信號處理的神奇，大大增強他們的學習興趣，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力和工程實踐能力。

在課程組織上，將信號處理方向納入專業(yè)課程整體規(guī)劃，在“數(shù)字信號處理”課程中，以數(shù)字信號分析為基礎，以數(shù)字濾波為手段，以數(shù)字信號處理為目的，強調(diào)DFT、數(shù)字濾波的物理概念和工程概念，強化數(shù)學理念與分析，淡化數(shù)學運算與技巧，同時加大各前后關聯(lián)課程（例如前期的信號與系統(tǒng)，后續(xù)的數(shù)字圖像處理等）之間的銜接研究，使其與其他課程融合為一個有機整體，調(diào)整與其它課程的關系，在重要的地方形成內(nèi)容上的呼應，在次要的地方注重視野的開拓，主次分明，易于學生把握。綜上在教學內(nèi)容上的建設目標是制作典型的數(shù)字信號處理軟件案例，將案例式教學貫穿到授課中[4]。endprint

在教學條件上，我們選用科學出版社編寫的《數(shù)字信號處理》，本書是北京郵電大學考研的指定教材，同時該書也把Matlab編程貫穿始終，符合本課程建設的目標。另外選用國際經(jīng)典的數(shù)字信號處理教材，Vinay K. Ingle， John G. Proakis. Digital Signal Processing Using MATLAB，該書強調(diào)Matlab編程，總之在教材的選擇上，我們強調(diào)中外結合，理論與工程實踐結合，大眾通識教育與卓越精英教育結合。授課時，保證學生2人1機（隨著生活水平提高，學生可以自帶便攜電腦，保證每人1機）。建立數(shù)字信號處理課程網(wǎng)站，在課程網(wǎng)站上放置與本課程相關的共享資源和網(wǎng)絡課件，供學生自由瀏覽和下載，實現(xiàn)網(wǎng)絡輔導、網(wǎng)上課程研討、網(wǎng)上交付作業(yè)與實驗報告和優(yōu)秀作業(yè)展示；建立例題解答范例庫和自測試題庫，以便方便學生進行探究式自學。綜上在教學條件上的建設目標是建立授課網(wǎng)站，共享多媒體課件，網(wǎng)上輔導和優(yōu)秀作業(yè)展示，實現(xiàn)探究式自學。

在教學方法與手段上，基于本課程公式多，概念比較抽象的特點，在教學過程中采用板書+多媒體+案例式Matlab編程相結合的授課方式，對于重要公式的推導，采用板書。因為隨著多媒體教學的普及，板書的優(yōu)勢往往被忽視，對于重要的公式推導，板書具有良好的示范性，學生跟隨教師的思路來領會學習的要點和難點，并在工整的板書推導中加強對公式的理解，學起來比較容易。對于一些需要形象理解、圖形舉例演示的部分，教師可以采用多媒體教學方法，利用圖像、視頻等多種形式進行互動教學。對于例題，強調(diào)Matlab案例式編程，采取“啟發(fā)式教學和研究型學習”的教學方法，從研究問題入手，將數(shù)字信號處理的一些重要理論構建過程展現(xiàn)出來，同時提出新的問題，以便讓學生進行思考和研究。針對教學難點和重點提出問題，定期和不定期地在課堂中進行討論，請學生事先準備好，上講臺發(fā)表見解，同時利用Matlab編程驗證。注重教學講義雙語化，提高學生專業(yè)英語的應用能力。課堂教學的課件中有相當一部分內(nèi)容采用英語編寫，教師在上課中也盡量使用英語對基本概念和方法進行解釋，在潛移默化中提高學生的專業(yè)英語能力，有助于提高學生閱讀科技文獻、查閱資料的能力，從根本上消除學生對本專業(yè)方向英語文獻閱讀的恐懼感和抵觸心理。綜上在教學方法與手段上的建設目標是注重案例式教學，采用啟發(fā)式教學和研究型學習，對授課內(nèi)容進行分類，采用恰當?shù)慕虒W手段表現(xiàn)（板書+多媒體+上機）數(shù)字信號處理的理論與應用實例。

參考文獻

[1] 胡永祥，楊偉豐，蔣鴻.應用型通信工程專業(yè)實踐教學體系的構建[J].湖南工業(yè)大學學報，2011，25（3）：105-108.

[2] 王艷芬，王剛.“數(shù)字信號處理”精品課程建設探索[J].電氣電子教學學報，2011，33（2）：22-24.

[3] 倪潔，徐志偉.哈爾濱工業(yè)大學通信工程系“卓越工程師”培養(yǎng)模式[J].哈爾濱師范大學自然科學學報，2012，28（2）： 45-47.

[4] 劉慶華，歐陽寧.面向卓越計劃的信號處理課程群的教學研究與實踐[J].中國電力教育，2012，254（31）：48-49.endprint