微時(shí)代背景下的數(shù)字信號處理微課程設(shè)計(jì)

黃瓊丹++唐黎

摘 要：數(shù)字信號處理在理工類院校設(shè)為專業(yè)基礎(chǔ)課的平臺主課，在信號處理理論與實(shí)踐課程體系中起著承上啟下的作用。該課程具有抽象性、前沿性、多學(xué)科交叉融合等特點(diǎn)，既有很強(qiáng)的理論基礎(chǔ)又有廣泛的工程應(yīng)用背景。本文以西安郵電大學(xué)數(shù)字信號處理教學(xué)為例，從理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的角度研究微時(shí)代背景下的數(shù)字信號處理教學(xué)，探討了數(shù)字信號處理微課程的設(shè)計(jì)方法。實(shí)踐證明數(shù)字信號處理微課程可以讓學(xué)生隨時(shí)隨地有選擇性的進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號處理的泛在學(xué)習(xí)，增強(qiáng)了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理 微課程 在線學(xué)習(xí) 理論教學(xué) 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0194-03

運(yùn)用建構(gòu)主義方法[1，2]、以在線學(xué)習(xí)或移動學(xué)習(xí)為形式的微課程作為一種新型的教學(xué)手段，既刷新了教學(xué)模式又提高了教學(xué)效率[3，4]。微課程最早見于美國北愛荷華大學(xué)McGrew教授提出的60s課程[5]及英國納皮爾大學(xué)T.P.Kee提出的1 min演講[6]。2008年，美國墨西哥州圣胡安學(xué)院高級教學(xué)設(shè)計(jì)師、學(xué)院在線服務(wù)經(jīng)理戴維？彭羅斯（David Penrose）正式提出微課程的概念，微課程被他比喻為“知識脈沖”（Knowledge Burst）[7]。自此之后，微課程已逐漸在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中普及，并逐漸體現(xiàn)其在移動學(xué)習(xí)及在線學(xué)習(xí)上的優(yōu)勢。在國外，以可汗學(xué)院（Khan Academy）[8]與TEDEd[9]為代表的微型網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻成為了微課程的范例。2011年起，我國廣東省佛山市教育局胡鐵生率先策劃與組織了佛山市中小學(xué)優(yōu)秀微課展播平臺，開創(chuàng)了我國微課程建設(shè)的先河[10]。

數(shù)字信號處理在理工科教育體系中有重要的作用[11]，但由于其概念抽象、設(shè)計(jì)復(fù)雜的特點(diǎn)，給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來很大挑戰(zhàn)。本文從理論環(huán)節(jié)和實(shí)踐環(huán)節(jié)入手，研究微時(shí)代背景下的數(shù)學(xué)信號處理教學(xué)，開發(fā)數(shù)字信號處理微課程，使其成為數(shù)字信號處理泛在學(xué)習(xí)的有力手段。

1 數(shù)字信號處理理論環(huán)節(jié)微課程設(shè)計(jì)

數(shù)字信號處理理論主要包括時(shí)域離散信號及系統(tǒng)的時(shí)頻域分析方法、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)兩大部分內(nèi)容[12]。其內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)字信號處理各部分內(nèi)容包含很多及相互獨(dú)立又相互聯(lián)系的知識點(diǎn)，為了幫助學(xué)生深刻理解各個(gè)知識點(diǎn)，建立起它們之間的聯(lián)系，形成整個(gè)知識體系的系統(tǒng)觀，針對不同的內(nèi)容可以設(shè)計(jì)不同形式的微課程。

1.1 多媒體式微課程

對于數(shù)字信號處理課程中難以理解的知識點(diǎn)，微課程設(shè)計(jì)可以合理選擇和運(yùn)用PowerPoint、Flash、Autorware、Photoshop等軟件，綜合處理和控制語言、文字、聲音、圖像、等多種媒體信息，以多種媒體信息作用于學(xué)生，形成合理的教學(xué)過程結(jié)構(gòu)，直觀、生動、形象地展示難于理解的教學(xué)內(nèi)容。

以“時(shí)域的實(shí)際采樣”為例，考察信號進(jìn)行實(shí)際采樣時(shí)頻譜發(fā)生的變化。對帶寬為的時(shí)域信號進(jìn)行理想采樣，其頻譜以采樣角頻率為周期進(jìn)行周期延拓，當(dāng)≥時(shí)，不會發(fā)生頻域混疊，可以無失真的恢復(fù)原信號。如果對信號進(jìn)行實(shí)際采樣，其頻域?qū)l(fā)生怎樣的變化呢？若采用公式推導(dǎo)的方式，多數(shù)學(xué)生難以真正理解整個(gè)過程。該節(jié)微課程可以設(shè)計(jì)成動畫的形式，鏡頭主要對準(zhǔn)動畫演示，輔以教師跟隨整個(gè)動畫演進(jìn)的講解，能使學(xué)生很容易掌握這部分內(nèi)容。“時(shí)域?qū)嶋H采樣”的動畫微課程示意圖如圖2所示。

從該動畫演示過程很容易而得到結(jié)論：實(shí)際采樣的頻譜是連續(xù)信號的頻譜以為周期進(jìn)行周期延拓，頻譜幅度受到函數(shù)的調(diào)制，隨頻率的增加而下降，幅度的變化不影響信號的恢復(fù)，若滿足奈奎斯特采樣定理，則不會產(chǎn)生混疊失真。

1.2 板書式微課程

多媒體雖然能幫助理解一些難于理解的內(nèi)容，但由于其切換的速度快，聲畫效果的過分渲染反而容易打斷學(xué)生對難點(diǎn)知識的深刻理解及筆記記錄。所以，現(xiàn)代教學(xué)手段固然有它不可抗拒的魅力，但傳統(tǒng)的板書也有它無法取代的價(jià)值[13，14]。數(shù)字信號處理中的一些知識點(diǎn)，用流暢的板書呈現(xiàn)出來會有更清晰的條理、對學(xué)生的學(xué)習(xí)有很好的導(dǎo)向功能，使學(xué)生對該知識點(diǎn)的教學(xué)有一個(gè)清晰、明了的理解。以第六章IIR濾波器設(shè)計(jì)中雙線性變換法引起的幅頻響應(yīng)的畸變?yōu)槔?，由雙線性變換法模擬頻率和數(shù)字頻率之間的關(guān)系：

其中，和分別為模擬角頻率和數(shù)字角頻率；為采樣間隔。這樣的正切關(guān)系導(dǎo)致除了零頻率附近，和之間呈嚴(yán)重的非線性關(guān)系。這種非線性關(guān)系不僅導(dǎo)致線性相位模擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器后為非線性相位的，而且會造成濾波器的幅頻響應(yīng)發(fā)生畸變。以理想微分器為例，雙線性變換法引起的幅頻響應(yīng)畸變?nèi)鐖D3所示。

該過程用板書的形式，按圖3的步驟逐步呈現(xiàn)幅頻響應(yīng)發(fā)生畸變的過程要比用幻燈片的形式更利于學(xué)生接受。該節(jié)微課程視頻截圖如圖4所示。

1.3 習(xí)題微課程

作為諸多工科高校研究生招生的考核科目，數(shù)字信號處理有很多習(xí)題，題型也非常靈活，傳統(tǒng)的習(xí)題講授是嵌入在理論課教學(xué)中或是以習(xí)題課的形式呈現(xiàn)，這種方式往往造成學(xué)生不能系統(tǒng)的接觸習(xí)題，造成“聽得懂，上手生，不會做”的現(xiàn)象。把數(shù)字信號處理的典型題的解題過程制作成微課程，對習(xí)題進(jìn)行講解分析與推理演算，重在解題思路的分析與過程，一題一課，有利于學(xué)生打破時(shí)間次序的壁壘，根據(jù)自己的實(shí)際情況有針對性、選擇性的復(fù)習(xí)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。

2 數(shù)字信號處理實(shí)踐環(huán)節(jié)微課程設(shè)計(jì)

數(shù)字信號處理實(shí)踐環(huán)節(jié)是數(shù)字信號處理教學(xué)的重要組成部分。以西安郵電大學(xué)數(shù)字信號處理教學(xué)為例，為凸顯本校的通信特色，數(shù)字信號處理實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)體系結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。針對該實(shí)踐教學(xué)體系的每一個(gè)部分，都可以設(shè)計(jì)形式多樣內(nèi)容豐富的微課程，其主要內(nèi)容如表1所示。每一部分內(nèi)容都可以由若干節(jié)微課程構(gòu)成。通過具有通信特色實(shí)踐環(huán)節(jié)微課程，可以幫助學(xué)生從工程層面上加深對數(shù)字信號處理的理解，同時(shí)契合了我校通信型人才培養(yǎng)的需求。endprint

3 微課程嵌套

微課程是某一個(gè)知識點(diǎn)的脈沖式單獨(dú)呈現(xiàn)，由于該課程的系統(tǒng)性，某一個(gè)知識點(diǎn)不可能是孤立的，它總會和其他的知識點(diǎn)有一定聯(lián)系，可以用插入視頻超鏈接的方式，對微課程中涉及到的其他知識點(diǎn)或概念插入視頻超鏈接，學(xué)生如果對該知識點(diǎn)或概念理解不夠，可以點(diǎn)擊超鏈接，鏈接到該知識點(diǎn)或概念的微課程。比如時(shí)域?qū)嶋H采樣微課程中可以插入理想采樣的微課程超鏈接；雙線性變換法引起的幅頻響應(yīng)畸變微課程中，可以插入數(shù)字角頻率和模擬角頻率非線性關(guān)系的由來的微課程超鏈接。

通過微課程的嵌套，可以把一個(gè)個(gè)看似孤立卻聯(lián)系緊密的知識脈沖串起來，有利于學(xué)生對該門課程的總體把握，樹立整體觀，做到“既見樹葉，又見森林”的效果。

4 結(jié)語

按照上述思路，我們完成了部分理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的數(shù)字信號處理微課程設(shè)計(jì)，并交付學(xué)生使用。這些微課程既涵蓋了數(shù)字信號處理課程的主要知識點(diǎn)又體現(xiàn)了我校的通信特色，做到了“普適性”和“特殊性”的有機(jī)結(jié)合。數(shù)字信號處理系列微課程作為優(yōu)質(zhì)教學(xué)共享資源的一部分，進(jìn)一步提升了作為陜西省精品資源共享課程的數(shù)字信號處理課程建設(shè)成效[15]。從學(xué)生的使用效果看，數(shù)字信號處理系列微課程方便不同層次的學(xué)生有選擇性的學(xué)習(xí)，延展了數(shù)字信號處理的學(xué)習(xí)空間和時(shí)間，增強(qiáng)了教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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[15] 西安郵電大學(xué)數(shù)字信號處理精品課程網(wǎng)站[EB/OL].http：//222.24.19.30/eol/jpk/course/layout/page/index.jsp？courseId=1404.endprint

3 微課程嵌套

微課程是某一個(gè)知識點(diǎn)的脈沖式單獨(dú)呈現(xiàn)，由于該課程的系統(tǒng)性，某一個(gè)知識點(diǎn)不可能是孤立的，它總會和其他的知識點(diǎn)有一定聯(lián)系，可以用插入視頻超鏈接的方式，對微課程中涉及到的其他知識點(diǎn)或概念插入視頻超鏈接，學(xué)生如果對該知識點(diǎn)或概念理解不夠，可以點(diǎn)擊超鏈接，鏈接到該知識點(diǎn)或概念的微課程。比如時(shí)域?qū)嶋H采樣微課程中可以插入理想采樣的微課程超鏈接；雙線性變換法引起的幅頻響應(yīng)畸變微課程中，可以插入數(shù)字角頻率和模擬角頻率非線性關(guān)系的由來的微課程超鏈接。

通過微課程的嵌套，可以把一個(gè)個(gè)看似孤立卻聯(lián)系緊密的知識脈沖串起來，有利于學(xué)生對該門課程的總體把握，樹立整體觀，做到“既見樹葉，又見森林”的效果。

4 結(jié)語

按照上述思路，我們完成了部分理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的數(shù)字信號處理微課程設(shè)計(jì)，并交付學(xué)生使用。這些微課程既涵蓋了數(shù)字信號處理課程的主要知識點(diǎn)又體現(xiàn)了我校的通信特色，做到了“普適性”和“特殊性”的有機(jī)結(jié)合。數(shù)字信號處理系列微課程作為優(yōu)質(zhì)教學(xué)共享資源的一部分，進(jìn)一步提升了作為陜西省精品資源共享課程的數(shù)字信號處理課程建設(shè)成效[15]。從學(xué)生的使用效果看，數(shù)字信號處理系列微課程方便不同層次的學(xué)生有選擇性的學(xué)習(xí)，延展了數(shù)字信號處理的學(xué)習(xí)空間和時(shí)間，增強(qiáng)了教學(xué)效果。

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3 微課程嵌套

微課程是某一個(gè)知識點(diǎn)的脈沖式單獨(dú)呈現(xiàn)，由于該課程的系統(tǒng)性，某一個(gè)知識點(diǎn)不可能是孤立的，它總會和其他的知識點(diǎn)有一定聯(lián)系，可以用插入視頻超鏈接的方式，對微課程中涉及到的其他知識點(diǎn)或概念插入視頻超鏈接，學(xué)生如果對該知識點(diǎn)或概念理解不夠，可以點(diǎn)擊超鏈接，鏈接到該知識點(diǎn)或概念的微課程。比如時(shí)域?qū)嶋H采樣微課程中可以插入理想采樣的微課程超鏈接；雙線性變換法引起的幅頻響應(yīng)畸變微課程中，可以插入數(shù)字角頻率和模擬角頻率非線性關(guān)系的由來的微課程超鏈接。

通過微課程的嵌套，可以把一個(gè)個(gè)看似孤立卻聯(lián)系緊密的知識脈沖串起來，有利于學(xué)生對該門課程的總體把握，樹立整體觀，做到“既見樹葉，又見森林”的效果。

4 結(jié)語

按照上述思路，我們完成了部分理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的數(shù)字信號處理微課程設(shè)計(jì)，并交付學(xué)生使用。這些微課程既涵蓋了數(shù)字信號處理課程的主要知識點(diǎn)又體現(xiàn)了我校的通信特色，做到了“普適性”和“特殊性”的有機(jī)結(jié)合。數(shù)字信號處理系列微課程作為優(yōu)質(zhì)教學(xué)共享資源的一部分，進(jìn)一步提升了作為陜西省精品資源共享課程的數(shù)字信號處理課程建設(shè)成效[15]。從學(xué)生的使用效果看，數(shù)字信號處理系列微課程方便不同層次的學(xué)生有選擇性的學(xué)習(xí)，延展了數(shù)字信號處理的學(xué)習(xí)空間和時(shí)間，增強(qiáng)了教學(xué)效果。

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