數(shù)字信號處理教學(xué)探索

郭潔

摘要：數(shù)字信號處理是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。在教學(xué)過程中，不斷探索和實踐新的教學(xué)方法，使教與學(xué)相輔相成，才能取得良好的教學(xué)效果。本文總結(jié)了教學(xué)難點(diǎn)，擬定新的教學(xué)計劃，教學(xué)改進(jìn)效果良好。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；教學(xué)方法；教學(xué)改進(jìn)

中圖分類號：TN911.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1672-1578（2014）22-0030-01

數(shù)字信號處理是本科電子信息專業(yè)類的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是理論與工程相結(jié)合的一門課程。課程以概率統(tǒng)計、信號與系統(tǒng)等課程為理論基礎(chǔ)，可應(yīng)用于通信、雷達(dá)以及航空等眾多科學(xué)領(lǐng)域，與工程應(yīng)用關(guān)系密切。課程理論性強(qiáng)，抽象概念多，包含具體的科學(xué)方法，涉及的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較多。如何在有限的時間內(nèi)設(shè)計好教學(xué)方案，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段，使學(xué)生能夠領(lǐng)會該門課程，是值得思考和研究的。

1.教學(xué)方法

1.1 教學(xué)內(nèi)容。我院選用的教材是《數(shù)字信號處理教程》，程佩青著。該書討論了數(shù)字信號處理的基本理論、基本分析方法等，并配有習(xí)題分析。需合理運(yùn)用教材，把握課程教學(xué)內(nèi)容。在課程教學(xué)內(nèi)容的安排和講解上，要緊扣課程內(nèi)容主線，采用深入淺出的教學(xué)方法進(jìn)行課程教學(xué)。

注重理論聯(lián)系實踐，指導(dǎo)學(xué)生使用MATLAB工具。該軟件可以完成數(shù)字課程中的卷積以及濾波器的設(shè)計等運(yùn)算，同時直觀地看到數(shù)值結(jié)果或圖形。采用MATLAB工具實現(xiàn)模型的仿真試驗，能幫助學(xué)生理解復(fù)雜的基礎(chǔ)理論，加深學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解和掌握。

1.2 教學(xué)思路。考慮讓學(xué)生采用工程師的思維方法研究信號處理的問題。例如，數(shù)字信號處理理論中的頻域分析法是利用事物的特點(diǎn)和規(guī)律來解決問題。使用頻域法分析問題的原因就是我們在時域空間中看問題時，看到的是事物的表面現(xiàn)象；頻域分析法是采用分解信號的方法看到信號的成分；可采用離散傅立葉變換來分析信號頻譜。教學(xué)方法運(yùn)用上要做到教學(xué)思路清晰、步驟明確，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。例如，IIR帶通數(shù)字濾波器的設(shè)計，從設(shè)計任務(wù)開始，根據(jù)具帶通濾波器的性能指標(biāo)及IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計步驟，設(shè)計出濾波器；最后用MATLAB繪出濾波器的幅頻響應(yīng)與相頻響應(yīng)。

1.3 教學(xué)課件。教學(xué)課件與MATLAB仿真工具的合理運(yùn)用。需要教師恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用課件，輔助以合理有效的板書，就會使得教學(xué)過程變得生動而且容易理解。對于介紹性的知識采用課件教學(xué)，可以較好地發(fā)揮課件的信息量大等特點(diǎn)。而對于理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁瑣的公式要應(yīng)用板書進(jìn)行分析和推導(dǎo)，輔助部分MATLAB仿真。例如，學(xué)習(xí)采樣定理，使用MATLAB軟件建立采樣定理的原理仿真模型，看到仿真結(jié)果和過程，就很容易令學(xué)生理解。

2.教學(xué)難點(diǎn)

數(shù)字信號處理是我院的一門專業(yè)必修課，于本科三年級開設(shè)，學(xué)時一般分為48學(xué)時理論課和16學(xué)時實驗課。數(shù)字信號處理課程內(nèi)容多，理論復(fù)雜，概念抽象，涉及預(yù)備知識多，教學(xué)過程有一定難度。

2.1 教學(xué)預(yù)備知識較多。該課程中時域離散信號與系統(tǒng)時域分析和變換域分析的基本理論，是學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識，與"信號與系統(tǒng)"課程有較強(qiáng)的連貫性；離散傅里葉變換和快速傅里葉變換這兩章的內(nèi)容是學(xué)生學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)；關(guān)于IIR和FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法，不僅是前幾章論知識的應(yīng)用，還需要理解模擬濾波器設(shè)計。

2.2 數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)知識多。該課程涉及信號與系統(tǒng)、復(fù)變函數(shù)、高等數(shù)學(xué)等理論知識。學(xué)習(xí)數(shù)字信號處理，需要理解數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，如序列的傅里葉變換、離散傅里葉變換、傅里葉級數(shù)等概念及其性質(zhì)，以及時域、頻域抽樣理論。

2.3 基本概念與物理含義需深入理解。該課程涉及傅里葉變換、拉普拉斯變換、序列的傅里葉變換、離散傅里葉變換等諸多變換，學(xué)生容易混淆，特別是對其物理含義理解不透，如線性卷積與圓周卷積的關(guān)系等。

3.教學(xué)改進(jìn)計劃

基于上述已有教學(xué)方法探討以及教學(xué)難點(diǎn)的總結(jié)，課程的具體改進(jìn)方案設(shè)計如下：

3.1 教學(xué)大綱。制定恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)大綱，合理安排授課內(nèi)容，合理編寫講義是保證教學(xué)質(zhì)量的前提。教師需要制定合理的教學(xué)計劃。與"信號與系統(tǒng)"中重復(fù)內(nèi)容簡要講，相似的內(nèi)容如序列的傅里葉變換、離散傅里葉變換、傅里葉級數(shù)的性質(zhì)等上下聯(lián)系對照著講。制作課件時充分利用多媒體直觀形象、節(jié)省板書時間的特點(diǎn)，盡量條理清晰，突出圖表，并且在課前提出學(xué)習(xí)目標(biāo)，課后總結(jié)章節(jié)重點(diǎn)。

3.2 課堂教學(xué)。組織好課堂教學(xué)是提高教學(xué)效果的關(guān)鍵。采用傳統(tǒng)板書教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方式，以板書為主，多媒體演示為輔。例如，對連續(xù)時間傅里葉變換逼近的過程、矩形窗的卷積過程時，使用動畫演示能把變化過程形象地展現(xiàn)出來，有利于學(xué)生理解。

3.3 課后作業(yè)。課后布置難易適中的練習(xí)題，根據(jù)學(xué)生完成的情況，將學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)通過講解習(xí)題的方式幫助學(xué)生掌握。采取習(xí)題課、集中答疑和課后交流的方式，實時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動態(tài)。

3.4 實驗課程。教學(xué)過程需考慮如何加強(qiáng)MATLAB在教學(xué)中的應(yīng)用?？紤]將MATLAB工具貫穿課堂教學(xué)、實驗、課程設(shè)計等環(huán)節(jié)。利用MATLAB工具可以使抽象理論得到直觀演示。比如線性卷積與圓周卷積的關(guān)系。

安排與教學(xué)緊密結(jié)合的實踐環(huán)節(jié)。安排8個實驗，涵蓋常見離散信號的產(chǎn)生和實現(xiàn)、離散系統(tǒng)的時域分析、離散系統(tǒng)的頻域分析、設(shè)計數(shù)字濾波器、設(shè)計數(shù)字濾波器等內(nèi)容。要求學(xué)生能運(yùn)用MATLAB編程掌握一些數(shù)字信號處理的基本技能，從而加深對教學(xué)內(nèi)容的理解，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

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