基于Matlab的數(shù)字信號處理課程融合式教學(xué)模式探索＊

劉慶玲

（廊坊師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，河北 廊坊 065000）

近年來，隨著信息科學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號處理作為一門新興交叉學(xué)科，在理論和應(yīng)用方面得到了不斷的發(fā)展與完善，在信息、電子、控制、生物醫(yī)學(xué)、軍事等眾多應(yīng)用領(lǐng)域中日趨重要.

“數(shù)字信號處理”課程作為信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，同時(shí)也是一門基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐結(jié)合緊密的課程，而且與信號和系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理、DSP原理與應(yīng)用等相關(guān)課程形成了一個(gè)信號類課程的有機(jī)整體［1］.近年來，在“數(shù)字信號處理”課程的教學(xué)中，如何實(shí)現(xiàn)在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論與工程算法的基礎(chǔ)上真正培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的基本技能及自主創(chuàng)新的意識，一直是教學(xué)過程中值得思考并有待解決的關(guān)鍵問題［2］.

1 “數(shù)字信號處理”課程轉(zhuǎn)變教學(xué)模式的必要性

“數(shù)字信號處理”課程以高等數(shù)學(xué)、概率統(tǒng)計(jì)、積分變換、信號與系統(tǒng)等課程為理論基礎(chǔ)，主要包括離散時(shí)間信號與系統(tǒng)的基本概念、離散時(shí)間信號與系統(tǒng)的時(shí)頻域分析以及數(shù)字濾波器的分析設(shè)計(jì)等內(nèi)容.盡管上述內(nèi)容所包括的基本理論與相關(guān)分析方法已相對成熟與穩(wěn)定，但是由于其理論性強(qiáng)，概念比較抽象，枯燥乏味，難以理解.在傳統(tǒng)的單調(diào)理論教學(xué)模式下，“數(shù)字信號處理”課程中大量的理論講授偏重于公式推導(dǎo)或理論證明，而忽視了其在工程中的物理本質(zhì)及其應(yīng)用，使學(xué)生倍感抽象枯燥難以理解，更加無法體會(huì)課程與工程實(shí)踐之間的內(nèi)在聯(lián)系，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題基本技能的最終目的［3－4］，探索合理科學(xué)的教學(xué)模式是從事該課程教學(xué)的教師一直關(guān)注的焦點(diǎn)問題.

Matlab是一個(gè)面向科學(xué)與工程的優(yōu)秀、高效的科學(xué)計(jì)算應(yīng)用軟件，是信息類以及眾多工科大學(xué)生不可缺少的實(shí)踐工具.借助Matlab的平臺(tái)優(yōu)勢能夠?qū)⒑芏喑橄?、枯燥的理論直觀的呈現(xiàn)給學(xué)生，彌補(bǔ)理論教學(xué)的不足［5－6］.基于此，筆者提出一種基于 Matlab平臺(tái)的“數(shù)字信號處理”課程的融合式教學(xué)新模式，將Matlab的優(yōu)勢融入教學(xué)全過程中，尋找理論教學(xué)與實(shí)踐的契合點(diǎn)，對于提高教學(xué)效果、培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)、分析與解決實(shí)際問題的基本技能起到事半功倍的效果.

2 基于Matlab的“數(shù)字信號處理”課程融合式教學(xué)新模式

2.1 理論教學(xué)與Matlab仿真相融合

“數(shù)字信號處理”包括離散時(shí)間信號與系統(tǒng)的時(shí)頻分析、數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計(jì)兩大部分內(nèi)容，其中時(shí)頻分析部分主要包括DTFT、DFT和FFT的變換分析，這部分內(nèi)容是“數(shù)字信號處理”課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，涉及的理論多而且抽象，單純的理論教學(xué)會(huì)使學(xué)生感到枯燥難懂，失去學(xué)習(xí)的興趣.在理論講授的同時(shí)，將Matlab仿真引入課堂，隨時(shí)演示重點(diǎn)和難點(diǎn)問題的仿真結(jié)果，可以幫助學(xué)生領(lǐng)會(huì)和深化課堂上學(xué)到的基本概念、基本原理以及基本的信號處理操作，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

以離散傅里葉變換為例，說明Matlab仿真與理論教學(xué)相融合的作用與效果.離散傅里葉變換（DFT）在“數(shù)字信號處理”課程中是理論性最為抽象難懂的一部分，各種信號對應(yīng)的傅里葉變換形式不同，對應(yīng)的頻譜性質(zhì)不同，最終需要實(shí)現(xiàn)時(shí)域、頻域均為離散并且有限長即引出離散傅里葉變換.在講述離散傅里葉變換在頻譜分析中的應(yīng)用這部分內(nèi)容時(shí)，提出了計(jì)算分辨率、物理分辨率的概念，以及如何真正提高信號頻譜的分辨率的問題，學(xué)生總是難以理解上述兩個(gè)分辨率之間的區(qū)別，進(jìn)而難以理解高密度頻譜與高分辨率頻譜的真正含義.

例：采用Matlab，對比對信號：不同的截短以及信號補(bǔ)零得到的頻譜.仿真結(jié)果如圖1所示.

圖1 對信號不同截短與補(bǔ)零得到的頻譜的對比分析Fig.1The signals spectrum contrast analysis of different truncated and zero－filled

圖1中的仿真結(jié)果很清楚的演示出來對信號補(bǔ)零只能得到高密度的頻譜，如圖（b）所示，并不能真正提高信號頻譜的分辨率，提高的只是計(jì)算分辨率；而增加信號的記錄長度如圖（c）、（d）所示，才能真正提高信號頻譜的分辨率，得到高分辨率的頻譜，提高的是信號的物理分辨率.上述仿真實(shí)例很清楚形象地表達(dá)了理論教學(xué)中難以理解的抽象概念，使學(xué)生能夠直觀看到實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，真正理解概念的含義以及概念之間的區(qū)別.Matlab仿真與理論教學(xué)相融合，使原本很抽象的問題變得清楚，易懂.同時(shí)在演示過程中，能夠增強(qiáng)教學(xué)過程中教師與學(xué)生之間的互動(dòng)，使學(xué)生由被動(dòng)變主動(dòng)，大大改善了教學(xué)效果.

2.2 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)相融合

針對“數(shù)字信號處理”課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，教學(xué)計(jì)劃中有12學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，用以完成相關(guān)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，對講授理論進(jìn)行驗(yàn)證.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括：DTFT、DFT、FFT的仿真分析、IIR與FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)、數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)及Simulink仿真等內(nèi)容.上述相關(guān)驗(yàn)證型基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)在Matlab仿真平臺(tái)與DBXH3數(shù)字信號處理試驗(yàn)箱上完成.

學(xué)生通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，具備了一定的動(dòng)手操作能力，同時(shí)對抽象難懂的理論有了更進(jìn)一步的理解，在此基礎(chǔ)上，引入綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié).具體操作：將學(xué)生分組，根據(jù)理論教學(xué)內(nèi)容將課程分成幾個(gè)模塊，針對本模塊的核心內(nèi)容，學(xué)生在總結(jié)歸納的基礎(chǔ)上自擬題目或由任課教師提供題目，由學(xué)生自行完成實(shí)驗(yàn)原理論證、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)施，綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)能夠鍛煉學(xué)生利用所學(xué)基本理論知識解決實(shí)際問題的基本技能，同時(shí)加深對基礎(chǔ)理論的深入理解，初步體會(huì)到了理論與實(shí)踐的結(jié)合，在提升理論教學(xué)效果與激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣方面起到了很重要的作用.列舉12級信息工程專業(yè)部分學(xué)生完成的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，如表1所示.

表1 綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)名稱匯總Tab.1 The names of Comprehensive design experiments

2.3 傳統(tǒng)作業(yè)模式與綜合探究型作業(yè)模式相融合

作業(yè)是檢查學(xué)生對知識掌握情況的一種手段和方式，布置課后習(xí)題的傳統(tǒng)作業(yè)模式存在著嚴(yán)重的“復(fù)制”問題，這便失去了作業(yè)的真正目的.如何真正利用好課后作業(yè)這一環(huán)節(jié)，既能發(fā)揮檢查學(xué)生學(xué)習(xí)效果的目的，同時(shí)還能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛能，實(shí)現(xiàn)對知識的內(nèi)化和創(chuàng)造性地運(yùn)用，是一個(gè)需要改變和解決的關(guān)鍵問題.

突破傳統(tǒng)的作業(yè)模式，引入綜合探究型作業(yè)模式，旨在改變傳統(tǒng)作業(yè)機(jī)械性訓(xùn)練的模式，在作業(yè)的內(nèi)容、形式、評估等方面有新的突破.綜合探究型作業(yè)模式分在兩個(gè)階段對學(xué)生進(jìn)行布置：一是在課程講授之前，學(xué)生的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié).根據(jù)本章節(jié)將要講授的內(nèi)容布置一些思考型問題，同時(shí)注重與前一章知識之間的銜接，讓學(xué)生借助Matlab仿真，看到理論的實(shí)現(xiàn)結(jié)果，有了初步的感性認(rèn)識.學(xué)生通過完成作業(yè)，使得預(yù)習(xí)變得主動(dòng)、有方向，同時(shí)能夠領(lǐng)會(huì)知識點(diǎn)之間的銜接性與系統(tǒng)性，在課堂講授中，能夠把學(xué)生引導(dǎo)進(jìn)來，使得教學(xué)更加主動(dòng)，課堂氣氛更加活躍；二是某一個(gè)章節(jié)結(jié)束后，學(xué)生的歸納總結(jié)環(huán)節(jié).一個(gè)章節(jié)的教學(xué)結(jié)束，并不是探尋知識的終點(diǎn)，教師通過巧妙地點(diǎn)撥引導(dǎo)他們由此及彼地拓展延伸，涉獵更廣闊的專業(yè)領(lǐng)域，尋找理論與實(shí)踐的切合點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合當(dāng)今數(shù)字信號處理中的前沿課題，讓學(xué)生自主去選擇一些他們感興趣的課題組成興趣小組，使學(xué)生能夠積極主動(dòng)地參與到相關(guān)的課題實(shí)踐中，更好的關(guān)注相關(guān)領(lǐng)域的前沿動(dòng)態(tài).

探究型作業(yè)模式，教師可設(shè)置成階梯形，來滿足不同層次學(xué)生的需求，能更多地融入學(xué)生的自主性和鮮明的個(gè)性，給學(xué)生選擇、探究、體驗(yàn)的空間，注重學(xué)生主體作用的發(fā)揮，尊重學(xué)生的個(gè)別差異，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力.

3 結(jié)語

“數(shù)字信號處理”是信息類專業(yè)一門很重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，而且涉及眾多的應(yīng)用領(lǐng)域.在傳統(tǒng)教學(xué)模式基礎(chǔ)上，針對該課程理論抽象難懂而且實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，提出了基于Matlab的融合式教學(xué)新模式，在課前、課中、課后將Matlab引入“數(shù)字信號處理”課程的教學(xué)中，使得理論教學(xué)不再單調(diào)枯燥，綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對知識的深度和廣度得到了不同程度的拓展，增強(qiáng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.融合式教學(xué)新模式充分體現(xiàn)了Matlab在教學(xué)各環(huán)節(jié)中不可缺少的輔助作用，對傳統(tǒng)教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新提供了新的思路.

［1］王艷芬，張劍英，張曉光，等.信號處理課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（4）：132－134.

［2］張安清，林洪文，陳洪泉.《數(shù)字信號處理》課程教學(xué)改革與方法研究［J］.高等教育研究學(xué)報(bào)，2013，36（4）：113－115.

［3］郭建濤.“數(shù)字信號處理”課程的 Matlab教學(xué)研究［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（3）：117－119.

［4］王艷芬，張曉光，李劍.加強(qiáng)Matlab實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)促進(jìn)研究性課程教學(xué)改革［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27（11）：111－113.

［5］朱金秀，張卓，朱昌平.數(shù)字信號處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27（5）：96－98.

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