以應(yīng)用為牽引的數(shù)字信號(hào)處理課程改革與實(shí)踐

劉寧波++宋杰++簡(jiǎn)濤++何友++王國(guó)宏

摘 要：數(shù)字信號(hào)處理課程理論性強(qiáng)，涉及的概念抽象、公式多、推導(dǎo)多，日常學(xué)習(xí)容易感覺(jué)枯燥乏味，且難以與實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系。對(duì)于此，應(yīng)完善課程之間的銜接關(guān)系，優(yōu)選教學(xué)內(nèi)容，用系統(tǒng)的觀念對(duì)待數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)，并注重結(jié)合實(shí)際問(wèn)題形象化教學(xué)手段，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)工程思維，面向?qū)嶋H應(yīng)用培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理 教學(xué)改革 應(yīng)用牽引 改革與實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（b）-0207-02

近幾十年來(lái)，“數(shù)字信號(hào)處理”在數(shù)字媒體、數(shù)字電視、儀器儀表、無(wú)線電通信、自動(dòng)控制、語(yǔ)音圖像處理、生物醫(yī)學(xué)、雷達(dá)信號(hào)處理等多個(gè)領(lǐng)域中，都具有深遠(yuǎn)的影響。它是高等院校中通信、計(jì)算機(jī)、電子信息工程等專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課。該課程不僅可以培養(yǎng)大學(xué)生的邏輯思維及邏輯推理，而且還可以培養(yǎng)大學(xué)生利用基本的理論知識(shí)解決實(shí)際的問(wèn)題。作為一門基礎(chǔ)性學(xué)科，數(shù)字信號(hào)處理的理論性和實(shí)用性都較強(qiáng)，而且涉及面較廣。該課程在內(nèi)容上涉及了高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)等多門學(xué)科的內(nèi)容，是一門側(cè)重理論但同時(shí)有與實(shí)踐密切聯(lián)系的學(xué)科。

這門課有很多的理論都是經(jīng)過(guò)復(fù)雜推導(dǎo)和數(shù)學(xué)運(yùn)算得到的。因此若是在繁瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算上花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，就會(huì)忽略在信號(hào)處理時(shí)對(duì)理論結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用，從而導(dǎo)致教學(xué)過(guò)程脫離實(shí)際，而變得抽象、枯燥，使教學(xué)模式死板。另外，還會(huì)導(dǎo)致在授課過(guò)程中，缺乏對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理結(jié)果的直觀認(rèn)識(shí)。例如：在濾波器的設(shè)計(jì)中，學(xué)生大多數(shù)都只看到一些理論的推導(dǎo)和大量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，卻無(wú)法看到結(jié)果的直觀演示。這些問(wèn)題都對(duì)學(xué)生理解所學(xué)知識(shí)有嚴(yán)重的影響。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，針對(duì)以往數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中存在的不足，尤其是針對(duì)應(yīng)用性較強(qiáng)的工科院校時(shí)，我們需要把“積極發(fā)展，規(guī)范管理，改革創(chuàng)新”作為指導(dǎo)思想[1]進(jìn)行應(yīng)用型教學(xué)探討和改革，培養(yǎng)學(xué)生以自我為中心，掌握學(xué)習(xí)方法，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣和應(yīng)用知識(shí)的能力，提高自我學(xué)習(xí)能力和綜合學(xué)習(xí)素養(yǎng)。

1 銜接相關(guān)課程，優(yōu)選教學(xué)內(nèi)容

數(shù)字信號(hào)處理理論性強(qiáng)、概念抽象、公式推導(dǎo)多，因此學(xué)習(xí)過(guò)程就變的枯燥乏味。為了讓學(xué)生能夠在有限的學(xué)時(shí)中對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的基本知識(shí)點(diǎn)有更好的理解和掌握，我們不只是需要對(duì)授課內(nèi)容有一個(gè)更精心的選擇和安排，還需要重點(diǎn)的講授該課程中的基本概念、關(guān)鍵的結(jié)論和物理涵義，并與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，多以實(shí)例形象講解，而不是只進(jìn)行大量的公式推導(dǎo)。另外，還需要注意課程各知識(shí)點(diǎn)之間、課程與課程之間、各個(gè)專業(yè)之間所存在的交叉和滲透。如，“信號(hào)與系統(tǒng)”是數(shù)字信號(hào)處理的先修課程，該課程中大量存在離散信號(hào)與系統(tǒng)的內(nèi)容。那么，在制定數(shù)字信號(hào)處理課的教學(xué)內(nèi)容時(shí)，即要避免與“信號(hào)與系統(tǒng)”課內(nèi)容的大量重復(fù)，又要避免課程的不完整，那么可以壓縮與“信號(hào)與系統(tǒng)”相重復(fù)的內(nèi)容。可以先簡(jiǎn)單的復(fù)習(xí)一下第一章離散信號(hào)與系統(tǒng)理論，然后再討論數(shù)字信號(hào)處理中存在的具體問(wèn)題。

另外，為了讓學(xué)生把所學(xué)的知識(shí)更好的系統(tǒng)化，還需要鋪墊好后續(xù)課程[2]。例如：“帕塞瓦爾定理”與能量守恒原理相呼應(yīng)，并且是現(xiàn)代信號(hào)處理中功率譜估計(jì)的基礎(chǔ)；線性系統(tǒng)中有一重要運(yùn)算方式—“卷積”，而“自相關(guān)/互相關(guān)”是雷達(dá)信號(hào)處理中信號(hào)分離的基礎(chǔ)；“離散Fourier變換（DFT）”則是時(shí)頻信號(hào)分析或窄帶信號(hào)分析的基礎(chǔ)。這些內(nèi)容的良好掌握可以為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及畢業(yè)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，還可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)融會(huì)貫通，從而形成發(fā)散性的思維，用辯證發(fā)展的觀點(diǎn)來(lái)理解所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生開(kāi)發(fā)探索的能力。因此，加強(qiáng)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，優(yōu)選課程的相關(guān)內(nèi)容，兼顧學(xué)生之前的課程學(xué)習(xí)和未來(lái)的課程安排，做好課程內(nèi)容之間的銜接，提高學(xué)習(xí)的效率。

2 結(jié)合實(shí)際問(wèn)題使教學(xué)手段形象化

學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課中很多抽象的概念和公式不容易理解。因此，教學(xué)手段的形象化，可以使學(xué)生更感性和直觀地體會(huì)概念、公式及其原理的意義，更全面透徹地理解所學(xué)內(nèi)容。教學(xué)手段的形象化主要分為下面兩個(gè)方面。

第一，結(jié)合含義學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)公式。數(shù)字信號(hào)處理課程中許多概念是用數(shù)學(xué)公式來(lái)描述的，其推導(dǎo)過(guò)程也比較復(fù)雜，涉及數(shù)學(xué)符號(hào)多，學(xué)生容易僅針對(duì)符號(hào)來(lái)推導(dǎo)符號(hào)，容易忘記數(shù)學(xué)符號(hào)和公式背后的含義[3]。從而，在教學(xué)過(guò)程中，不僅要訓(xùn)練學(xué)生用口語(yǔ)表述數(shù)學(xué)公式，而且要著重理解公式所表示的物理含義，促進(jìn)學(xué)生緊密結(jié)合實(shí)際應(yīng)用開(kāi)展學(xué)習(xí)。

第二，在課堂教學(xué)中，大量使用仿真軟件展示結(jié)論或結(jié)果。MATLAB是數(shù)字信號(hào)處理課程中的常用的教學(xué)仿真軟件，配有功能非常全面的ToolBox，能輕松完成數(shù)字信號(hào)的分析和復(fù)雜處理，如：可以設(shè)計(jì)濾波器并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、顯示DFT結(jié)果的幅度譜、計(jì)算離散卷積等，也可以形成教學(xué)所用的多媒體素材。還可用MATLAB仿真某些抽象的公式和概念[4，5]，利用圖形形象化的說(shuō)明這些定理和概念，既生動(dòng)形象，又調(diào)動(dòng)了學(xué)生的興趣。此外，讓學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，提高其探索精神和動(dòng)手能力；結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)課題，使學(xué)生主動(dòng)地探索和研究，把學(xué)生按小組劃分，通過(guò)組內(nèi)協(xié)作和組間競(jìng)爭(zhēng)的方式，讓學(xué)生在團(tuán)結(jié)合作中完成一個(gè)實(shí)際題目，增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和創(chuàng)新意識(shí)。

3 培養(yǎng)工程思維，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

工科院校的學(xué)生即需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還需要培養(yǎng)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。從而，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)不斷加強(qiáng)，培養(yǎng)學(xué)生將知識(shí)應(yīng)用于工程的能力。應(yīng)根據(jù)信號(hào)類專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的相關(guān)聯(lián)性，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)和編排，既兼顧到前課程—“信號(hào)與系統(tǒng)”中各實(shí)驗(yàn)間的聯(lián)系，還要為后續(xù)課程—“DSP原理與應(yīng)用”打下基礎(chǔ)，即將本科四年的課程學(xué)習(xí)看成一個(gè)系統(tǒng)，“數(shù)字信號(hào)處理”課程實(shí)驗(yàn)作為其中承上啟下的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)存在，應(yīng)達(dá)到加深之前知識(shí)的理解和鋪墊后續(xù)將要學(xué)習(xí)知識(shí)的目的?；诖?，把初步了解和學(xué)習(xí)DSP的軟件環(huán)境CCS（Code Composer Studio）加入到了“數(shù)字信號(hào)處理”的MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)中，并將實(shí)驗(yàn)課程劃分成兩個(gè)層次，即基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和進(jìn)階性實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)主要包括常見(jiàn)離散型號(hào)的產(chǎn)生和實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)、FFT算法的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、無(wú)限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等，使用工具主要為Matlab編程環(huán)境，主要目的是重現(xiàn)課本上的概念、定理等，加深學(xué)生理解，為后續(xù)的進(jìn)階性實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)；進(jìn)階性實(shí)驗(yàn)主要是面向工程應(yīng)用和實(shí)際問(wèn)題的設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，如：Code Composer Studio的入門實(shí)驗(yàn)、音頻信號(hào)發(fā)生實(shí)驗(yàn)、特定波形的信號(hào)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)等，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中注意結(jié)合常見(jiàn)錯(cuò)誤設(shè)計(jì)相應(yīng)的問(wèn)題，讓學(xué)生自主解決，老師在這一過(guò)程中僅起到指引解決問(wèn)題方向的作用，不給出具體的解決方案和步驟，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立解決工程問(wèn)題的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字信號(hào)處理課程不僅是電氣信息類專業(yè)一門極為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)其它電子類專業(yè)課程也起到一個(gè)連接的作用；在學(xué)習(xí)過(guò)程中，既要掌握基礎(chǔ)的理論，還要掌握專業(yè)的技術(shù)。從而，在廣泛應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的未來(lái)，才具有解決實(shí)際問(wèn)題的能力。對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理課程所具有的特點(diǎn)，以應(yīng)用為牽引進(jìn)行教學(xué)改革，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程的興趣，在老師的方向性指導(dǎo)下，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 周濟(jì).促進(jìn)高校獨(dú)立學(xué)院持續(xù)健康快速發(fā)展[J].教育發(fā)展研究，2003，23（8）：7-11.

[2] 鄭旭媛，田心.“數(shù)字信號(hào)處理”課程研究型教學(xué)改革與實(shí)踐[J].西北醫(yī)學(xué)教育，2007，15（3）：513-514.

[3] 張安清，林洪文，陳洪泉.《數(shù)字信號(hào)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.

[4] 郭建濤.“數(shù)字信號(hào)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-l19.

[5] 王冬霞，李波，孫福明，等.應(yīng)用型本科院?！稊?shù)字信號(hào)處理》的教學(xué)改革與探索[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2010，12（6）：112-113.endprint