“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)方法探討

舒小華　賀正蕓　易吉良　呂道軒

【摘要】“數(shù)字信號處理”課程是電子信息類專業(yè)非常重要的課程，但它理論性強(qiáng)、抽象、公式多，理解和掌握起來有一定難度，導(dǎo)致學(xué)生厭學(xué)、怕學(xué)的情緒。為了培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，適應(yīng)素質(zhì)教育，針對“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)內(nèi)容、實踐教學(xué)和課堂教學(xué)模式進(jìn)行了改革，從教學(xué)方法、教學(xué)手段方面進(jìn)行改革。結(jié)果表明，學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情得到了提高，取得了較好的效果。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號處理 教學(xué)改革 學(xué)習(xí)興趣 探索性實驗

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）06-0023-02

“數(shù)字信號處理”課程是電子類學(xué)科和專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及知識面廣泛，如信號與系統(tǒng)、信號處理、通信等，課程內(nèi)容抽象，理論性強(qiáng)，概念多，學(xué)習(xí)難度較大，加上先修課程的學(xué)習(xí)的好壞也影響到本課程的學(xué)習(xí)。這些因素導(dǎo)致學(xué)生難以在有限的教學(xué)時間內(nèi)掌握好本門課程的內(nèi)容，學(xué)習(xí)的畏難情緒增加，學(xué)習(xí)效果隨之下降，導(dǎo)致逐漸喪失學(xué)習(xí)信心和學(xué)習(xí)熱情[2]。如何培養(yǎng)并保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性是數(shù)字信號處理課程教學(xué)中需要面對的一個重要問題。因此對傳統(tǒng)的教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)，采用多種教學(xué)方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的教學(xué)效果。

一、多種教學(xué)手段結(jié)合激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式采用黑板板書方式，其優(yōu)點(diǎn)是師生互動直接，可以自由控制時間，學(xué)生在老師板書的過程中有足夠的時間理解和思考，跟進(jìn)老師思路的壓力較小，適合公式推導(dǎo)、例題講解等內(nèi)容的教學(xué)。但是板書方式形式單調(diào)，不適合對抽象的概念和復(fù)雜的過程的講解，而且，數(shù)字信號處理課程本來每堂課內(nèi)容多，全采用板書講授方式將很難完成教學(xué)任務(wù)，加快速度則有些重要難以講到，久之影響教學(xué)效果。同時，本課程涉及信號流圖（如FFT流程圖等）、濾波器設(shè)計內(nèi)容中的頻譜圖及設(shè)計的結(jié)果，如果板書出來將占用珍貴的課堂時間。因此僅用黑板板書的方式顯然并不合適。投影教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)是形象生動，尤其是有的復(fù)雜過程可采用動畫形式展現(xiàn)，學(xué)生容易理解，且傳遞的信息量豐富。但長久的盯著亮的屏幕容易造成視覺疲勞，快速的翻頁也會造成部分學(xué)生跟不上進(jìn)度，一堂課下來感覺很累。因此，在課堂教學(xué)中，宜采用板書、多媒體教學(xué)相結(jié)合的授課方式，充分發(fā)揮各自教學(xué)方式的優(yōu)點(diǎn)。公式推導(dǎo)、例題講解等可采用板書方式，抽象的概念和理論、復(fù)雜的處理過程等則采用MATLAB仿真進(jìn)行演示或采用動畫形式展現(xiàn)。多媒體課件宜做得精煉，防止出現(xiàn)大幅的內(nèi)容敘述。由于抽象概念的形象解釋有助于學(xué)生的理解，學(xué)習(xí)興趣也隨之提高。比如在講解長信號的線性卷積時，牽涉到重疊相加法、重疊保留法兩種方法，可采用板書和投影教學(xué)相結(jié)合的方式進(jìn)行講解。先提出問題：兩個長度相當(dāng)?shù)男盘柕木€性卷積可以利用FFT進(jìn)行快速卷積，但若一個信號很長甚至是無限長時如何實現(xiàn)快速卷積？讓學(xué)生進(jìn)行討論。再使用板書方式推導(dǎo)出長信號的分段卷積式，對分段卷積結(jié)果如何處理則采用MATLAB仿真來演示和驗證這一過程。通過MATLAB仿真，長信號的快速卷積就形象的展現(xiàn)出來，學(xué)生易于理解了，枯燥的定義和概念也變得生動起來，原本復(fù)雜的過程變得簡單而容易接受，有利于知識的理解和掌握，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

二、改進(jìn)教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

“數(shù)字信號處理”理論知識多，學(xué)習(xí)起來枯燥。但是，如果學(xué)生認(rèn)識到所學(xué)的知識有用會激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。因此，應(yīng)加大應(yīng)用性內(nèi)容的教學(xué)，讓學(xué)生參與到相關(guān)的實踐活動中有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

1.課程設(shè)計提升學(xué)習(xí)興趣

課程設(shè)計是綜合性實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，完成課程設(shè)計需要綜合應(yīng)用所學(xué)知識，包括查閱資料、方案設(shè)計、方案實施、結(jié)果分析、方案改進(jìn)等。實施計劃過程中遇到的困難和障礙構(gòu)成了學(xué)生渴望以挑戰(zhàn)的問題，正是這些問題激勵學(xué)生積極思考并尋找解決問題的辦法，在此過程中學(xué)習(xí)的積極性得以充分發(fā)揮。一般而言，學(xué)生在接到課程設(shè)計的任務(wù)后，需要對設(shè)計課題進(jìn)行分析，確定完成此設(shè)計需要用到的知識，這些知識可能是已經(jīng)學(xué)習(xí)過的，也有未學(xué)習(xí)過的。學(xué)生通過查閱相關(guān)資料后，綜合所學(xué)的知識、技能，明確需解決的問題和達(dá)到的目標(biāo)，并形成解決問題的技術(shù)方法。

比如在FFT的教學(xué)中，給定課程設(shè)計要求“語音信號的頻譜分析”，要求綜合運(yùn)用數(shù)字信號處理的理論知識對語音信號進(jìn)行頻譜分析并對語音信號進(jìn)行處理。在此課程設(shè)計中，要求學(xué)生掌握Windows 環(huán)境下語音信號采集方法，掌握用 MATLAB對信號進(jìn)行分析和處理的編程方法，設(shè)計算法和應(yīng)用程序，對結(jié)果進(jìn)行分析，撰寫總結(jié)和報告等。學(xué)生通過理論推導(dǎo)得出相應(yīng)結(jié)論，利用MATLAB作為編程工具實現(xiàn)語音信號的譜分析和濾波。在設(shè)計的完成過程中互相交流學(xué)習(xí)心得，共同探討出現(xiàn)的新問題，培養(yǎng)獲取知識與解決問題的能力。與此同時，學(xué)習(xí)過程中獲得的成就感激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)熱情，并培養(yǎng)了勇于探索開拓進(jìn)取的學(xué)習(xí)精神。

在教學(xué)中，課程設(shè)計的題目可以由教師指定，由學(xué)生選擇，如語音信號卷積的實現(xiàn)、圖像信號的濾波等；也可以在教師指導(dǎo)下學(xué)生自己選擇。學(xué)生通過參與數(shù)字信號處理的課程設(shè)計，加深了對“數(shù)字信號處理”理論的理解，提高了學(xué)習(xí)的熱情，鞏固了學(xué)生數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)知識，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣。

2.探索性實驗激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

探索性實驗是指人們從事開創(chuàng)性的研究工作時，為探尋未知事物或現(xiàn)象的性質(zhì)以及規(guī)律所進(jìn)行的實踐活動。它對培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力、探索精神以及良好的學(xué)習(xí)方法具有重要意義。

目前數(shù)字信號處理課程配備的實驗大多是驗證性實驗，旨在對所學(xué)知識進(jìn)行驗證，如快速傅里葉變換（FFT）、RIR濾波器設(shè)計、IIR濾波器設(shè)計等，學(xué)生只是使用MATLAB 對教材或?qū)嶒炛笇?dǎo)書上的實驗進(jìn)行驗證，對實驗結(jié)論也是驗證與所學(xué)的知識是否一致，遇到不一致的往往知其然不知其所以然，難以結(jié)合教材內(nèi)容進(jìn)行深入分析。實驗過程中遇到的問題也很難獨(dú)立思考和解決。因此，實驗設(shè)計僅讓學(xué)生懂得實驗的基本過程及僅僅驗證教材上的內(nèi)容是不夠的，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的分析和思考問題能力。探索性實驗將使得學(xué)生在實驗過程中通過自己的觀察、思考得出結(jié)論，不僅能啟迪思維，培養(yǎng)科學(xué)精神和創(chuàng)新能力，更能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。探索性實驗內(nèi)容可由教師提出，學(xué)生依據(jù)實驗課題內(nèi)容查閱資料，設(shè)計實驗方案，最終完成實驗并撰寫實驗報告。如卷積在信號去噪處理中的應(yīng)用，就可以采用高斯模板對被污染的圖像進(jìn)行卷積以去除噪聲（二維卷積），或?qū)σ欢伪辉肼曃廴镜母枨M(jìn)行卷積運(yùn)算去除噪聲（一維卷積）。通過探索性實驗的開展，改變了傳統(tǒng)實驗的單調(diào)性，調(diào)動了學(xué)生的主動性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。將驗證性實驗與探索性相結(jié)合，不僅有助于知識的掌握和能力的培養(yǎng)，還培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣具有積極意義。

3.建立有利于激發(fā)學(xué)習(xí)熱情的考核方法

作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生很在乎自己學(xué)習(xí)成績，設(shè)計一套好的評價考核方法能最大限度的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。為全面考查學(xué)生課堂學(xué)習(xí)、課外學(xué)習(xí)、課程設(shè)計及探索性實驗效果，需設(shè)計閉卷考試、實驗考核、課程設(shè)計考核及平時綜合考核的全面考核方式。閉卷考試主要考核基本概念、基本原理等理論知識，實驗考核主要考查學(xué)生的實驗技能及分析和解決問題的能力；課程設(shè)計考核主要考察獲取知識與解決問題的能力，同時鼓勵學(xué)生依據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容撰寫小論文，并建立相應(yīng)的加分制度。

三、結(jié)語

“數(shù)字信號處理”的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，公式多，比較枯燥難學(xué)，學(xué)生容易提不起興趣。興趣是最好的老師，是構(gòu)成學(xué)習(xí)心理的最活躍的因素。為了達(dá)到較好的教學(xué)效果，教學(xué)實踐中，我們改進(jìn)傳統(tǒng)的教學(xué)方法，在課堂教學(xué)中采用多種教學(xué)手段結(jié)合激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，并從課程設(shè)計、探索性實驗及建立有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的考核方法幾個方面著手， 激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，促進(jìn)學(xué)生以研究的態(tài)度進(jìn)行學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中獲得的成就感激發(fā)了學(xué)生求知欲和學(xué)習(xí)興趣，這些措施的實施取得了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]程佩青.數(shù)字信號處理教程（第三版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[2]任淑萍，王欣峰.“數(shù)字信號處理”的優(yōu)化教學(xué)研究[J].電力學(xué)報，2008，23（3）：255-257.

[3]劉永紅，王娜，劉琚.“數(shù)字信號處理”課程學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2014，36（2）：9-11.

[4]馬永奎，高玉龍，張佳巖，張中兆.“數(shù)字信號處理”課程設(shè)計導(dǎo)向型教學(xué)初探[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012，34（4）：96-97.

[5]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，2010，32（3）：117-119.

[6]胡居榮，曹寧.基于MATLAB的數(shù)字信號處理研究型教學(xué)的探索[J].中國電力教育，2008（121）：67-69.

[7] 王秋生，袁海文.《數(shù)字信號處理》課程的分層實驗教學(xué)方法[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報（社科版），2011，，24（5）：109-112.

基金項目：湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃資助項目（湘教通[2014]248號314）。