“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”一體化教學(xué)探索*

任國鳳，南素華，孫 穎

(1.忻州師范學(xué)院 電子系，山西 忻州 034000；2.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”一體化教學(xué)探索*

任國鳳1,2，南素華1，孫 穎2

(1.忻州師范學(xué)院 電子系，山西 忻州 034000；2.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

隨著信號處理理論的迅猛發(fā)展及信號處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的信號處理類課程教學(xué)方法已無法滿足培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力及創(chuàng)新思維的要求.本文通過將“信號與系統(tǒng)”及“數(shù)字信號處理”課程的知識點進(jìn)行梳理，結(jié)合實踐要求，重新整合教學(xué)內(nèi)容，從而實現(xiàn)兩門課程的一體化教學(xué)，進(jìn)而構(gòu)建信號處理課程群，全面提高教學(xué)效果.

數(shù)字信號處理；信號與系統(tǒng)； 一體化教學(xué)

隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，數(shù)字信號處理理論及其實現(xiàn)方法成為重要研究內(nèi)容，并被廣泛應(yīng)用于語音處理、圖像處理、模式識別、自動控制等領(lǐng)域[1].在工科專業(yè)中，“數(shù)字信號處理”和“信號與系統(tǒng)”課程作為電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)課程，上承“高等數(shù)學(xué)”、“工程數(shù)學(xué)”等通識類基礎(chǔ)課，下接“語音信號處理”、“圖像信號處理”等課程，在學(xué)生的整個專業(yè)學(xué)習(xí)中起著相當(dāng)重要的作用.

這兩門課程均以“工程數(shù)學(xué)”為理論基礎(chǔ)，理論知識點相互銜接非常緊密，并且具有實踐性強(qiáng)等特點.因而，將兩門課程獨立進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化及教學(xué)方法的改革都是不切合實際的.不但浪費時間，而且還淡化了課程特點，造成學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下、動手實踐及創(chuàng)新能力弱等后果[2].另外，隨著現(xiàn)今教學(xué)方法研究及課堂教學(xué)改革的逐漸推進(jìn)，上述課程間的銜接矛盾就顯得尤為突出.為此，筆者本著寬專業(yè)、厚基礎(chǔ)、高素質(zhì)的培養(yǎng)目標(biāo)，為了達(dá)到少學(xué)時重能力的教學(xué)要求，提出了對“數(shù)字信號處理”和“信號與系統(tǒng)”兩門課程進(jìn)行一體化教學(xué)研究.1 “信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”課程分析

“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”是電子信息類專業(yè)非常重要的課程，學(xué)生對這兩門課程的掌握和理解對他們進(jìn)一步學(xué)習(xí)專業(yè)知識和培養(yǎng)專業(yè)素養(yǎng)有著非常重要的意義.

1.1 兩門課程的教學(xué)內(nèi)容分析

“信號與系統(tǒng)”的研究內(nèi)容為時域信號及時域系統(tǒng)的理論及分析方法，采用各種分析方法并重的內(nèi)容安排與講授體系.但該課程比較重視信號處理基本概念及原理的介紹，這樣為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下專業(yè)基礎(chǔ)[3].

“數(shù)字信號處理”課程主要研究離散信號處理的基本原理、方法和實現(xiàn).該課程隨著數(shù)字電子技術(shù)及DSP的發(fā)展而壯大.在內(nèi)容安排上，該課程側(cè)重于信號處理的原理分析，對DSP器件、相關(guān)軟件和工程實際的介紹相對不足.雖然近幾年出版的教材也增加了相應(yīng)部分的內(nèi)容，但受到學(xué)時的限制，很難系統(tǒng)地介紹相關(guān)內(nèi)容，這就造成學(xué)生理論和實踐的嚴(yán)重脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生創(chuàng)新能力不足.

1.2 兩門課程的關(guān)聯(lián)性分析

“信號與系統(tǒng)”是“數(shù)字信號處理”的基礎(chǔ)，這兩門課程的教學(xué)內(nèi)容有著密不可分的關(guān)系，但二者的教學(xué)內(nèi)容又互有側(cè)重，并且各成體系.從而在教學(xué)中存在著授課內(nèi)容重復(fù)、課程銜接不合理、課程間的系統(tǒng)性和連貫性不強(qiáng)等問題，并且會出現(xiàn)部分重要內(nèi)容被忽略掉的情況.這種用重復(fù)學(xué)時來學(xué)習(xí)相同內(nèi)容的做法無法適應(yīng)目前課程教學(xué)改革和課時壓縮的需要，這一問題隨著教學(xué)改革的深入顯得尤為突出.

2 相關(guān)課程一體化的理論依據(jù)

“工學(xué)一體化”教學(xué)作為現(xiàn)代工科教育的重要特征已經(jīng)被人們普遍認(rèn)識.為了滿足技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展對高技能人才的要求、適應(yīng)學(xué)習(xí)者個性和職業(yè)發(fā)展需要、最大限度地實現(xiàn)有效的職業(yè)學(xué)習(xí)、積極探索科學(xué)的、符合國情實際的新型課程模式是非常必要的.

2.1 傳統(tǒng)一體化定義

一體化課程是將理論教學(xué)和實踐學(xué)習(xí)結(jié)合成一體的課程[4].其特點在于不僅要有崗位能力，而且還應(yīng)當(dāng)具備綜合職業(yè)能力，即除專業(yè)能力外，還應(yīng)具有諸如解決問題、與人交流等核心能力.

2.2 結(jié)合課程特征的一體化教學(xué)

傳統(tǒng)的一體化教學(xué)強(qiáng)調(diào)理論與實踐相結(jié)合，但是由于部分相關(guān)課程的知識體系無法分割開來，這類課程的知識點銜接緊密、實踐能力培養(yǎng)互為依托.因而，在對這類課程進(jìn)行理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)研究時，很難將某一門課程孤立開來進(jìn)行教學(xué)研究及改革，這樣只會加大學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)、降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、無法達(dá)到精簡學(xué)時、提高教學(xué)效果的教學(xué)目標(biāo).

因此，本文提出了基于課程特征、相關(guān)課程互為依托的一體化教學(xué)方法.這種方法要求全面整合相關(guān)課程知識點，從理論與實踐兩個方面交叉融合進(jìn)行知識點的教學(xué)及實踐，從而全面提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，最終實現(xiàn)提高學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)及培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的雙重目標(biāo).

3 一體化教學(xué)的探索

在“信號與系統(tǒng)”及“數(shù)字信號處理”的一體化教學(xué)中，突出強(qiáng)調(diào)兩門課程內(nèi)容的合理銜接及理論與實踐密不可分這兩個特點，筆者就此提出如下措施：

3.1 適當(dāng)調(diào)整教學(xué)大綱，靈活分配教學(xué)學(xué)時

現(xiàn)有大部分“信號與系統(tǒng)”教材中，連續(xù)信號與離散信號的時域分析、頻域分析及各種變換均有涉及且不分繁簡，這就要求教師在教學(xué)過程中進(jìn)行合理取舍.筆者在教學(xué)中突出研究連續(xù)信號的相關(guān)內(nèi)容，力求學(xué)生從理論上掌握信號處理的基本理論，而將離散信號的分析及處理壓縮到“數(shù)字信號處理”課程中進(jìn)行研究.

按照我校現(xiàn)行教學(xué)計劃，“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”理論教學(xué)分別為68學(xué)時和51學(xué)時，實驗教學(xué)均為15學(xué)時.筆者所在項目組將“信號與系統(tǒng)”的學(xué)時進(jìn)行合理劃分，前40學(xué)時重點講授連續(xù)信號分析及變換，后28學(xué)時將所學(xué)內(nèi)容結(jié)合“通信原理”相關(guān)知識以項目的方式進(jìn)行處理，從而夯實基礎(chǔ)知識.同時，將“數(shù)字信號處理”理論學(xué)時著重講授離散信號的分析及變換.而兩門課程的實驗學(xué)時分解為10個左右實驗項目，用來強(qiáng)化所學(xué)知識.3.2 教學(xué)過程以學(xué)生為核心，教師圍繞學(xué)生設(shè)計教學(xué)

在教學(xué)過程中，始終應(yīng)以學(xué)生為中心，通過階段測驗及實驗教學(xué)等手段反饋學(xué)生學(xué)習(xí)效果，從而使教師能及時了解學(xué)生對于知識點的把握情況，可以圍繞學(xué)生的學(xué)習(xí)能力及實踐創(chuàng)新能力開展教學(xué)工作[5].筆者所在項目組利用“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”開展課堂教學(xué)改革的契機(jī)，在學(xué)期過三分之一時通過理論課單元測驗(采取理論運算及證明題的形式考查理論知識點)了解學(xué)生對于已學(xué)知識的掌握情況；在學(xué)期后半段開設(shè)“離散傅里葉變換”、“模擬濾波器”及“FIR濾波器”等實驗項目，從而第一時間掌握學(xué)生對所學(xué)知識的接受程度；在學(xué)期末，向?qū)W生開展問卷調(diào)查，比較全面地了解學(xué)生對課堂教學(xué)的反饋情況.同時，根據(jù)學(xué)生反饋及時調(diào)整教學(xué)方法，靈活采用研究性教學(xué)法、項目式教學(xué)法及傳統(tǒng)教學(xué)法等不同手段來提高教學(xué)質(zhì)量.

3.3 多種實踐方法交叉采用，合理劃分實踐項目

在“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”的理論教學(xué)中，采用MATLAB軟件仿真時域信號及頻域信號的分析方法[6]，利用System View軟件搭建信號處理的理論框架.在實踐環(huán)節(jié)，利用TMS320系列DSP實驗系統(tǒng)及1C12SOPC實驗系統(tǒng)開展軟硬件相互結(jié)合、橫跨DSP及EDA兩種實踐理論的實驗教學(xué).實踐項目的劃分力爭由小及大、由簡入難，從而在有限的實驗學(xué)時下培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手及創(chuàng)新能力.

傅里葉變換是信號處理中非常有代表性的知識點.在“信號與系統(tǒng)”實驗中，采用MATLAB軟件仿真傅里葉變換，而在后續(xù)“數(shù)字信號處理”實驗中，采用CCS3.3軟件結(jié)合DSP實驗箱實現(xiàn)離散傅里葉變換的軟硬件結(jié)合的設(shè)計.同時，利用學(xué)生全程實踐的課外時間將快速傅里葉變換算法在1C12SOPC實驗平臺上加以實現(xiàn).這樣，從多角度實現(xiàn)傅里葉變換的設(shè)計及實現(xiàn)，既能夯實學(xué)生所學(xué)理論知識，又能培養(yǎng)學(xué)生實踐能力及多種方法融會貫通的思想.由于不同方法的實現(xiàn)思路相近，所以本文僅以CCS3.3實現(xiàn)的離散傅立葉變換為例進(jìn)行闡述.其算法流程如圖1所示，實驗結(jié)果如圖2所示.

3.4 一體化教學(xué)逐步實施，層層深入

“信號與系統(tǒng)”及“數(shù)字信號處理”是電子專業(yè)很重要且學(xué)時較多的兩門課程，知識點較多，對學(xué)生的專業(yè)能力培養(yǎng)至關(guān)重要.因而，上述課程的教學(xué)改革不能一蹴而就，需要分階段實施，從而層層深入，達(dá)到全面整合的目標(biāo).筆者所在項目組首先在這兩門課程中獨立開展理論與實踐相結(jié)合的研究性教學(xué)，提高學(xué)生利用所學(xué)知識分析和解決問題能力；其次，將兩門課程的教學(xué)大綱進(jìn)行修改，全面整合理論課知識點，做到難易有序，合理規(guī)劃兩門課程的理論學(xué)時；最后，將理論課的改革成果反饋到實踐教學(xué)中，重新修訂實驗項目，提高學(xué)生實踐動手及創(chuàng)新能力.

圖1 DFT算法流程圖

圖2 離散傅立葉變換實驗結(jié)果

4 總結(jié)

教學(xué)改革是一項艱巨的任務(wù)，以上是筆者在信號處理類課程研究性教學(xué)開展過程中的一些想法和改革措施.雖然在提高教學(xué)質(zhì)量上有一定的進(jìn)展，但還需要不斷地積極探索和實踐，同時還需要各方面的支持和配合才能達(dá)到最佳效果，才能為培養(yǎng)適應(yīng)時代、理論基礎(chǔ)扎實、具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才作出更大的貢獻(xiàn).

[1]徐天成，李彧晟，谷亞林.信號分析與處理類課程整合優(yōu)化的研究與實踐[J].高教探索，2007,6：134-136.

[2]黃鄉(xiāng)生 .《信號與系統(tǒng)》重點建設(shè)課程群的若干問題探討[J].東華理工學(xué)院學(xué)報：社會科學(xué)版，2007，26(4)：418-421.

[3]楊智明，俞洋，姜紅蘭.便攜式數(shù)字信號處理課程實驗教學(xué)平臺設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2014，33(1):76-80.

[4]馬永奎，高玉龍，張佳巖，等.“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]任國鳳.項目式教學(xué)法應(yīng)用于EDA本科實踐教學(xué)的探索[J].太原師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2011,10(4)：158-160.

[6]倪振文，聶榮華，沈洪遠(yuǎn)，等.運用MATLAB軟件改革信息類實驗教學(xué)的探討[J].實驗室研究與探索，2001，20(4)：19-20.

10.13877/j.cnki.cn22-1284.2015.08.030

2015-05-22

忻州師范學(xué)院教學(xué)研究重點項目“電子信息專業(yè)信號處理類課程研究性教學(xué)的探索與實踐”(JG201311)；忻州師范學(xué)院課堂教學(xué)改革項目“電子技術(shù)課堂教學(xué)改革研究”(JGZT201504)；山西省自然科學(xué)基金“基于認(rèn)知機(jī)理的語音情感強(qiáng)度模型與聲門補(bǔ)償特征研究”(2013021016-2)；山西省留學(xué)歸國人員資助項目“基于認(rèn)知機(jī)理的語音情感強(qiáng)度模型與聲門補(bǔ)償特征研究”(2013-034)

任國鳳，女，山西忻州人，博士，副教授.

G642.0

A

1008-7974(2015)04-0085-03