數(shù)字信號處理課程教學(xué)探索

楊秋菊+馬驍

[摘 要]根據(jù)數(shù)字信號處理課程理論性強、抽象概念多、內(nèi)容枯燥、難度較大等自身特點，結(jié)合教學(xué)過程中遇到的學(xué)生學(xué)風比較浮躁， 學(xué)習(xí)的主動性和積極性不是很高等實際情況，提出課程的教學(xué)改革。強調(diào)課程的意義、多種教學(xué)手段并行、課堂互動、加強實驗教學(xué)、完善考核方法、加強教師素養(yǎng)等，從根本上調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)效果。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字信號處理；教學(xué)改革；學(xué)習(xí)積極性

[中圖分類號] G423 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）06-0163-03

一、引言

隨著信息科學(xué)和計算技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號處理的地位和作用越來越突出。數(shù)字信號處理課程已成為電子、通訊專業(yè)的一門專業(yè)必修課，其內(nèi)容主要涉及數(shù)字信號的變換和數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計兩大部分，其中數(shù)字信號的變換主要包括序列的傅里葉變換（DTFT）、Z變換、離散傅里葉變換（DFT）及它的快速算法FFT，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計主要包括無限脈沖響應(yīng)（IIR）和有限脈沖響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器的設(shè)計。數(shù)字信號處理的先修課程主要有信號與系統(tǒng)、工程數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、數(shù)字電路、MATLAB語言等。近年來，數(shù)字信號處理在無線電通信、數(shù)字電視、生物醫(yī)學(xué)、機器人控制、手機等無線終端等等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生著日益重要的影響。但該課程以數(shù)理為基礎(chǔ)，綜合性、理論性強，學(xué)生普遍反映公式多、內(nèi)容抽象、難度較大。本文從數(shù)字信號處理課程的自身特點出發(fā)，重點就如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性進行了一系列思索，著力提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

二、上好第一堂課，強調(diào)課程重要性

學(xué)生在第一次上每一門課時，對任課教師和課程內(nèi)容都是抱有強烈的好奇心的，這就要求任課教師一定要把握好第一堂課，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在講述具體課程內(nèi)容前，要對本門課程進行客觀綜合分析，給學(xué)生一個對該課程全面的認識。告訴學(xué)生“為什么學(xué)習(xí)這門課程，如何學(xué)習(xí)，以及它在實際生活中有什么用途”。數(shù)字信號處理是現(xiàn)代信號處理增長最快的領(lǐng)域， 在許多以數(shù)字化應(yīng)用為主的領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。任課教師應(yīng)強調(diào)現(xiàn)在是數(shù)字時代，對數(shù)字信號處理的前沿領(lǐng)域，包括圖像處理、語音音頻、無線電通信、生物醫(yī)學(xué)、移動電話、數(shù)字電視等進行介紹，以提高學(xué)生對該課程的興趣，同時幫助他們更好的認識該課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容。現(xiàn)在學(xué)生都比較“務(wù)實”，甚至有些急功近利，對馬上用得著（包括考研、找工作）的課程投入精力大，反之就比較松散。因此在第一節(jié)課時，可以告訴大家，對想繼續(xù)讀研的同學(xué)，數(shù)字信號處理是電子、通訊相關(guān)專業(yè)筆試/面試的必考課程；而對于畢業(yè)就想工作的同學(xué)，憑借熟練掌握數(shù)字信號處理相關(guān)技術(shù)可以在應(yīng)聘中脫穎而出，激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱情。同時可以請同學(xué)們舉一反三，說出更多數(shù)字信號處理相關(guān)的應(yīng)用，使他們感到自己所學(xué)的東西就在人們的日常生活中，而不是遙不可及、虛無縹緲的。

三、多種教學(xué)手段并行

為了上好復(fù)雜的數(shù)字信號處理課程，我們需結(jié)合傳統(tǒng)板書、多媒體課件教學(xué)、Matlab仿真、DSP開發(fā)以及多樣化課后作業(yè)。傳統(tǒng)板書容易控制授課節(jié)奏，有利于師生互動，不會給學(xué)生照本宣科的感覺，學(xué)生容易跟隨老師的思路，學(xué)起來也相對輕松[1]，此外還有利于學(xué)生記筆記，因此在習(xí)題課和一些基本原理、基本方法的推導(dǎo)和證明中，以及一些邏輯較強需要深入講解的知識點，教師應(yīng)采用課堂板書形式，給學(xué)生足夠的時間領(lǐng)會。但對于一些較抽象的概念以及復(fù)雜的圖、表，用板書難以表達，則需要借助多媒體課件（PPT），化抽象為形象，化枯燥為生動，增加課堂信息量，使學(xué)生把重點放到加深對抽象概念的理解上[2]。需要注意的是，PPT有其片斷性特點，PPT的不斷翻頁，非常容易打斷學(xué)生的視覺感知，使得對知識點的認識也出現(xiàn)片斷性；此外PPT放映速度一旦過快，學(xué)生思路沒跟上，很容易產(chǎn)生堆積效應(yīng)，造成學(xué)習(xí)進度跟不上。所以在PPT講解過程中，教師速度一定要放慢，講一行放一行，切不可把所有內(nèi)容一次都放出來，否則容易誤導(dǎo)學(xué)生去費勁地閱讀PPT上的文字?，F(xiàn)代多媒體教學(xué)手段與傳統(tǒng)的板書教學(xué)相融合，可以讓兩種手段優(yōu)勢互補，其實際效果比單獨使用其中任何一種都要好。此外，在課堂中引入Matlab仿真和DSP演示，可以加深學(xué)生對基本概念、理論的理解，可以使抽象的內(nèi)容生動、直觀，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，事半功倍[1]。由于該門課程概念抽象，公式繁多，學(xué)生若光憑在課堂上聽老師講解，會造成似懂非懂，聽完即忘的現(xiàn)象出現(xiàn)，因此每次課后教師需要給學(xué)生布置適量的課后習(xí)題加以練習(xí)，鞏固所學(xué)知識。除此之外，任課教師還應(yīng)找一些科普讀物供學(xué)生課后閱讀，比如知乎專欄上的“傅里葉分析之掐死教程”，這樣不僅增加了學(xué)習(xí)的趣味性，也有利于學(xué)生對所學(xué)知識的理解。

四、教學(xué)互動，杜絕填鴨式課堂

在實際教學(xué)中，教師要善于站在學(xué)生的立場上，找到學(xué)習(xí)每個知識的最好切入點。課堂上加強與學(xué)生互動，讓學(xué)生主動思考，積極參與到課堂里來，避免填鴨式教學(xué)。如在講“用DFT對信號進行譜分析”時，可以從物理含義（公式）角度出發(fā)，對之前所有的傅里葉變換進行一個總結(jié)，先給出圖1的第一行5個變量，讓學(xué)生回答從左至右兩兩變量之間經(jīng)過的是什么變換處理；然后看第一行每個變量進行各種傅里葉變換后的結(jié)果是什么？（得到底下一行的值）；最后看底下一行兩兩之間的關(guān)系。經(jīng)過這樣的課堂提問，可以讓學(xué)生主動對以前知識進行查漏補缺，比教師直接對著圖1進行解釋講解效果好得多。通過課堂提問與課后作業(yè)批改，教師能及時檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，據(jù)此再在教學(xué)中作適當調(diào)整，這樣有利于教師學(xué)生的雙向交流，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

五、加強實驗教學(xué)

實踐教學(xué)應(yīng)本著“知識-能力-素質(zhì)”協(xié)調(diào)發(fā)展的教育理念，鼓勵學(xué)生通過實驗、實踐去探求新知，切實提高學(xué)生綜合運用知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。目前， 國內(nèi)外針對數(shù)字信號處理這門課程的改革， 主要沿著兩條途徑[3]： 一是使用MATLAB 等工具軟件， 實現(xiàn)算法仿真； 另一途徑就是引入DSP 器件， 對算法進行實現(xiàn)， 特別是實時實現(xiàn)。針對我校學(xué)生的實際情況，本門課程主要和“草稿紙”式的語言MATLAB結(jié)合[4]，包括1）教學(xué)過程中，MATLAB演示覆蓋了絕大部分教學(xué)內(nèi)容，包括傅里葉分析、卷積運算、濾波器設(shè)計等，還適當引入了MATLAB處理信號的實例，如對音頻信號的處理等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；2）實驗課，針對理論知識點的內(nèi)容，主要完成五個基本實驗[5]，包括系統(tǒng)響應(yīng)及系統(tǒng)穩(wěn)定性、時域采樣與頻域采樣、用FFT對信號作頻譜分析、IIR數(shù)字濾波器設(shè)計及軟件實現(xiàn)、FIR數(shù)字濾波器設(shè)計與軟件實現(xiàn)。這些實驗對難理解的課堂內(nèi)容，起了非常好的幫助作用。對于所涉及的實驗教學(xué)內(nèi)容，任課教師可以給出相應(yīng)的參考程序，讓學(xué)生將精力放在計算結(jié)果的分析上，突出對實驗結(jié)果背后隱藏的“物理意義”的理解。明白實驗的目的是幫助深入理解課堂知識，而不是編程能力的提高。除了課堂教學(xué)，學(xué)生如果在實驗過程中發(fā)現(xiàn)對某個實驗感興趣，任課老師應(yīng)當鼓勵并幫助其進行深入研究，以此作為大四的畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容均可。

六、完善考試模式

考核是人才培養(yǎng)過程中一個不可缺少的環(huán)節(jié)，以往本門課程的成績考核采取傳統(tǒng)“3+7”模式，即由平時表現(xiàn)（包括考勤、作業(yè)）占30%、期末筆試成績占70%綜合計算。這樣的考核方式簡單易操作，但這也是一些學(xué)生不重視實驗、不注重如何應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的原因之一，結(jié)果造成理論聯(lián)系實際和解決實際問題的能力差[2]。完善化考試模式，學(xué)生所有的學(xué)習(xí)， 包括實驗實踐環(huán)節(jié)的MATLAB上機考試、課程設(shè)計以及參與學(xué)習(xí)的過程都要進行考核， 改變過去重視理論知識，忽視實踐能力的做法，能極大地強化學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力及動手實踐能力。

七、提高教師素養(yǎng)，高度提煉知識點

以上五點都是從教學(xué)手段出發(fā)，著重從學(xué)生積極性的培養(yǎng)來考慮課程改革。還有非常關(guān)鍵的一點，就是對我們?nèi)握n教師的要求：一方面，在這個知識爆炸的時代，教師必須對學(xué)科前沿知識有敏銳的洞察力，形成寬廣而深厚的知識視野，這樣才能站得高，看得遠，將教材上那些抽象深奧的理論通俗易懂形象地講授給學(xué)生；另一方面，也是最基本的，必須對所講內(nèi)容高度熟悉，能幫助學(xué)生提煉知識點，抓住問題的關(guān)鍵。如在講DFT的時候，因為它不符合根據(jù)傅里葉變換的一般規(guī)律：1）信號在時域、頻域某一個域的離散，均會導(dǎo)致在另一個域周期；2）信號在一個域有限長，就會導(dǎo)致在另一個域無限寬。這個時候，一定要將DFT的原理（它與DFS的關(guān)系）給學(xué)生講述清楚。有限長序列x（n）的N點DFT的實質(zhì)如圖2所示：

這個概念非常重要，DFT的性質(zhì)大都與此有關(guān)。比如有限長序列DFT的隱含周期性，也可由X（k）與x（n）的周期延拓序列的DFS系數(shù)的關(guān)系得出。至于從x（n）求X（k），或已知X（k）求x（n）則是用定義式直接進行的，并不需要通過和。類似這些關(guān)鍵的知識點，任課教師一定要在講述DFT的性質(zhì)之前給學(xué)生講明白，不然越往后學(xué)，學(xué)生就越是一頭霧水，跟不上課堂進度。

八、 結(jié)語

教學(xué)質(zhì)量是大學(xué)的生命線，如何提高教學(xué)質(zhì)量是每位教師永遠的課題。本文根據(jù)“數(shù)字信號處理”的課程特點和學(xué)生的實際情況，從1）上好第一堂課，強調(diào)本門課程的學(xué)習(xí)意義，2）傳統(tǒng)板書、多媒體課件、MATLAB實踐等多種教學(xué)手段并行提高學(xué)習(xí)效果，3）課堂互動，杜絕填鴨式教學(xué)，4）加強實驗教學(xué)，理論實踐齊頭并進，5）完善考核方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，6）加強教師素養(yǎng)，幫助學(xué)生理解課程內(nèi)容等六個方面，對本門課程的教學(xué)改革進行了一系列思索，力圖激發(fā)學(xué)生對該門課程的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王學(xué)淵，侯毅. 再談“數(shù)字信號處理”的教學(xué)改革[J]. 電腦知識與技術(shù)，2012：7541-7545.

[2] 蔣先梅. 數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革的探討[J]. 考試周刊，2011：15-17.

[3] 沈媛媛.基于Matlab的數(shù)字信號處理綜合性實驗設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2009：60-73.

[4] 胡學(xué)友，王穎，胡云龍.“數(shù)字信號處理”教學(xué)改革與實踐[J].高教論壇，2007：67-69.

[5] 丁玉美，高西全.數(shù)字信號處理（第2版）[M].西安：電子科技大學(xué)出版社，2001.

[責任編輯：張 雷]