“數(shù)字信號處理課程設(shè)計”教學(xué)的探索與實(shí)踐

李紅巖

【摘 要】本文以工程教育認(rèn)證的核心理念為指導(dǎo)，在數(shù)字信號處理課程設(shè)計的教學(xué)實(shí)踐中，著重培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工程探索精神，引導(dǎo)學(xué)生掌握電子信息工程項(xiàng)目開發(fā)的基本流程，教學(xué)實(shí)踐表明這有助于提高學(xué)生處理復(fù)雜工程問題的能力。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號處理；教學(xué)內(nèi)容；方法

在我院電子信息工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，《數(shù)字信號處理課程設(shè)計》是繼《數(shù)字信號處理》、《Matlab及其應(yīng)用》課程及有關(guān)課程設(shè)計后，電子信息工程專業(yè)學(xué)生在信號處理技術(shù)方面綜合性的設(shè)計實(shí)訓(xùn)課程，是數(shù)字信號處理技術(shù)的一個重要組成部分。其目的和任務(wù)是通過一周的時間，讓學(xué)生掌握數(shù)字信號處理的基本概念和基本理論，掌握數(shù)字濾波器的設(shè)計方法，熟悉Matlab軟件的使用方法，能夠利用Matlab軟件進(jìn)行FIR或IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計，進(jìn)行一維信號的頻譜分析，并利用混合信號通過所設(shè)計的數(shù)字濾波器進(jìn)行驗(yàn)證，解決信號處理技術(shù)中的綜合問題，為以后進(jìn)行工程實(shí)際問題的研究打下設(shè)計基礎(chǔ)，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立分析、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生動手能力和解決實(shí)際問題的能力，實(shí)現(xiàn)寬口徑教育。

工程教育認(rèn)證是來源于國外的教育質(zhì)量評價制度，目前是國際通行的高校工程專業(yè)進(jìn)行質(zhì)量評價評估的重要手段， 基于此可以實(shí)現(xiàn)工程教育領(lǐng)域各國之間的互相認(rèn)可。 開展工程教育認(rèn)證，能夠推進(jìn)高校工程類專業(yè)的國際化，增強(qiáng)本校工程專業(yè)在國際上的競爭力，并能夠保證工科畢業(yè)生的質(zhì)量，對我國高等教育和工程教育的進(jìn)展有著重要意義。我國已于2013年加入《華盛頓協(xié)議》，表明我國工程教育質(zhì)量及其保障得到了國際工程教育界的認(rèn)可，意味著為我國的工程類學(xué)生提供了具有國際互認(rèn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的通行證，為將來我國工程類學(xué)生走向世界打了下堅實(shí)的基礎(chǔ)，加入國際認(rèn)證協(xié)會也標(biāo)志著我國工程教育向國際化邁出了重大一步，說明我國的工程教育認(rèn)證體系初步具備了與國際認(rèn)證的“實(shí)質(zhì)等效”性。借助專業(yè)認(rèn)證，達(dá)到教育質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)的高校或?qū)I(yè)得到認(rèn)可，同時能夠有助于院校改進(jìn)工作，有助于教師改進(jìn)教學(xué)水平。

通過學(xué)習(xí)工程認(rèn)證的核心理念和認(rèn)證考核標(biāo)準(zhǔn)，本文作者反思了“數(shù)字信號處理課程設(shè)計”教學(xué)中存在的問題，主要包括以下兩點(diǎn)：1）在當(dāng)前的教學(xué)大綱中，課程設(shè)計的題目是老師選定后指定給學(xué)生的，選題沒有考慮調(diào)動學(xué)生的自主性和激發(fā)學(xué)生的興趣點(diǎn)，不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和工程探索意識的培養(yǎng)；2）在課程設(shè)計指導(dǎo)書內(nèi)容的安排和組織方面，側(cè)重于給出學(xué)生詳細(xì)的設(shè)計流程和設(shè)計方法，而沒有啟發(fā)學(xué)生自主提出課題設(shè)計思路和設(shè)計方案，限制了學(xué)生獨(dú)立分析解決問題的空間，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力?？傊?dāng)前的數(shù)字信號處理課程設(shè)計教學(xué)中還存在較多的問題，這些問題的存在不利于提高學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題的能力，因此亟待引入新的教學(xué)理念和教學(xué)方法。

工程教育認(rèn)證目前已成為全球高校專業(yè)認(rèn)證的主流，是我國高校與國際接軌的重要途徑。為了達(dá)到工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)定的畢業(yè)要求，需要將畢業(yè)要求分解到各門課程中，在教學(xué)中綜合體現(xiàn)并最終達(dá)成畢業(yè)要求。依據(jù)畢業(yè)要求，我院設(shè)定“數(shù)字信號處理課程設(shè)計”對畢業(yè)要求的支撐體現(xiàn)在：“能夠在電子信息系統(tǒng)軟硬件開發(fā)項(xiàng)目中進(jìn)行概要設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計。能夠按照設(shè)計方案要求實(shí)現(xiàn)電子信息信息系統(tǒng)軟硬件開發(fā)”。本文以課題“應(yīng)用數(shù)字濾波法實(shí)現(xiàn)語音去噪”為例，對如何提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，進(jìn)行了有益的探索與實(shí)踐。

具體來講，以基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（Outcomes-based Education，OBE）為指導(dǎo)，本文從以下幾個方面進(jìn)行了“數(shù)字信號處理課程設(shè)計”教學(xué)內(nèi)容和方法的探索與實(shí)踐。

1 分析和分解問題能力的培養(yǎng)

首先，明確要處理的工程問題，即利用用MATLAB仿真工具，對數(shù)字濾波法的語音去噪效果進(jìn)行分析和評價。要求學(xué)生自主查閱專業(yè)文獻(xiàn)，對語音去噪的常用方法和設(shè)計思路進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，目的是通過廣泛的文獻(xiàn)閱讀對課題進(jìn)行深入剖析，掌握課題設(shè)計的核心問題和基本思路。在文獻(xiàn)閱讀基礎(chǔ)上，啟發(fā)學(xué)生對問題進(jìn)行分析和分解，讓學(xué)生認(rèn)識到一個復(fù)雜的工程問題是由多個關(guān)鍵問題組成的，合理的問題分解能夠使復(fù)雜問題清晰化簡單化，基于問題分解可以得出模塊化的設(shè)計思路。比如，本課題要解決的工程問題可以分解為：如何采集語音信號，如何選擇合適的數(shù)字濾波器，如何對語音信號進(jìn)行時頻分析，如何設(shè)置濾波器的參數(shù)，如何評價設(shè)計方案的合理性等子問題。

2 解決問題能力的培養(yǎng)

針對本課題，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到解決具體工程問題時，應(yīng)按照項(xiàng)目的規(guī)劃有序開展。首先，透徹理解設(shè)計中用到的基本原理，讓學(xué)生復(fù)習(xí)數(shù)字信號處理課程中所學(xué)的IIR和FIR濾波器的基本原理。其次，確定設(shè)計方案。預(yù)定初步的設(shè)計方案，評估設(shè)計方案的合理性，同組同學(xué)討論修改設(shè)計方案細(xì)節(jié)，其核心是理解并掌握模塊化設(shè)計思路。明確了每一步驟的內(nèi)容和目標(biāo)以后，最后，進(jìn)行仿真代碼編寫。熟悉MATLAB仿真工具的基本操作，熟悉MATLAB自帶濾波函數(shù)的用法，編寫代碼，運(yùn)行調(diào)試，修改代碼直至調(diào)試通過。學(xué)生在仿真部分花費(fèi)精力比較多，代碼編寫和調(diào)試特別考驗(yàn)學(xué)生的耐心和熱情。此時要引導(dǎo)學(xué)生自己解決小的代碼問題，適時給予鼓勵和幫助。

3 總結(jié)和歸納能力的培養(yǎng)

改變系統(tǒng)參數(shù)或條件，重復(fù)仿真實(shí)驗(yàn)，對比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比如，輸入條件相同時，采用不同類型的數(shù)字濾波器，對比分析濾波效果的優(yōu)劣。采用的數(shù)字濾波器不變，改變?yōu)V波器參數(shù)，分析濾波效果和規(guī)律。改變輸入噪聲的特性，分析濾波器的濾波效果和規(guī)律。引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論，即不同濾波器有不同的適用場合，有各自的優(yōu)勢和缺陷，讓學(xué)生認(rèn)識到這些結(jié)論能夠指導(dǎo)具體的工程實(shí)踐。

數(shù)字信號處理課程設(shè)計是我院電子信息工程專業(yè)本科生培養(yǎng)方案中的重要環(huán)節(jié)，本文以專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，在數(shù)字信號處理課程設(shè)計的教學(xué)實(shí)踐中，著重培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工程探索精神，引導(dǎo)學(xué)生掌握電子信息工程項(xiàng)目開發(fā)的基本流程，實(shí)踐表明這有助于提高學(xué)生處理復(fù)雜工程問題的能力。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]