電子信息工程專業(yè)數(shù)字信號處理課程改革與研究

李洪璠

【摘 要】“數(shù)字信號處理”課程是電子信息類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，針對不同專業(yè)特點選擇不同教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，是本課程教學(xué)改革的重點。結(jié)合三亞學(xué)院電子信息工程專業(yè)課程教學(xué)實際情況、學(xué)生自身基礎(chǔ)，在教學(xué)的各個環(huán)節(jié)進行研究與探索，精選符合專業(yè)特點的教學(xué)內(nèi)容，采用探究式教學(xué)方法，對本專業(yè)融合激發(fā)學(xué)生興趣的工程實例；實驗教學(xué)由傳統(tǒng)的驗證性過渡到綜合設(shè)計研究型，取得了一定效果。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號處理；理論教學(xué)；課程實踐；探究式教學(xué)

1.引言

數(shù)字信號處理是電子信息工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，它的地位相當(dāng)于電氣時代的“電工基礎(chǔ)”。作為專業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)課，要求學(xué)生通過本門課程學(xué)習(xí)建立“數(shù)字信號處理”的基本概念；掌握數(shù)字信號處理基本分析方法和分析工具；通過理論學(xué)習(xí)和實踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練，使學(xué)生具備一定的工程實踐技能，這為提高學(xué)生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)應(yīng)用型人才起著重要作用。本文以三亞學(xué)院電子信息工程專業(yè)為例進行數(shù)字信號處理教學(xué)研究和實踐進行探討。

2.教學(xué)特點與內(nèi)容設(shè)置

“數(shù)字信號處理”課程是電子信息工程專業(yè)眾多專業(yè)課中一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，其課程內(nèi)容涉及到很多數(shù)學(xué)知識，如復(fù)變函數(shù)、差分方程、Z變換和矩陣?yán)碚?、離散傅里葉變換等，同時，與工程實際又緊密相連，且技術(shù)手段發(fā)展也非?？?。結(jié)合三亞學(xué)院電子信息工程專業(yè)學(xué)生實際情況，并充分體現(xiàn)“數(shù)字信號處理”課程理論內(nèi)容豐富、實用性強而基本概念抽象難理解等特點，進行如下的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置。

電子信息工程專業(yè)大部分的學(xué)生“信號與系統(tǒng)”、“微積分理論”課程基礎(chǔ)較好，“數(shù)值計算”、“復(fù)變函數(shù)”基礎(chǔ)相對差一些?！皵?shù)字信號處理”課程是本專業(yè)學(xué)生的一門重點必修課。本課程設(shè)置64個學(xué)時，理論52學(xué)時，實驗12學(xué)時；理論增加4個學(xué)時專門介紹數(shù)字信號處理中涉及的數(shù)學(xué)知識，以便后面理論學(xué)習(xí)更加自如；刪除部分因課時受限而課堂不講授的內(nèi)容；壓縮了一些與“信號與系統(tǒng)”課程重疊的章節(jié)；因通信與信號處理領(lǐng)域的快速發(fā)展，增加了多采樣率數(shù)字信號處理；同時，課堂增加利用MATLAB軟件進行釋疑與實現(xiàn)及LABVIEW圖形編程環(huán)節(jié)，使一些難理解的抽象理論和概念得到直觀演示解釋，使學(xué)生更容易理解、接受；對于實踐環(huán)節(jié)部分，由傳統(tǒng)的驗證性實驗改為綜合性、設(shè)計性實驗，且增加課程設(shè)計這個教學(xué)環(huán)節(jié)。

經(jīng)過幾年的該課程教學(xué)研究總結(jié)，教學(xué)應(yīng)該遵循這樣一個原則：以講授基本概念、基本理論、掌握基本技能為主，兼顧內(nèi)容的全面性、系統(tǒng)性和實用性?，F(xiàn)將課程內(nèi)容歸納分為三大塊：

（1）基礎(chǔ)理論和概念部分。對已在“信號與系統(tǒng)”課程中學(xué)過的內(nèi)容（離散信號與系統(tǒng)的時域分析、離散信號與系統(tǒng)的頻域分析）課時進行適當(dāng)壓縮，重點講述利用傅里葉變換、Z變換對信號和系統(tǒng)進行頻譜分析，使學(xué)生認(rèn)識到信號變換的重要性，它是分析信號與系統(tǒng)重要工具；離散傅里葉變換（DFT）及其快速傅里葉變換（FFT），都是描述信號的頻域離散化，并能利用DFT對數(shù)字譜進行分析，注意適時信號處理過程中出現(xiàn)的（柵欄效應(yīng)、泄漏效應(yīng)、混疊現(xiàn)象）現(xiàn)象；FFT的講述是個難點，這是一個數(shù)學(xué)算法的優(yōu)化過程，學(xué)生很難接受，那么引導(dǎo)學(xué)生理解DFT運算量成為了關(guān)鍵，即讓學(xué)生關(guān)注信號分析實時處理過程的時間問題，電子信息專業(yè)的學(xué)生邏輯性一般較強，能較好理解，并為下一步學(xué)習(xí)DSP打下基礎(chǔ)。

（2）數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計部分。數(shù)字信號處理實用性是從濾波器的設(shè)計開始，只要有信號就會存在干擾，從現(xiàn)實生活中手機使用接收信號有強有弱及雜音，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識濾波器設(shè)計的重要性及必要性。IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計（脈沖響應(yīng)不變法、雙線性變換法）；FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計（線性相位、窗口設(shè)計法、頻率采樣法、最佳逼近法）；數(shù)字濾波器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。這部分內(nèi)容學(xué)生理論計算比較困難，利用MATLAB軟件或結(jié)合LabVIEW圖形語言可以更形象的將理論教學(xué)與實踐相結(jié)合，通過ppt演示濾波器設(shè)計和信號的濾波過程，加強學(xué)生對濾波概念的理解，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力。

（3）數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)及應(yīng)用部分。通信與信號處理領(lǐng)域的快速發(fā)展，增加多采樣率及實現(xiàn)方法；數(shù)字信號處理技術(shù)在語音系統(tǒng)中的應(yīng)用（包括語言的識別、語言的理解、語言壓縮、語言合成等等，為智能計算機的發(fā)展提供基礎(chǔ)）；數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用舉例。

實踐表明，通過對電子信息工程中數(shù)字信號處理的應(yīng)用實例進行具體分析，更能體現(xiàn)出來數(shù)字信號處理與電子信息工程專業(yè)的聯(lián)系，可以更好地調(diào)動學(xué)生的積極性。

3.課程實踐改革

（1）課程一體化實踐?！皵?shù)字信號處理”課程實踐改革：通過程序編寫實現(xiàn)與本課程知識點的相關(guān)算法，從而加深對該課程基本理論理解和基本技能掌握。根據(jù)我專業(yè)學(xué)生的具體情況，對課程實踐部分做出如下改革。教師給學(xué)生布置實驗任務(wù)時給出其詳細(xì)的程序流程圖，及實驗的主框架程序（如程序初始化部分，基本函數(shù)，繪圖語句），學(xué)生根據(jù)自己對題目的理解，對照程序流程圖，實現(xiàn)完成整個實驗，這種改革方式促使學(xué)生提高了學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生實踐環(huán)節(jié)的自信心，不再是面對題目無從下手的狀態(tài)，將理論與實踐結(jié)合在一起，形象生動，達(dá)到“先幫后扶再放手”的目的。實踐證明，采用這種實踐改革模式，我專業(yè)大部分學(xué)生能結(jié)合理論知識對結(jié)果做出合理的解釋和分析。

（2）獨立開設(shè)課程設(shè)計實踐。隨著社會信息化的深入，各行業(yè)大都需要電子信息工程專業(yè)人才，而且就業(yè)中對數(shù)字信號處理技術(shù)的要求也越來越高，這方面能力的提升體現(xiàn)的是理論分析能力和計算機編程分析能力的綜合過程。課程一體化的實踐過程只是針對獨立的知識點進行，加上學(xué)時限制，驗證性實驗占大多數(shù)。為此改變教學(xué)計劃，為電子信息專業(yè)學(xué)生開設(shè)“數(shù)字信號處理課程設(shè)計實踐”課程，這樣使得學(xué)生對軟硬件設(shè)計都較熟悉（原本專業(yè)只有電子技術(shù)方面的獨立課程設(shè)計），更易于滿足現(xiàn)代信息企業(yè)對電子信息人才方面的需求。

（3）探究式學(xué)習(xí)課外實踐。數(shù)字信號處理的課后練習(xí)大多是理論計算分析，學(xué)生做起來覺得很枯燥也沒有興趣。對此，本專業(yè)進行課程改革的另外一方面就是以課外作業(yè)的形式指導(dǎo)學(xué)生進行探究式學(xué)習(xí)，即圍繞課程中重要知識點，遵循一定的步驟開展探索研究性學(xué)習(xí)：提出問題、確定探究方向、搜集并整理資料、組織探究、得出結(jié)論、總結(jié)經(jīng)驗。在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生利用本課程所學(xué)到的知識，探索和解決現(xiàn)實生活中感興趣的問題；要求學(xué)生在課程結(jié)束后的一周內(nèi)，提交一份研究報告，作為期末總成績的一部分。具體操作為：以2—3人為一個小組，自主搜集與本課程內(nèi)容相關(guān)、與實際問題相結(jié)合的課題。在計算中心實驗室調(diào)試MATLAB程序或LabVIEW程序。

實踐證明，這種探究式課外實踐拓寬了學(xué)生視野，進一步加深學(xué)生對數(shù)字信號處理技術(shù)的了解，加強了MATLAB及LabVIEW軟件的應(yīng)用。探究式學(xué)習(xí)可以督促學(xué)生發(fā)揮自己的探究精神，更好地將理論應(yīng)用于實際。

4.結(jié)束語

電子信息工程專業(yè)畢業(yè)生一般都工作在電子信息和電力系統(tǒng)等高科技行業(yè)，這些行業(yè)的迅速發(fā)展，社會信息化的深入對本專業(yè)的學(xué)生提出了更高的要求。如逐步興起的5G和物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略、電力系統(tǒng)向智能化發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)是基礎(chǔ)之一，寬口徑的復(fù)合型人才在這一發(fā)展過程中將大有用武之地。技術(shù)基礎(chǔ)課的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)及時反映時代的特點并能體現(xiàn)科技發(fā)展的前沿方向，理論上古今并重、技術(shù)上厚今薄古，以適應(yīng)客觀形勢對人才培養(yǎng)的需求；多媒體技術(shù)能創(chuàng)造出虛擬的現(xiàn)實世界，讓情景教學(xué)成為現(xiàn)實；利用電子課件的“輔助”教學(xué)，其信息量豐富、可減少重復(fù)性勞動、提高教學(xué)效率；加強實踐性環(huán)節(jié)教學(xué)能激發(fā)學(xué)生主動地學(xué)習(xí)、創(chuàng)造地思維，加強實踐性環(huán)節(jié)教學(xué)對知識體系的構(gòu)建有重要的作用。

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