研究生“現(xiàn)代信號處理”課程教學(xué)方法探討

盛虎+趙樹源

摘要：“現(xiàn)代信號處理”課程是大連交通大學(xué)碩士研究生交通信息工程及控制專業(yè)和電子與通信工程專業(yè)的學(xué)位課程。近幾年“現(xiàn)代信號處理”課程的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量難以很好保證的問題。針對這個問題，教師在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整和改進(jìn)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。本文突出教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)算法思路講解，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)和緊跟學(xué)術(shù)前沿方面對“現(xiàn)代信號處理”課程的教學(xué)方法進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代信號處理；教學(xué)方法改進(jìn)；探討

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）11-0240-02

鑒于現(xiàn)代信號處理技術(shù)的重要意義，大連交通大學(xué)為交通信息工程及控制專業(yè)和電子與通信工程專業(yè)的碩士研究生開設(shè)了“現(xiàn)代信號處理”課程，目的在于通過此課程的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)生理解現(xiàn)代信號處理的基本概念和基本理論，掌握現(xiàn)代譜估計(jì)、自適應(yīng)濾波器、高階統(tǒng)計(jì)分析和時頻信號分析等現(xiàn)代信號處理技術(shù)，并能夠應(yīng)用常用的算法解決交通信息工程和電子與通信方向的實(shí)際問題。

早期大連交通大學(xué)“現(xiàn)代信號處理”研究生課程的學(xué)生人數(shù)適中，學(xué)生的信號課程和高等數(shù)學(xué)相關(guān)課程的基礎(chǔ)知識掌握也較好，知識結(jié)構(gòu)和實(shí)踐能力差別不大，所以此課程的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量很好。此外，本校為了培養(yǎng)適應(yīng)不同研究領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域人才的需要，劃分了學(xué)術(shù)型和專業(yè)型碩士研究生，造成碩士研究生的知識結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐動手能力存在很大差異。由于學(xué)生數(shù)量以及學(xué)生知識和能力方面差異的原因，導(dǎo)致“現(xiàn)代信號處理”課程教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量出現(xiàn)了下降。教師們在王秋生、章東平、高遠(yuǎn)、張新峰和黃勇等學(xué)者研究的成果之上，針對我校學(xué)生的特點(diǎn)對此課程教學(xué)方法進(jìn)行了改進(jìn)，并取得較好成效。本文根據(jù)此課程教學(xué)方法改進(jìn)及實(shí)施過程中取得的經(jīng)驗(yàn)做簡要介紹，以供大家一起探討。

一、影響課程教學(xué)質(zhì)量的主要原因

根據(jù)大連交通大學(xué)“現(xiàn)代信號處理”研究生課程的實(shí)際情況，在教學(xué)過程中主要發(fā)現(xiàn)以下因素導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量下降：

1.學(xué)生知識結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐動手能力差異大。我校交通信息工程和電子與通信專業(yè)的學(xué)生數(shù)量多，并且分為學(xué)術(shù)型和專業(yè)型碩士研究生，學(xué)生在本科階段所學(xué)專業(yè)也有所不同，有些學(xué)生甚至沒有學(xué)過信號處理相關(guān)專業(yè)課程。另外，“現(xiàn)代信號處理”課程對相關(guān)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)也良莠不齊。學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程過程中所表現(xiàn)出來的學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐動手能力也存在很大差異，因此導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效果差異很大。

2.經(jīng)典教材內(nèi)容相對陳舊，而新教材內(nèi)容差別很大且重點(diǎn)不突出。“現(xiàn)代信號處理”課程有一些經(jīng)典教材，例如胡廣書編著的《現(xiàn)代信號處理教程》，張賢達(dá)編著的《現(xiàn)代信號處理》，汪源源編著的《現(xiàn)代信號處理理論和方法》等。而經(jīng)典教材內(nèi)容以相對比較成熟的信號處理方法為主，相對而言脫離了學(xué)術(shù)前沿研究內(nèi)容。而新出版的教材的內(nèi)容存在較大差異，而且側(cè)重點(diǎn)也有所不同，因此本課程教材及教學(xué)內(nèi)容的選擇也直接影響教學(xué)質(zhì)量。

3.課程內(nèi)容抽象且對高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，學(xué)生產(chǎn)生畏懼感?！艾F(xiàn)代信號處理”課程的學(xué)習(xí)應(yīng)用到數(shù)理統(tǒng)計(jì)、微積分變換、矩陣論、最優(yōu)化方法、數(shù)值分析等數(shù)學(xué)知識，涉及到大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)。數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不扎實(shí)的學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程的過程中會逐漸產(chǎn)生畏懼感，最終幾乎放棄本門課程的學(xué)習(xí)。

4.傳統(tǒng)教學(xué)方法注重理論教學(xué)而忽略實(shí)踐教學(xué)，與實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)?！艾F(xiàn)代信號處理”課程理論性強(qiáng)且，因此傳統(tǒng)教學(xué)方法十分重視理論基礎(chǔ)的講授，相對而言忽略了現(xiàn)代信號處理技術(shù)的試驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)。而這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式直接導(dǎo)致學(xué)生理論掌握較好卻不知如何應(yīng)用或不知應(yīng)用在什么領(lǐng)域，甚至不知道針對何種類型的信號應(yīng)該選擇哪種現(xiàn)代信號處理技術(shù)，與實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)。

二、課程教學(xué)方法改進(jìn)措施

針對以上在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，本校教師以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性，改善教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，在教學(xué)內(nèi)容，算法講解方式，實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)以及學(xué)術(shù)前沿技術(shù)等方面對本課程的教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)。

1.補(bǔ)充必要的基礎(chǔ)知識。針對學(xué)生知識結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐動手能力差異大的問題，本校教師根據(jù)每屆學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)特點(diǎn)補(bǔ)充必要的信號處理相關(guān)基礎(chǔ)知識?！艾F(xiàn)代信號處理”課程的學(xué)習(xí)需要“信號與系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”和“信息論”等相關(guān)基礎(chǔ)課程的知識，但部分學(xué)生在本科階段不屬于信息類相關(guān)專業(yè)，因此最基本的信號處理相關(guān)基礎(chǔ)課甚至沒有接觸過。另外，“現(xiàn)代信號處理”課程還需要“隨機(jī)信號處理”課程的知識，但在本科階段大部分學(xué)生沒有學(xué)過“隨機(jī)信號處理”課程。因此，“現(xiàn)代信號處理”課程講授不能直接講授處理算法，而應(yīng)該補(bǔ)充必要的“信號與系統(tǒng)”和“隨機(jī)信號處理”課程的基礎(chǔ)知識，使學(xué)生由淺入深、循序漸進(jìn)的接受新知識。

2.重新編排教學(xué)內(nèi)容，突出教學(xué)重點(diǎn)。針對經(jīng)典教材內(nèi)容相對陳舊，而新教材內(nèi)容差別很大且重點(diǎn)不突出的問題，本校教師在補(bǔ)充必要的相關(guān)基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新整理和編排。根據(jù)交通信息工程和電子與通信專業(yè)的特點(diǎn)，突出非高斯非平穩(wěn)隨機(jī)信號相關(guān)內(nèi)容，將重點(diǎn)放在高階統(tǒng)計(jì)量分析和時頻信號分析分析算法以及非高斯非平穩(wěn)隨機(jī)信號處理新方法的講解，而參數(shù)估計(jì)和信號檢測則作為了解內(nèi)容進(jìn)行介紹。

3.強(qiáng)調(diào)算法思路講解，避免大篇幅理論推導(dǎo)。針對課程內(nèi)容抽象且對高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，學(xué)生產(chǎn)生畏懼感的問題，本校教師在講授過程中主要介紹算法的思路，而非數(shù)學(xué)推導(dǎo)?，F(xiàn)代信號處理的最大特點(diǎn)是大部分算法都是根據(jù)“最優(yōu)化方法”的思想，根據(jù)一個判據(jù)使代價函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，學(xué)生只要掌握了判據(jù)的類型和特點(diǎn)，以及代價函數(shù)最優(yōu)化的計(jì)算思路即可，沒有必要大量掌握涉及矩陣論、數(shù)值分析、概率統(tǒng)計(jì)等公式推導(dǎo)。這種教學(xué)方式使得學(xué)生更容易接受，也減少了對數(shù)學(xué)的“畏懼感”。

4.重視實(shí)踐，結(jié)合應(yīng)用，緊跟前沿。針對傳統(tǒng)教學(xué)方法注重理論教學(xué)而忽略實(shí)踐教學(xué)，與實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)的問題，本校教師在講授過程中穿插大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐內(nèi)容，使原本抽象的理論講解變得生動具體，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。尤其，本本校教師所采用的實(shí)例都是和應(yīng)用緊密相關(guān)的實(shí)際隨機(jī)信號，比如在講解自適應(yīng)濾波器的過程中應(yīng)用實(shí)際采集到的心電信號或水文信號，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中緊密結(jié)合應(yīng)用。另外，為了讓學(xué)術(shù)型研究生獲取更多的學(xué)術(shù)前沿研究成果，在課程講解過程中介紹例如分?jǐn)?shù)階傅里葉變換和壓縮感知等學(xué)術(shù)前沿內(nèi)容，保證學(xué)術(shù)型和專業(yè)型碩士研究生都各有所學(xué)，各取所需。

三、教學(xué)效果和教學(xué)體會

采用以上“現(xiàn)代信號處理”課程教學(xué)方法改進(jìn)措施后，首先課程前期補(bǔ)充相關(guān)基礎(chǔ)知識的辦法解決了學(xué)生知識結(jié)構(gòu)差異大的問題，即使是非信息類專業(yè)的本科畢業(yè)生在學(xué)習(xí)過程中也不至于“掉隊(duì)”；其次經(jīng)過對教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)部分和非重點(diǎn)部分的劃分，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中“有的放矢”，把精力集中在非高斯非平穩(wěn)隨機(jī)信號處理部分；再次，教學(xué)過程中省略了大篇幅的數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，使學(xué)生對算法設(shè)計(jì)思路更加明確；最后，通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)，使理論學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用很好的結(jié)合，并且通過學(xué)術(shù)前沿技術(shù)的介紹使學(xué)生思路更加開闊，提升學(xué)生的創(chuàng)新性思維。總體來說，通過本課程教學(xué)方法的改進(jìn)，教學(xué)質(zhì)量明顯提升，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也有很大提高，學(xué)生的應(yīng)用現(xiàn)代信號處理解決實(shí)際問題的能力也大大提升，掌握現(xiàn)代信號處理的前沿性研究，為學(xué)生今后的深入研究和應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王秋生，袁海文，崔勇.《現(xiàn)代數(shù)字信號處理》的教學(xué)研究與實(shí)踐[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2009，22（4）：77-80.

[2]章東平，徐佳慧，楊力.淺談《現(xiàn)代信號處理》課程的教學(xué)改進(jìn)[C].“決策論壇——區(qū)域發(fā)展與公共政策研究學(xué)術(shù)研討會”論文集（上），2016.

Teaching Methods Discussion for "Modern Signal Processing" Graduate Course

SHENG Hu1，ZHAO Shu-yuan2

（1.Dalian Jiaotong University，Dalian，Liaoning 116028，China；

2. Dalian Institute of Science and Technology，Dalian，Liaoning 116052，China）

Abstract："Modern signal processing" course is a master's degree program in traffic information engineering and control engineering and electronic and communication engineering in Dalian Jiaotong University. In recent years，the teaching effect and teaching quality of "modern signal processing" course are difficult to be guaranteed. In view of this question，the teacher has carried on the corresponding adjustment and the improvement in the teaching content and the teaching method，has improved the student's study enthusiasm. This paper focuses on the teaching content，emphasizes the idea of the algorithm，and discusses the teaching methods of "modern signal processing" course in the aspects of strengthening experiment，practical teaching and closely following the academic front.

Key words：modern signal processing；improvement of teaching method；discuss