“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)中的實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)

魯遠(yuǎn)耀+曹淑琴+谷科

（北方工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100043）

摘要：本文以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)，結(jié)合我?！皵?shù)字信號處理”教學(xué)的實(shí)際情況，深入剖析了學(xué)生創(chuàng)新能力缺乏的原因。最終從理論基礎(chǔ)、前沿?zé)狳c(diǎn)、工程實(shí)踐三個角度出發(fā)，積極探索并提出了如“前沿科技大講堂”、“教學(xué)與MATLAB實(shí)踐相結(jié)合”等具體可行的培養(yǎng)方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；創(chuàng)新能力；素質(zhì)培養(yǎng)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）13-0177-02

一、引言

在大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新的時代背景下，是否具有創(chuàng)造性思維和綜合創(chuàng)新能力已成為衡量當(dāng)代大學(xué)畢業(yè)生素質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此，我們以培養(yǎng)學(xué)生的自主實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，結(jié)合我校“數(shù)字信號處理”教學(xué)實(shí)際情況，提出了新的教學(xué)模式，旨在重點(diǎn)提升學(xué)生的創(chuàng)新素質(zhì)，全面增強(qiáng)學(xué)生個人核心競爭力，為國家培養(yǎng)綜合應(yīng)用型人才。

二、本課程教學(xué)工作中的現(xiàn)存問題

1.基礎(chǔ)課程有待加強(qiáng)?！皵?shù)字信號處理”是一門綜合性很強(qiáng)的科目，以“高等數(shù)學(xué)”、“復(fù)變函數(shù)”為基礎(chǔ)，綜合融入了“信號與系統(tǒng)”等科目知識，形成了較為龐大的知識體系。本課程有些知識過于理論化、抽象化，難以理解，因此要想系統(tǒng)深入地掌握本課程，必須擁有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識及較強(qiáng)的抽象思維能力，但學(xué)生的基礎(chǔ)知識普遍較差，無法深入理解，更無法深入探究在學(xué)習(xí)中遇到的問題。這在教學(xué)實(shí)踐過程中是一個大的障礙，需要我們積極探索更有利學(xué)生的教學(xué)和實(shí)踐方法。

2.理論與實(shí)踐不平衡。傳統(tǒng)教育教學(xué)活動中，教師普遍重理論輕實(shí)踐，學(xué)生只會用公式做題，解題思路按部就班，思維禁錮，動手實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)少，無法具體深入地了解書本上抽象化公式，無法做到學(xué)有所用。在為數(shù)不多的實(shí)驗(yàn)課程安排中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟統(tǒng)一化，方法和結(jié)果唯一化，缺乏開放性的、路徑多元化的開放性實(shí)驗(yàn)課程，使得學(xué)生的創(chuàng)新能力毫無生長土壤。

3.學(xué)生缺乏團(tuán)隊意識。一個好的團(tuán)隊會拓寬思維，使工作成果最優(yōu)化，對于個人能力的提高也會起到至關(guān)重要的作用。但教學(xué)實(shí)踐中，由于團(tuán)隊合作經(jīng)驗(yàn)少、學(xué)生個性強(qiáng)等原因，部分學(xué)生團(tuán)隊意識淡薄，實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)與同學(xué)意見相左時處理不當(dāng)、不懂得如何協(xié)同作業(yè)等問題，導(dǎo)致學(xué)生無法在團(tuán)隊合作的過程中解決問題、提升自身能力，團(tuán)隊整體處理問題能力下降。

三、培養(yǎng)路徑

1.夯實(shí)基礎(chǔ)。扎實(shí)的理論基礎(chǔ)是創(chuàng)新的奠基石，針對學(xué)生高數(shù)基礎(chǔ)差等問題，我們提出了修改方案，課前對于所需的數(shù)學(xué)知識加以提示，使學(xué)生提前復(fù)習(xí)相應(yīng)基礎(chǔ)課程；課中對相應(yīng)的重點(diǎn)基礎(chǔ)知識進(jìn)行補(bǔ)充，保證學(xué)生的理論基礎(chǔ)足以支持其對于整個課程知識體系的構(gòu)建。對復(fù)雜的理論進(jìn)行精講，特別是在引入一個新的知識點(diǎn)時，利用流程圖、推導(dǎo)圖等使公式等形象化，使知識點(diǎn)更容易理解，變抽象化的公式為形象且簡單的結(jié)構(gòu)圖，為以后的深入講解打下基礎(chǔ)[1]。

下面我們以一個簡單的8階FIR為例，通過圖1，學(xué)生可以清晰地認(rèn)識到濾波器主要由三部分組成：即數(shù)據(jù)移位寄存器、乘法器、加法器。并且可輕松理解各重要組成部分之間的關(guān)系。

2.教學(xué)與前沿緊密相連。傳統(tǒng)的教育教學(xué)中，過度重視書本教學(xué)，割裂了課程與相應(yīng)領(lǐng)域前沿的聯(lián)系。由此，鼓勵老師結(jié)合課本以外的知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，引導(dǎo)其發(fā)現(xiàn)身邊有待解決的相關(guān)問題。在今后的教學(xué)活動中，我們將會邀請學(xué)科相關(guān)領(lǐng)域的專家，就當(dāng)今熱門問題組織“前沿科技進(jìn)課堂”等知識講座，如“語音的元音和輔音的時頻特性”、“測量儀表和儀器行業(yè)中信號處理的應(yīng)用”等。力求使“數(shù)字信號處理”這門課程與時代的發(fā)展緊密相連，讓學(xué)生們真正了解這門課程在實(shí)際工程中的應(yīng)用，加深對書本上理論知識的理解，真正明白“學(xué)為何用”，為學(xué)習(xí)注入源動力。

3.重視教學(xué)實(shí)踐相結(jié)合。在以往的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生只有在有實(shí)驗(yàn)任務(wù)的時候才會被動地實(shí)踐。事實(shí)上，實(shí)踐和理論學(xué)習(xí)應(yīng)該是相互促進(jìn)的關(guān)系，因此在教學(xué)的過程中我們要為學(xué)生樹立“通過動手實(shí)踐，自主解決理論難題”的意識。本門課程中對各種信號的分析和處理需要通過大量煩瑣的計算及推導(dǎo)才能實(shí)現(xiàn)，這就打擊了部分學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。由此，我們選擇MATLAB作為教學(xué)實(shí)踐輔助軟件，教學(xué)中教師運(yùn)用該軟件為學(xué)生演示各種信號的運(yùn)算、變換等，讓學(xué)生生動形象地理解這些抽象的概念，也可學(xué)生自己編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，通過觀察可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，解決學(xué)習(xí)中遇到的難題[2]。

例如，在設(shè)計一個通信調(diào)制系統(tǒng)時，需用脈沖成型技術(shù)來調(diào)節(jié)數(shù)字信號的帶寬和減少碼間干擾（ISI）。最常用的一種就是升余弦濾波器。其頻域響應(yīng)為：

通過計算得到濾波器系數(shù)將會非常煩瑣且易出錯，此時我們可以利用MATLAB軟件來求解，在命令窗口中輸入fadtool，在fdatool窗口中設(shè)置階數(shù)、滾降系數(shù)等指標(biāo)，即可輕松得到所需數(shù)據(jù)及相應(yīng)圖形。頻譜等相關(guān)信息非常直觀地展示在學(xué)生眼前。如圖2所示，通過利用MATLAB軟件，學(xué)生將告別枯燥乏味的純計算型學(xué)習(xí)，使理論與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系真正直觀地呈現(xiàn)出來，這將大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自主創(chuàng)新型學(xué)習(xí)的積極性。

4.完善實(shí)踐課程。以往的教學(xué)活動中，綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)較少使得學(xué)生普遍缺乏創(chuàng)新思維和綜合設(shè)計能力，動手實(shí)踐能力差。由此，我們將增加開放性課程設(shè)計，目的是通過讓學(xué)生以團(tuán)隊的形式完成集綜合性、創(chuàng)新性、實(shí)用性為一體的動手實(shí)踐任務(wù)，綜合多學(xué)科知識，綜合各種算法，經(jīng)過討論、共同推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)完成所選課題[3]。提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力、團(tuán)隊合作能力，最大程度上培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新思維。

5.均衡考核比重。在以往的教學(xué)檢測中，期末試卷成績占總成績的60%—80%，一卷定成敗的現(xiàn)象使得學(xué)生輕實(shí)踐重理論。為此，我們主張降低試卷比重，同時對試卷考核內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，加入開放性題目，以與實(shí)際工程相結(jié)合的題目替代以往單一理論與公式類的題目；并對優(yōu)秀實(shí)踐小組進(jìn)行加分獎勵，增加動手實(shí)踐成績在總成績中的比重。

四、結(jié)語

本文積極針對“數(shù)字信號處理”教學(xué)中的現(xiàn)有問題，對學(xué)生培養(yǎng)方法進(jìn)行修正、對教學(xué)模式進(jìn)行改革探索，目的是從根本上激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，最大程度上提升學(xué)生科技創(chuàng)新素養(yǎng)，使傳統(tǒng)的枯燥課堂轉(zhuǎn)變成為新型的創(chuàng)新思維培養(yǎng)基地，為國家培養(yǎng)應(yīng)用型、創(chuàng)新型技術(shù)人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘東，陳春.拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)中“數(shù)字信號處理”教學(xué)方法的探索[A].曲阜師范大學(xué)學(xué)報，2016，1，42（1）.

[2]楊新，徐金玉，汪琳娜.“卓越計劃”下《數(shù)字信號處理》課程教學(xué)改革與創(chuàng)新[J].教育教學(xué)論壇，2014，（53）：118-119.

[3]汪春梅，楊敏，倪繼鋒，等.利用開放性“數(shù)字信號處理”課程設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（11）：122-124.

基金項(xiàng)目：2016年6月北方工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革和課程建設(shè)研究項(xiàng)目（XN093-010）

作者簡介：魯遠(yuǎn)耀（1977-），男（漢族），湖北英山人，博士，副教授，研究方向：圖像處理與模式識別。