數(shù)字信號處理課程教學(xué)探索

芮雄麗 陳瑞

【摘 要】數(shù)字信號處理課程具有公式多、概念抽象、掌握難度大等特點(diǎn)。從了解課程結(jié)構(gòu)、知識點(diǎn)歸納比對、問題引導(dǎo)、興趣推動等幾個方面進(jìn)行教學(xué)探索。教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，該方法對提高課堂教學(xué)效果，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣有積極的作用。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號處理；課程結(jié)構(gòu)；問題引導(dǎo)；歸納比較；教學(xué)

【中圖分類號】G423 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）08-0020-01

引言

“數(shù)字信號處理”這門課程在高校眾多專業(yè)中開設(shè)，是通信信息類課中一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。另一方面，師生們普遍反映這門課難學(xué)，難教。究其原因，主要表現(xiàn)在兩個方面，其一是公式多。從課程體系來看，數(shù)字信號處理的先修課程包括信號與系統(tǒng)等數(shù)學(xué)要求相對較高的課程，在此基礎(chǔ)上再搭建數(shù)字信號處理的知識，因此，對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不扎實(shí)的學(xué)生來說，掌握課程中的公式是一個難點(diǎn)。其二是知識點(diǎn)抽象，要用一些手段才能將其感受出來，如信息需通過聲、光、熱、磁等來傳遞，同時要用一些抽象的變換進(jìn)行分析、提取等。這種抽象對于知識點(diǎn)的理解是個難點(diǎn)。因此，教師們對這門課的教學(xué)一直在探索，提出微課教學(xué)、基于問題引導(dǎo)、案例教學(xué)等切實(shí)可行的方法[1-4]。

一、了解課程結(jié)構(gòu)

所謂“知己知彼，百戰(zhàn)不殆”，了解課程結(jié)構(gòu)，對課程有個概貌認(rèn)知，有助于學(xué)生了解課程任務(wù)和內(nèi)容，以便了解當(dāng)前課程進(jìn)度，不會在公式中迷失。經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這有助于學(xué)生消除對課程的“害怕”情緒。教學(xué)中，利用角色代入手法，讓學(xué)生把自己當(dāng)成即將對某信號進(jìn)行處理（如對帶噪音語音進(jìn)行濾波）的工程師，由此引出系列問題，如：信號如何表示？系統(tǒng)如何表示？頻譜分布情況如何？采用什么濾波器？濾波器如何設(shè)計(jì)？設(shè)計(jì)出來后如何實(shí)現(xiàn)？問完這些問題，數(shù)字信號處理課程的主要結(jié)構(gòu)也就出來了。

二、歸納比對

利用公式和圖形比對的方法幫助理解課程中較難學(xué)的知識點(diǎn)。DTFT、DFS和DFT是數(shù)字信號處理中的幾種變換，它們之間的關(guān)系往往是學(xué)生不易掌握的難點(diǎn)之一。此時，把這幾種變換公式列在一起進(jìn)行比對，比較其中各符號含義和對信號的要求。如DTFT對輸入序列長度沒要求；DFS用于分析周期序列；DFT用于分析有限長序列。假如某一時域有限長序列x（n）的Z變換收斂域包含單位圓，則借助Z變換復(fù)平面，可以把x（n）的DTFT和DFT以及其周期延拓序列x（（n））N的DFS之間的關(guān)系用圖形描述出來。x（n）的Z變換在單位圓上的變換就是其DTFT，而在該單位圓上等間隔采樣一圈得該序列N點(diǎn)DFTN；若循環(huán)采樣不停歇，則得到x（（n））N的DFS。

歸納比對方法在圓周卷積的學(xué)習(xí)和應(yīng)用也很有幫助。線性時不變系統(tǒng)中，輸入序列和輸出序列之間的關(guān)系是線性卷積，而在實(shí)際應(yīng)用中，往往采用圓周卷積計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)表明，把兩種卷積的過程用圖形的方式列出，比較其計(jì)算結(jié)果長度有利于學(xué)生輕松理解和掌握該知識點(diǎn)。

三、問題引導(dǎo)

問題引導(dǎo)在數(shù)字信號處理課程中尤其重要。由于課程的抽象性，學(xué)生很難把知識點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，這時候就需要合適的問題來引導(dǎo)，為什么要學(xué)這個知識點(diǎn)。比如濾波器結(jié)構(gòu)這個知識點(diǎn)。IIR濾波器設(shè)計(jì)的結(jié)果是獲得其系統(tǒng)函數(shù)，而此時僅僅是理論設(shè)計(jì)的結(jié)果，具體軟件或者硬件實(shí)現(xiàn)過程中就會遇到一些問題，如參數(shù)存儲、計(jì)算過程中結(jié)果保存等受到有限字長限制時系統(tǒng)性能會有什么影響？濾波器系統(tǒng)函數(shù)各種變形對系統(tǒng)頻率響應(yīng)調(diào)整、運(yùn)行速率、噪聲功率等性能有什么影響？順著這些問題，可以把有限字長限制，各種濾波器結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)等知識點(diǎn)引出。經(jīng)驗(yàn)表明，帶著問題學(xué)習(xí)知識點(diǎn)能使學(xué)生注意力更集中。

四、興趣推動

公式繁雜、概念抽象等特點(diǎn)，使數(shù)字信號處理課程學(xué)習(xí)過程枯燥無趣，很難引起學(xué)生興趣。因此，應(yīng)利用學(xué)生對多媒體的興趣設(shè)計(jì)些有趣的應(yīng)用，激發(fā)其興趣，推動知識點(diǎn)學(xué)習(xí)。如濾波器這個知識點(diǎn)，利用多媒體設(shè)備，請學(xué)生錄簡短的語音文件，課程中利用Matlab演示該段語音的頻譜，在不同頻率區(qū)域上添加噪音，利用audioplayer函數(shù)播放添加前后的音頻，在時域和頻域比較其差別，就噪聲在頻譜中的位置展開討論，目的是將其去除。在這個應(yīng)用中，學(xué)生可自然地理解濾波器的作用、經(jīng)典濾波器和現(xiàn)代濾波器的概念及其差別以及經(jīng)典濾波器的分類和用途。圖1是應(yīng)用中使用演示圖。

五、結(jié)束語

本文利用多年一線教學(xué)心得，從課程結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用相關(guān)知識點(diǎn)歸納比較避免知識點(diǎn)混淆、設(shè)置實(shí)用問題引出重要知識點(diǎn)、利用多媒體設(shè)計(jì)應(yīng)用示例激發(fā)興趣等方法，對課程的教學(xué)做了探索，使學(xué)生能夠更好學(xué)習(xí)這門課程。

參考文獻(xiàn)

[1]張曉光，湯文豪，王艷芬，等.數(shù)字信號處理案例教學(xué)法研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018（5）：214-217.

[2]楊智明，彭喜元，俞洋.數(shù)字信號處理課程實(shí)踐型教學(xué)方法研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（9）：180-183.

[3]趙素文.基于微課的數(shù)字信號處理課程翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)[J].西部素質(zhì)教育，2018（6）：94.

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基金項(xiàng)目：南京工程學(xué)院高等教育研究課題，2018YB19。