多管齊下提高數(shù)字信號處理的教學(xué)質(zhì)量

胡潔

摘? 要：數(shù)字信號處理作為通信電子類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有涵蓋知識面廣、內(nèi)容抽象、理論性強(qiáng)等特點(diǎn)。傳統(tǒng)教學(xué)方法著重于知識點(diǎn)的講解，但缺少輔助手段，因此往往效果不盡如人意。該文通過思維導(dǎo)圖引導(dǎo)學(xué)生記憶、Matlab軟件演示加深理論理解、案例講解加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)際問題的解決能力三個方面對該課程進(jìn)行了教學(xué)改革的探討，達(dá)到了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)效果的目的。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理? 思維導(dǎo)圖? Matlab軟件? 案例講解? 教學(xué)改革

中圖分類號：TN911.72-4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0112-02

數(shù)字信號處理系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等各個領(lǐng)域中，其重要性不言而喻。數(shù)字信號處理作為一門理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的課程，學(xué)好它不僅有助于本科學(xué)生初步掌握信號處理中的概念和基本算法、培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)字信號處理分析和解決問題的能力，也為后續(xù)進(jìn)一步從事數(shù)字信號處理理論研究或應(yīng)用實(shí)踐打下良好基礎(chǔ)，有助于培養(yǎng)應(yīng)用型、行業(yè)特色型人才。但數(shù)字信號處理課程由于其理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象且覆蓋面廣，學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時往往感覺枯燥、主動學(xué)習(xí)性較弱，導(dǎo)致最終教學(xué)效果不甚理想。這里，我們從思維導(dǎo)圖、Matlab輔助、案例分析3個方面入手，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

1? 思維導(dǎo)圖在數(shù)字信號處理中的應(yīng)用

思維導(dǎo)圖由英國學(xué)者托尼·巴贊提出[1]，是一種有效將思維形象化的圖形思維工具。它通過樹形結(jié)構(gòu)，將各級主題的關(guān)系用相互隸屬與相關(guān)的層級圖表現(xiàn)出來，具有直觀友好、層次清晰等特點(diǎn)。教師在備課時可用思維導(dǎo)圖制定合理的教學(xué)計(jì)劃、組織教學(xué)內(nèi)容，為上好每一堂課做好準(zhǔn)備，使課堂教學(xué)更為清晰合理。

在數(shù)字信號處理教學(xué)中，引入思維導(dǎo)圖有助于學(xué)生串起各個分散知識點(diǎn)，更好地把握各個概念、算法之間的聯(lián)系。例如，數(shù)字信號處理課程中，包含各類信號分析方法，如Z變換、DTFT（序列的傅立葉變換）、DFT（離散傅立葉變換）、FFT（快速傅立葉變換），這些信號分析方法是后續(xù)進(jìn)行信號處理的基礎(chǔ)，具有十分重要的意義。但是這些算法公式繁多、不易記憶，彼此之間存在的關(guān)系也讓學(xué)生顧此失彼。通過引入思維導(dǎo)圖，不僅對每種變換有直觀地認(rèn)識，而且將不同算法聯(lián)系起來，建立了各個知識點(diǎn)之間的聯(lián)系。

此外，在課堂以外，要求學(xué)生在每章節(jié)結(jié)束后畫出手繪思維導(dǎo)圖，通過對知識點(diǎn)的整理和歸納，反思自己的學(xué)習(xí)過程，形成清晰的知識網(wǎng)絡(luò)。

2? Matlab課堂演示和實(shí)驗(yàn)

Matlab因其專業(yè)的信號處理工具箱、友好的編程環(huán)境、強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和符號計(jì)算功能，在數(shù)字信號處理中得到了廣泛應(yīng)用[2]。在信號處理教學(xué)中，教師也可以根據(jù)實(shí)際教學(xué)內(nèi)容，編寫相關(guān)程序，通過課堂展示有助于教師更好地闡述教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生更容易理解相關(guān)知識點(diǎn)。例如，在信號的抽樣和恢復(fù)中，通過改變采樣序列的頻率，觀察恢復(fù)后的信號和原信號的區(qū)別，從而更好地理解采樣定理。

除了課堂理論教學(xué)加入Matlab演示之外，還增加數(shù)字信號處理的Matlab實(shí)驗(yàn)作為課堂內(nèi)容的補(bǔ)充。如FIR數(shù)字濾波器的加窗設(shè)計(jì)，如果僅僅在課堂上通過理論學(xué)習(xí)，學(xué)生會很難理解各個窗函數(shù)的區(qū)別。通過Matlab信號處理工具箱或簡單的Matlab函數(shù)，學(xué)生選擇不同的窗函數(shù)以及相應(yīng)的參數(shù)，可以很直觀地看出不同的窗函數(shù)之間的差別，如圖1所示。通過自己動手編寫Matlab程序，學(xué)生不僅進(jìn)一步理解了理論知識，更牢固地掌握了相關(guān)知識點(diǎn)，同時有助于克服對信號處理學(xué)習(xí)的畏難情緒，使數(shù)字信號處理這門課程更順暢地開展。

3? 基于問題引導(dǎo)的案例分析

數(shù)字信號處理在諸多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，因此該課程是一門理論和實(shí)踐相結(jié)合的課程。在課堂教學(xué)時通過加入案例引導(dǎo)學(xué)習(xí)，不僅豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，而且提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生自主思考、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力[3-4]。例如，在學(xué)習(xí)了IIR和FIR濾波器的設(shè)計(jì)后，給學(xué)生演示語音消噪的案例。首先讓學(xué)生聽一段語音信號，然后在該語音信號中加入噪聲，讓學(xué)生體會兩者在聽覺、時域和頻域上的差別。接著，利用IIR濾波器和FIR濾波器對該加噪信號進(jìn)行低通濾波處理，當(dāng)選擇不同的參數(shù)時，同樣讓學(xué)生觀察處理后的語音信號和之前兩個語音信號的差別。在該語音信號消噪的案例的講解過程中，教師始終引導(dǎo)學(xué)生思考，加入噪聲后時域信號和頻譜分別產(chǎn)生了什么變化？IIR濾波器如何合理選擇參數(shù)？在采用FIR濾波器對加噪信號處理時，選擇不同的窗函數(shù)和階數(shù)對結(jié)果造成了什么影響等等。案例講解過程中始終圍繞問題進(jìn)行，讓學(xué)生帶著問題和好奇心緊跟教師的思路，和教師積極互動，提高了對相關(guān)知識點(diǎn)的興趣并加深了理解。

4? 結(jié)語

數(shù)字信號處理是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其數(shù)學(xué)推導(dǎo)多、內(nèi)容相對比較枯燥，因此很難引起學(xué)生的興趣。我們在傳統(tǒng)的教學(xué)方式之外，通過引入思維導(dǎo)圖、Matlab軟件平臺和案例講解，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了學(xué)生思考問題、解決問題的能力，取得了較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 東尼·巴贊，巴利·巴贊.思維導(dǎo)圖[M].北京：中信出版社，2009.

[2] 沈再陽.精通Matlab信號處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[3] 陳海燕，何繼愛，藺瑩.基于問題引導(dǎo)的數(shù)字信號處理課程教學(xué)方法研究與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2018（4）：173-174.

[4] 胡海東.《數(shù)字信號處理》課程教學(xué)改革探討[J].科技資訊，2012（34）：180.