案例庫建設(shè)在《現(xiàn)代信號處理》課程教學(xué)中的應(yīng)用

姜暉 朱明哲 武潔 王滿滿

摘 要：針對現(xiàn)代信號處理課程在現(xiàn)有教學(xué)過程中存在公式多和公式推導(dǎo)復(fù)雜的特點，在教學(xué)中采用了案例式教學(xué)法，通過設(shè)計與教學(xué)內(nèi)容結(jié)合緊密的實驗案例，將教學(xué)內(nèi)容以案例的形式進行分解，使學(xué)生參與到課堂的教學(xué)活動中，較好地建立起知識點和實際應(yīng)用的關(guān)聯(lián)，便于對知識點形成較好的認知。通過研究生教學(xué)過程中的實踐，說明案例教學(xué)對促進學(xué)生知識點掌握和提高相關(guān)知識在具體應(yīng)用領(lǐng)域的研究能力具有良好的作用。

關(guān)鍵詞：案例庫; 現(xiàn)代信號處理; 教學(xué)方法

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號： 1006-3315（2020）9-117-001

現(xiàn)代信號處理是一門理論與實踐緊密結(jié)合的研究生課程[1]，是電子與通信工程、信息與通信工程碩士研究生的一門主干課程，具有理論性強、抽象概念多、數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴密且難度大、應(yīng)用于廣泛的電子領(lǐng)域，而且相應(yīng)的理論、方法和技術(shù)一直處于不斷的發(fā)展和變化之中，導(dǎo)致學(xué)生難學(xué)、不易理解、方向不易把握。同時在實際的教學(xué)過程中，大多采用講課加課后復(fù)習(xí)為主，這也進一步加大教學(xué)效果很難達到預(yù)期。因此需要改革教學(xué)方法手段，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思維，強化工程實踐素質(zhì)培養(yǎng)，提高學(xué)生的理論及應(yīng)用水平。

通過“案例庫建設(shè)”的教學(xué)方式[2-4]，加強師生、生生之間的多向互動和積極研討等形式，形成的案例庫反哺學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研工作，讓學(xué)生在整個過程中不斷提高自身發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題的科學(xué)素養(yǎng)，為研究生階段的科學(xué)研究提供多方位的思路，培養(yǎng)學(xué)生文獻調(diào)研、學(xué)習(xí)借鑒與創(chuàng)新的能力，這也符合目前國家提倡的新工科的教學(xué)理念，它將理論知識教學(xué)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的更多自學(xué)，并正確應(yīng)用到工程實踐當中。

一、案例庫設(shè)計

1.思路及原則

“現(xiàn)代信號處理”作為信息科學(xué)中發(fā)展十分迅速的一門專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科，理論性強、抽象概念多、起點高、難度大、數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴密。因此合理的案例設(shè)計是保證教學(xué)效果的關(guān)鍵，案例既要涵蓋現(xiàn)代信號處理的主要理論知識，又要和實踐應(yīng)用相結(jié)合。同時案例要按照理論知識講解的進度進行合理分解，保證學(xué)生在做任務(wù)過程中學(xué)習(xí)理解相應(yīng)的理論知識。因此案例庫在設(shè)計的過程中必須滿足典型性、實用性、啟發(fā)性的原則。

2.案例庫詳細設(shè)計

我們將按照這四個板塊進行案例建設(shè)[5]，在每個板塊擬建設(shè)3至4個案例，現(xiàn)以本書第二章短時傅里葉變換為例。本案例涉及數(shù)字信號處理中的聯(lián)合時頻分析方法，這種方法形成了二維域，在該二維域中能夠表示信號能量隨時間變化的規(guī)律。通過Matlab語言編程來觀察短時傅立葉變換（STFT）對非平穩(wěn)信號頻譜的分析結(jié)果，涉及的知識點主要有現(xiàn)代信號處理中的傅立葉變換、短時傅里葉變換理論基礎(chǔ)方面、窗口函數(shù)的選用、Matlab編程仿真等方面內(nèi)容。

現(xiàn)對一個原始語音信號加一隨機的噪聲信號，首先通過仿真結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)加噪后的語音信號的時域波形比原始信號渾濁了許多，并且在頻率5000Hz以后的頻率幅值發(fā)生了明顯增加。再通過對比原始信號與加噪后信號的回放效果，我們還能夠發(fā)現(xiàn)人耳可以明顯辨別出兩種語音信號的差異性。

最后，我們用FIR低通濾波器對加噪語音進行濾波處理，并將其頻譜和時域波形與濾波前進行比較。由于短時傅立葉變換是時頻分析的重要工具，能夠解決傅立葉變換所不能分析的時變信號和非平穩(wěn)信號，但存在Heisenberg的不確定性，因此它不能同時在時域和頻域達到很高的分辨率。

為了更好的對信號進行分析，我們要根據(jù)不同的信號在不同的時域和頻域的要求，必須選擇適當?shù)臅r域或頻域分辨率。

通過案例庫的教學(xué)初期準備工作，并結(jié)合學(xué)生的后期參與，提高學(xué)生和教師的互動，以及學(xué)生的自我學(xué)習(xí)和相互討論能力的訓(xùn)練。案例教學(xué)是深化研究生教育綜合改革的重要內(nèi)容，是改革教學(xué)方式的重要探索，是繼情境教學(xué)、討論式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂的又一種新的教學(xué)方法。

三、結(jié)束語

針對實際教學(xué)中出現(xiàn)的問題，開展案例教學(xué)方法的研究與實踐，使學(xué)生不僅能夠掌握現(xiàn)代數(shù)字信號處理的基本理論與方法，而且具有獨立分析、解決實際問題的創(chuàng)新能力，對促進教學(xué)工作，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)研究生實踐能力方面具有重要意義。

參考文獻：

[1]陳純鍇，關(guān)雪梅，徐妮妮，王少娜.現(xiàn)代數(shù)字信號處理研究生課程教學(xué)案例庫建設(shè)[J]高師理科學(xué)刊，2018，38（2）：80-83

[2]陶丹，胡健，陳后金.“信號與系統(tǒng)”課程案例教學(xué)探討[J]電氣電子教學(xué)學(xué)報，2015，37（5）：55-57

[3]孫軍偉，黃春.建設(shè)研究生課程案例庫，保障高水平應(yīng)用型人才培養(yǎng)[J]中國電力教育，2016，（1）：78-81

[4]趙明，廖志芳，楊柳，易茜.軟件工程核心課程教學(xué)案例庫建設(shè)以及案例教學(xué)實踐[J]計算機教育，2019，（8）：32-35

[5]胡廣書.現(xiàn)代信號處理教程[M]清華大學(xué)出版社，2010