數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革探索

王鳳琴 楊永雙 何燕

摘 要：本文研究了數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)改革方法，文中詳細(xì)敘述了課程知識(shí)體系優(yōu)化、多模式教學(xué)，結(jié)合動(dòng)態(tài)演示的教學(xué)策略，基于線(xiàn)上線(xiàn)下有機(jī)結(jié)合教學(xué)實(shí)施方案及課程及時(shí)有效的學(xué)習(xí)反饋，從而完成傳統(tǒng)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，有效提高學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理; 多模式教學(xué); 線(xiàn)上線(xiàn)下; 教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1006-3315（2021）1-160-002

一、引言

數(shù)字信號(hào)處理是通信工程、電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程，該課程具有數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)多、內(nèi)容廣泛、概念抽象等特點(diǎn)[1]。以往的教學(xué)模式以講授知識(shí)點(diǎn)為重，將知識(shí)“灌輸”給學(xué)生，授課過(guò)程中缺乏對(duì)數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的重視[2-3]，重點(diǎn)講授“是什么”，而忽略了“為什么”和可以“做什么”，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，欠缺主動(dòng)思考探索，且教學(xué)反饋過(guò)于單一、滯后，通常通過(guò)期末卷面考核結(jié)果總結(jié)分析，獲得學(xué)生學(xué)習(xí)掌握知識(shí)的情況及存在的問(wèn)題，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，直接影響到學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并最終影響學(xué)習(xí)效果。

針對(duì)上述問(wèn)題，自2018年起，鄭州輕工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院數(shù)字信號(hào)處理課程組開(kāi)始實(shí)施該課程綜合改革，結(jié)合該門(mén)課程的特點(diǎn)及學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)，在教學(xué)策略、教學(xué)實(shí)施等方面進(jìn)行教學(xué)探索和嘗試，取得一些有益的成果。

二、課程教學(xué)改革

1.教學(xué)策略

數(shù)字信號(hào)處理是我校電子信息工程系三年級(jí)學(xué)生必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。課程組對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心討論策劃，優(yōu)化知識(shí)體系，采用問(wèn)題啟發(fā)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)等多模式教學(xué)、對(duì)比分析，動(dòng)態(tài)演示的教學(xué)策略，如圖1所示。

2.優(yōu)化知識(shí)體系

課程授課內(nèi)容主要包括信號(hào)處理與分析和濾波器設(shè)計(jì)兩大模塊，每個(gè)模塊下又分為不同的知識(shí)模塊，每個(gè)模塊內(nèi)容詳細(xì)規(guī)劃，重點(diǎn)突出。授課課程知識(shí)體系圖如圖2所示。

2.1多模式教學(xué)

課程組將多種教學(xué)方法進(jìn)行有機(jī)融合。由問(wèn)題啟發(fā)[4-5]引入相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生積極思考，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)[6]將理論內(nèi)容融合在實(shí)踐項(xiàng)目中，促使學(xué)生結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，逐步熟悉和理解理論內(nèi)容。

比如講解模擬信號(hào)數(shù)字處理方法時(shí)，由問(wèn)題“為什么要將模擬信號(hào)數(shù)字化”，進(jìn)行分組討論，引導(dǎo)得出數(shù)字信號(hào)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、易存儲(chǔ)、易傳輸、易處理的特點(diǎn)。然后由問(wèn)題“我們能不能從模擬信號(hào)中抽樣出一系列離散值，由這些離散值無(wú)失真恢復(fù)原模擬信號(hào)”，引入生活中音頻信號(hào)采樣和圖像采樣實(shí)例，采用MTALAB軟件進(jìn)行采樣恢復(fù)演示，對(duì)比不同抽樣頻率下的聲音及圖像信號(hào)的恢復(fù)效果，使同學(xué)們直觀認(rèn)識(shí)到，抽樣間隔對(duì)信號(hào)的影響、能不能無(wú)失真恢復(fù)原模擬信號(hào)，抽樣間隔是關(guān)鍵，進(jìn)一步引導(dǎo)提出問(wèn)題“如果要無(wú)失真恢復(fù)原模擬信號(hào)，采樣間隔應(yīng)該如何選取”，給出抽樣的模型，理論推導(dǎo)得出結(jié)論：一個(gè)頻譜有限信號(hào)f（t），如果頻譜的最高頻率為fm，抽樣間隔Ts小于等于[12fm]時(shí)，可以從抽樣信號(hào)中無(wú)失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。

最后結(jié)合抽樣定理的工程應(yīng)用實(shí)例“CD數(shù)字錄音系統(tǒng)”，探討CD系統(tǒng)如何選擇采樣率，并討論抽樣前，對(duì)錄制的聲音信號(hào)為什么要進(jìn)行低通濾波，從而引出抗頻譜混疊濾波器。這樣以問(wèn)題為導(dǎo)向，層層深入，將所學(xué)內(nèi)容與實(shí)際生活結(jié)合，有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維能力。

具體講解頻率采樣法設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，由實(shí)際生活提出問(wèn)題“工程上，常給定頻域上的技術(shù)指標(biāo)，能不能直接在頻域進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)”，引入用頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器的基本思想，設(shè)計(jì)方法，約束條件等;實(shí)例講解如何利用頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器，結(jié)合軟件演示對(duì)濾波器設(shè)計(jì)結(jié)果直觀地進(jìn)行分析;舉例分析大多數(shù)信號(hào)應(yīng)用場(chǎng)合，利用頻率采樣法設(shè)計(jì)的濾波器阻帶衰減的是不能令人滿(mǎn)意的，從而給出改善阻帶衰減的方法;對(duì)比FIR和IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，分組討論，總結(jié)兩種濾波器各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適合的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.2對(duì)比分析

數(shù)字信號(hào)處理的先修課程為信號(hào)系統(tǒng)，它們之間有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，比如Z變換的性質(zhì)、傅里葉變換、離散傅里葉變換等，通過(guò)對(duì)比分析[7]講解公式推導(dǎo)，溫故知新，將信號(hào)與系統(tǒng)中的已有的方法對(duì)比應(yīng)用到數(shù)字信號(hào)處理課程中新的知識(shí)點(diǎn)。

2.3動(dòng)態(tài)演示

針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科中許多難以理解算法，制作基于MATLAB的教學(xué)演示系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括信號(hào)產(chǎn)生模塊、抽樣模塊、頻譜演示模塊、IIR濾波器生成模塊和FIR濾波器生成模塊?；贛ATLAB的教學(xué)演示系統(tǒng)把數(shù)字信號(hào)處理中的一些重點(diǎn)、難點(diǎn)用生動(dòng)形象的方式展現(xiàn)出來(lái)，使學(xué)生易于理解，幫助其快速有效地完成課程的學(xué)習(xí)。

3.教學(xué)實(shí)施

教學(xué)實(shí)施方案采用線(xiàn)上線(xiàn)下相結(jié)合的方式，如圖3所示。采用現(xiàn)代信息技術(shù)，建設(shè)并利用反映課程體系與內(nèi)容的在線(xiàn)課程，供學(xué)生學(xué)習(xí)。學(xué)生可在課前通過(guò)線(xiàn)上自主學(xué)習(xí)，線(xiàn)上交流后，進(jìn)行線(xiàn)上檢測(cè)，并反饋問(wèn)題。

線(xiàn)下教學(xué)，以學(xué)生為中心增強(qiáng)交互性，設(shè)置課程分組討論，解決問(wèn)題，得出相關(guān)重要知識(shí)結(jié)論，加深學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的理解。授課過(guò)程注重理論與工程實(shí)踐相結(jié)合，通過(guò)分組討論講解為什么要引入此知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際結(jié)合項(xiàng)目和學(xué)科前言引導(dǎo)學(xué)生理解所學(xué)內(nèi)容可以做什么，在此基礎(chǔ)上抽象定義，闡述性質(zhì)，詮釋?xiě)?yīng)用告訴學(xué)生“是什么”。

4.教學(xué)反饋

4.1學(xué)習(xí)反饋

及時(shí)有效的反饋會(huì)直接影響到學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)態(tài)度并最終影響學(xué)習(xí)效果[8]。教師時(shí)刻關(guān)注學(xué)生的整體學(xué)習(xí)狀態(tài)。課程開(kāi)始時(shí)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的課堂小測(cè)試，并結(jié)合課堂討論，了解學(xué)生對(duì)前期信號(hào)與系統(tǒng)、線(xiàn)性代數(shù)等相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備，對(duì)學(xué)生提出該課程學(xué)習(xí)方法的建議。通過(guò)線(xiàn)上線(xiàn)下作業(yè)完成情況、隨堂問(wèn)答及分組討論了解學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握情況，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，討論總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和可實(shí)施方案。

4.2信息溝通

充分利用微信、QQ教學(xué)群及電子郵箱等網(wǎng)絡(luò)資源，及時(shí)進(jìn)行師生溝通，對(duì)學(xué)生的提問(wèn)，根據(jù)問(wèn)題反饋情況特殊問(wèn)題進(jìn)行一對(duì)一講解、共性問(wèn)題課堂解決。學(xué)生對(duì)教師教學(xué)的意見(jiàn)和建議也可以通過(guò)微信、郵箱來(lái)反饋。教師利用QQ群向?qū)W生推送有關(guān)教學(xué)文件、學(xué)習(xí)方法、學(xué)科資料。

三、結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革探索，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中取得了良好的效果，獲得同行教師和學(xué)生的一致好評(píng)，被評(píng)為校級(jí)優(yōu)秀課程。線(xiàn)上線(xiàn)下教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，多模式的教學(xué)策略將枯燥的理論學(xué)習(xí)生動(dòng)化，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生不但理解了課程中復(fù)雜煩瑣的公式和定理是什么，而且能夠有效將所學(xué)知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，明白了為什么要學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，課程中復(fù)雜煩瑣的公式在實(shí)際中可以做什么。

資助項(xiàng)目：新型在線(xiàn)開(kāi)放課程——微課建設(shè)與應(yīng)用研究，鄭州輕工業(yè)大學(xué)第十一批教學(xué)改革與研究項(xiàng)目

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