數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革模式探討

洛陽理工學(xué)院計算機學(xué)院 董漢磊 劉 鈞 呂治國

針對目前高等院?！皵?shù)字信號處理”課程的教學(xué)情況和存在問題，根據(jù)學(xué)情特點研究了“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)過程的結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置，明確提出了就教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)方法、實踐教學(xué)法和考核方式的改革方案；通過一系列的實驗證明，這些措施可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高研究和創(chuàng)新能力，以達到改善教學(xué)效果的目的。

1 課程定位和特點

“數(shù)字信號處理”是高等學(xué)校電氣信息技術(shù)類專業(yè)的重要理論課程。學(xué)生學(xué)完該課程后，進而可以學(xué)習(xí)一些更為專業(yè)的后續(xù)課程，例如視頻信號和語音信號處理。講授該課程時應(yīng)注意與后續(xù)課程的對接，不僅要防止重復(fù)過多，而且要保持課程的一致性。由于該課程涉及很多的數(shù)學(xué)思維方法，而且一些學(xué)生對它的基礎(chǔ)課程“信號與系統(tǒng)”掌握的不佳，這導(dǎo)致許多學(xué)生害怕學(xué)習(xí)它，進而厭倦學(xué)習(xí)該課程。在這種情況下，我們對“數(shù)字信號處理”課程進行教學(xué)研究和改革，以便更好地適應(yīng)該課程的發(fā)展就顯得十分必要。

2 數(shù)字信號處理課程的教學(xué)現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的數(shù)字信號課程中，大多數(shù)只討論優(yōu)化算法的基本理論和計算，很少涉及完成方法和相關(guān)的軟硬件技術(shù)，這與科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和行業(yè)的規(guī)定相去甚遠。學(xué)生學(xué)過課程后，對具體硬件了解極少，無法適應(yīng)DSP硬件電路開發(fā)和應(yīng)用的工作要求。由于課程內(nèi)容的高度抽象性，不少學(xué)生對相關(guān)的概念和理論知識存在畏懼和厭煩心理，獲得相關(guān)專業(yè)知識的方法相對較少，這導(dǎo)致許多學(xué)生害怕學(xué)習(xí)本課程，甚至一直處于厭倦學(xué)習(xí)的狀態(tài)。當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字信號課程時，他們會認為課本中的許多定義都是抽象的，很難理解其中的基本理論，對一些題目的分析方法更是難于掌握。

因此，全世界的學(xué)術(shù)界都在尋找改革和創(chuàng)新的方法。目前，主要是沿著兩條途徑。一種是使用MATLAB等軟件工具對數(shù)據(jù)信號處理的優(yōu)化算法進行仿真。另一種是介紹電子行業(yè)中常用的DSP組件，并具體指導(dǎo)學(xué)生完成數(shù)據(jù)信號處理的優(yōu)化算法，尤其是實時（Real Time）完成。在對世界名校的社會發(fā)展要求和教育改革方法進行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，對數(shù)字信號處理課程進行了重大的改革和創(chuàng)新。

3 課程知識體系化

數(shù)據(jù)信號處理過程中有很多知識點，而數(shù)學(xué)過程中的計算非常復(fù)雜。根據(jù)對這門課程的深入分析，比較知識要點，找到一條圍繞課程的路線，在課程教學(xué)中只需要掌握這條路線，復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算就可以變得更加清晰和容易記住。課程內(nèi)容分為兩個控制模塊：轉(zhuǎn)換域的知識結(jié)構(gòu)和數(shù)字濾波器的知識結(jié)構(gòu)。

變換域的知識結(jié)構(gòu)是課程的第一個控制模塊結(jié)構(gòu)。首先介紹頻域離散可變信號和系統(tǒng)，然后根據(jù)頻域采樣定理對脈沖信號進行采樣，對離散可變時間數(shù)據(jù)信號（編碼序列）的內(nèi)容進行討論。其次講述DTFT、DFS、ZT（IZT）、DFT變換的定義、性質(zhì)和定理。數(shù)字濾波器的知識結(jié)構(gòu)是課程的第二個主要控制模塊結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵是討論數(shù)字濾波器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和設(shè)計方法。數(shù)字濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為：IIR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和FIR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從整體上看這門課程，就會發(fā)現(xiàn)內(nèi)容沒有想象中的那樣繁瑣，抓住了課程的主線，由主線再到枝葉知識點，學(xué)習(xí)就變得容易多了。

4 教學(xué)方法改革

傳統(tǒng)的教學(xué)方式是一種枯燥的灌輸式課堂教學(xué)，長期以來一直無法適應(yīng)當(dāng)今課堂教學(xué)的發(fā)展趨勢。多媒體設(shè)備、實訓(xùn)室等多種綜合教學(xué)方法，不斷提高了學(xué)生的積極性，增強合作學(xué)習(xí)能力，使課堂教學(xué)更加生動有趣。教學(xué)情境引入的環(huán)節(jié)要求教師教學(xué)的基本理論內(nèi)容由淺到深，然后逐步正確指導(dǎo)，一步一步引導(dǎo)學(xué)生深入到知識的核心內(nèi)容。一般的基本原理需要和實際案例緊密結(jié)合，抽象的基本原理專業(yè)知識，通過可視化的方式呈現(xiàn)，使學(xué)生更容易接受。為了使學(xué)生從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)楠毩⑺伎?，必須對基礎(chǔ)理論定義進行仔細的劃分。探究式學(xué)習(xí)是以“培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)，提出和解決困難的能力”為課程目標(biāo)；使用各種主題或項目設(shè)計，設(shè)計培訓(xùn)方案等；在分析問題的基礎(chǔ)上，解決難題的過程中，訓(xùn)練學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的研究方法，從多方面獲得豐富多樣的專業(yè)知識，加強對基礎(chǔ)知識的理解和掌握。

5 評價體系改革

在當(dāng)前階段，社會發(fā)展的趨勢提倡鼓勵式的互動課堂教學(xué)，因為不同的評價可能會對學(xué)生日后的學(xué)習(xí)和實習(xí)培訓(xùn)等造成影響。因此，設(shè)計一套科學(xué)的評價體系在課堂教學(xué)改革中顯得非常重要。傳統(tǒng)的教學(xué)評估管理系統(tǒng)以期末考試成績?yōu)樽罱K結(jié)果?，F(xiàn)在，課堂教學(xué)的內(nèi)容已經(jīng)包括課堂教學(xué)，實踐教學(xué)，課程設(shè)計和生產(chǎn)實習(xí)等。所以評價體系也要做相應(yīng)的調(diào)整?？茖W(xué)的評價體系應(yīng)包括正常課堂表現(xiàn)，完成作業(yè)情況，期末考試成績，實驗表現(xiàn)，課程設(shè)計效果等。優(yōu)秀的課堂表現(xiàn)一方面是上課率，另一方面是聽課質(zhì)量，包括課堂教學(xué)中提出問題的回答情況和課堂教學(xué)討論的情況。根據(jù)家庭作業(yè)的布置安排，檢查專業(yè)知識的學(xué)習(xí)狀況，并注意作業(yè)中是否存在抄襲。老師可以將學(xué)生分為若干個工作小組，不同的小組具有不同的問題類型。

例如在課堂教學(xué)中，需要學(xué)生完成一項較為繁瑣的工作，可以按照每組8人進行分組。要求學(xué)生編寫信號處理優(yōu)化算法程序、要求每個小組根據(jù)期刊論文的格式提交報告，以及進行論文宣講和答辯，并回答其他同學(xué)們的問題。這樣可以讓學(xué)生們更積極主動的進行學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生們的相互合作精神以及表述能力。

6 線上教學(xué)資源建設(shè)

計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用趨勢已經(jīng)顯示出其強大的優(yōu)勢，因此充分利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)代遠程教育是基礎(chǔ)教育改革與發(fā)展的大趨勢。僅靠課堂教學(xué)是無法解決所有問題的，因此課堂教學(xué)之外應(yīng)該有相應(yīng)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)資源。這樣，教學(xué)和在線教育資源就相互補充在一起。在現(xiàn)階段，高校已經(jīng)廣泛建立了校園寬帶，因此可以創(chuàng)建一個具有交互通信和靜態(tài)數(shù)據(jù)教學(xué)資源的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺。在這個平臺上，每個學(xué)生都可以下載或?qū)W習(xí)在線教學(xué)課件等教學(xué)內(nèi)容，并且可以在家、在宿舍里隨時隨地上課。學(xué)生也可以發(fā)布討論帖，提出學(xué)習(xí)疑問和難以解決的問題。根據(jù)服務(wù)平臺上的討論帖，老師可以掌握學(xué)生學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的難點，進行有目的的講解，并隨時掌握每個學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。

利用當(dāng)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，學(xué)生可以瀏覽國外著名大學(xué)的相關(guān)數(shù)字信號課程的網(wǎng)站。通過對比研究和培訓(xùn)，發(fā)現(xiàn)差距并立即迎頭趕上，使學(xué)生能夠了解世界其它國家課堂教學(xué)的不同之處。此外，學(xué)習(xí)和培訓(xùn)海外課程的考核機制，鼓勵學(xué)生掌握數(shù)字信號處理發(fā)展趨勢的新影響，并撰寫有關(guān)數(shù)字信號處理技術(shù)的最新論文。進一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和綜合運用能力并使它達到一個新的高度。

7 加強實踐教學(xué)

實踐教學(xué)的成功進行可以促進課堂理論教學(xué)和專業(yè)知識的學(xué)習(xí)。因此，當(dāng)需要增加課時來提高教學(xué)效果時，應(yīng)首先增加實踐教學(xué)課時。實踐教學(xué)課時選擇的原則是：盡量減少演示和認證類型的內(nèi)容，增加設(shè)計和分析類型的內(nèi)容，或者增加某些經(jīng)常要使用到的基礎(chǔ)實驗，例如系統(tǒng)響應(yīng)及系統(tǒng)穩(wěn)定性；時域采樣與頻域采樣；用FFT對信號作頻譜分析；IIR數(shù)字濾波器設(shè)計及軟件實現(xiàn)；FIR數(shù)字濾波器設(shè)計與軟件實現(xiàn)等試驗。在實驗課堂中，同學(xué)們可以互相討論共同參與齊力完成一些有難度的設(shè)計類實驗，經(jīng)過一段時間的訓(xùn)練，同學(xué)們的動手能力將會有所提高，為今后的生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等打下良好的基礎(chǔ)。

8 課程改革輔助措施

建立一流的師資隊伍是課程改革和創(chuàng)新的必要條件。講課老師應(yīng)該熱愛課堂教學(xué)，具有課堂教學(xué)的熱情和更好的語言表達能力，熱愛學(xué)生并與學(xué)生進行更好的溝通。為了更好地實現(xiàn)這一目標(biāo)，在教學(xué)過程中，我們積極研究和討論改進教學(xué)方法，以及互相學(xué)習(xí)和總結(jié)歸納；多和學(xué)生互動交流，掌握他們對教學(xué)改革的意見與建議；課程結(jié)束后，對他們進行問卷調(diào)查，分析問卷調(diào)查的統(tǒng)計結(jié)果，并及時將結(jié)果反饋給授課教師，以便教師對該課程進行總結(jié)，從而確保課堂教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量持續(xù)提高。學(xué)校和院系對課程改革給予必要的支持，對教師付出的勞動給予合適的鼓勵，都對課程改革的順利進行起到了積極的推動作用。

結(jié)束語：在“數(shù)字信號處理”課堂教學(xué)中，課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)進行創(chuàng)新改革，重點應(yīng)為基于最新可編程DSP芯片的硬件結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)和開發(fā)環(huán)境。并進行實驗方法的自主創(chuàng)新，所有示例和實驗都應(yīng)更改為應(yīng)用于MATLAB軟件平臺和DSP硬件平臺來完成。設(shè)置相關(guān)實驗內(nèi)容和實習(xí)內(nèi)容，創(chuàng)建具有輔助設(shè)施的課堂教學(xué)實驗服務(wù)平臺，使學(xué)生不僅可以在PC上模擬每個實驗，它還可以應(yīng)用DSP硬件系統(tǒng)來完成在數(shù)字信號處理過程中學(xué)習(xí)的關(guān)鍵優(yōu)化算法，例如FFT，F(xiàn)IR濾波器，IIR濾波器等。只有進行上述改革，“數(shù)字信號處理”課程才能承擔(dān)起它在電氣信息技術(shù)類專業(yè)教學(xué)中承上啟下的作用。