數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革路徑分析

【摘" 要】 文章分析了數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)的展開現(xiàn)狀以及存在著的共性問題，在此基礎(chǔ)上，著重闡述了數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)的改革探索與優(yōu)化思路，從合理設(shè)置教學(xué)目標(biāo)、優(yōu)化課程內(nèi)容體系、更新課堂教學(xué)方法、引入課程思政理念、重視理論聯(lián)系實(shí)際、完善課程考核方式這幾方面入手，對(duì)相應(yīng)課程教學(xué)的改革策略與實(shí)施要點(diǎn)進(jìn)行了說明，以期實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)的升級(jí)。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)字信號(hào)處理；課程教學(xué)；教學(xué)改革

一、數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)的現(xiàn)狀分析

國(guó)內(nèi)多所理工科院校均已開設(shè)數(shù)字信號(hào)處理課程，同時(shí)也有很多教學(xué)團(tuán)隊(duì)就課程教學(xué)改革和創(chuàng)新開展了研究。不同學(xué)者從不同的角度入手取得了不同的研究成果。電子科技大學(xué)的多位教授從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等方面入手對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程進(jìn)行了相對(duì)全面的探索和研究，降低了學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解難度。解放軍信息工程大學(xué)的多位教師研究和探索了數(shù)字信號(hào)處理課程中涉及的各種處理方式方法所形成的背景，并追本溯源，從成因和背景的角度向?qū)W生介紹了數(shù)字信號(hào)處理這門課程的內(nèi)容，幫助學(xué)生從工科思維的角度進(jìn)一步理解相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用范疇。有教師基于問題探究的角度研究了數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)方法，提出了互動(dòng)式教學(xué)模式。部分教師改革教學(xué)實(shí)踐，將實(shí)際案例應(yīng)用到了課程教學(xué)中，致力于提高學(xué)生的知識(shí)轉(zhuǎn)化能力和實(shí)踐應(yīng)用能力。

總的來(lái)說，在眾多學(xué)者教師的不斷努力下，數(shù)字信號(hào)處理課程建設(shè)取得了一定的成績(jī)，但與時(shí)代發(fā)展對(duì)人才提出的要求仍存在差距。所以在當(dāng)前仍然需要持續(xù)展開數(shù)字信號(hào)處理課程建設(shè)改革，推動(dòng)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生開展探究式學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)出時(shí)代所需的理工科人才。

二、數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)的共性問題分析

數(shù)字信號(hào)處理課程存在“難教難學(xué)”的特點(diǎn)，其原因在于：第一，數(shù)字信號(hào)處理課程與數(shù)學(xué)理論有交叉，對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生而言，數(shù)字信號(hào)處理課程的學(xué)習(xí)難度較大。數(shù)字信號(hào)處理課程是理工類學(xué)科中專業(yè)性較強(qiáng)的課程，包含一定量的抽象概念和理論知識(shí)，其中，部分知識(shí)理論的推演需要有數(shù)學(xué)理論知識(shí)為支撐，包括“高等數(shù)學(xué)”等課程內(nèi)容，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)和基礎(chǔ)要求相對(duì)較高。第二，實(shí)踐性較強(qiáng)。數(shù)字信號(hào)處理課程與數(shù)學(xué)課程交叉的內(nèi)容很多，且該課程實(shí)踐性較強(qiáng)，包括大量的科研、工程內(nèi)容，需要學(xué)生在具有扎實(shí)理論知識(shí)的基礎(chǔ)上完成對(duì)應(yīng)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，并提高實(shí)踐能力。

除了課程本身的特點(diǎn)外，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面也存在一些共性問題影響著課程建設(shè)改革。第一，數(shù)學(xué)知識(shí)內(nèi)容與數(shù)字信號(hào)處理內(nèi)容之間缺乏關(guān)聯(lián)性，造成了綜合能力的培養(yǎng)存在一定的困難。第二，被動(dòng)式、淺顯化記憶造成學(xué)生涉及的數(shù)學(xué)理論知識(shí)記憶不牢。將理論教學(xué)看作重點(diǎn)的教學(xué)模式不利于創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。第三，知識(shí)零散，資源相對(duì)較少；實(shí)踐性課程缺乏實(shí)踐性，不利于學(xué)生自主能力的培養(yǎng)。第四，理論知識(shí)同工程案例相脫節(jié)，不利于知識(shí)轉(zhuǎn)化。

三、數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革路徑探究

（一）合理設(shè)置教學(xué)目標(biāo)

數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)目標(biāo)可以細(xì)化為兩部分，具體如下：

第一，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中要理解時(shí)間離散系統(tǒng)的基本原理、離散時(shí)間傅里葉變換、Z變換、DFT、FFT、時(shí)域采樣定理以及頻域采樣定理等工程基礎(chǔ)知識(shí)，并能夠利用相應(yīng)基礎(chǔ)知識(shí)分析、解決物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。教師需要對(duì)學(xué)生追求真理、探索未知、勇攀科學(xué)高峰的使命感與責(zé)任感進(jìn)行培養(yǎng)；推動(dòng)學(xué)生逐步形成正確的價(jià)值觀念，落實(shí)對(duì)學(xué)生科學(xué)精神、工程思維、思辨能力的培養(yǎng)。

第二，明確使用DFT對(duì)模擬信號(hào)展開譜分析的過程以及誤差，了解各類網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并可以準(zhǔn)確區(qū)分；可以結(jié)合文獻(xiàn)研究?jī)?nèi)容以及窗函數(shù)法的應(yīng)用，完成對(duì)具備線性相位的FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，能夠?qū)τ绊懳锫?lián)網(wǎng)領(lǐng)域復(fù)雜工程問題解決的因素進(jìn)行分析與確定，培養(yǎng)學(xué)生獲取有效結(jié)論的能力；對(duì)學(xué)生精益求精、工匠精神進(jìn)行培養(yǎng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的情懷與使命擔(dān)當(dāng)。

（二）優(yōu)化課程內(nèi)容體系

提煉數(shù)字信號(hào)處理課程中的重點(diǎn)知識(shí)模塊，包括離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域分析、離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的頻域分析、設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器、處理多抽樣率信號(hào)，以此為參考進(jìn)行對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容體系的優(yōu)化，完成知識(shí)圖譜的構(gòu)建，具體有：在工程應(yīng)用層面，包含頻譜分析、時(shí)域?yàn)V波；在設(shè)計(jì)方法層面，包含DIT-FFT、DIF-FFT、IFFT、窗函數(shù)法FIR-DF設(shè)計(jì)、頻率采樣法FIR-DF設(shè)計(jì)、脈沖響應(yīng)不變法IIR-DF設(shè)計(jì)、雙線性變換法IIR-DF設(shè)計(jì)；在知識(shí)要素層面，包含Z變換、DFS、DTFT、DFT、線性卷積、循環(huán)卷積、抽取濾波、插值濾波；在理論支撐層面，包含時(shí)域采樣定理、頻域采樣定理。

同時(shí)，對(duì)重疊、過時(shí)的內(nèi)容進(jìn)行刪減，著重對(duì)頻譜分析、數(shù)字濾波的應(yīng)用落實(shí)凸顯，并加入更多的工程案例，以此為基礎(chǔ)落實(shí)對(duì)基于學(xué)生綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)的數(shù)字信號(hào)處理課程內(nèi)容體系構(gòu)建。在此過程中，加強(qiáng)橫向關(guān)聯(lián)，促使各個(gè)知識(shí)模塊之間的內(nèi)在聯(lián)系得以強(qiáng)化。例如，在頻譜分析相關(guān)知識(shí)內(nèi)容中，使用“Z變換—離散時(shí)間傅里葉變換—周期序列離散傅里葉級(jí)數(shù)—離散傅里葉變換”這樣的教學(xué)流程，促使學(xué)生能夠完成對(duì)多種變換的深入理解與對(duì)比分析。另外，還要強(qiáng)調(diào)縱向落實(shí)，著重凸顯從理論到實(shí)踐的綜合應(yīng)用，設(shè)定并使用“理論支撐—知識(shí)要素—設(shè)計(jì)方法—工程應(yīng)用”這樣的綜合能力培養(yǎng)路徑，讓學(xué)生在完成學(xué)習(xí)后能夠靈活應(yīng)用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)完成實(shí)際工程問題的處理。

（三）更新課堂教學(xué)方法

第一，鼓勵(lì)合作學(xué)習(xí)。鼓勵(lì)學(xué)生使用社交軟件完成學(xué)習(xí)社區(qū)的搭建，并結(jié)合教師布置的任務(wù)展開分工合作、小組討論，最終形成結(jié)論。同時(shí)，對(duì)于一些進(jìn)階的辨析主題，引導(dǎo)學(xué)生在完成合作學(xué)習(xí)與小組討論后，結(jié)合組內(nèi)各個(gè)成員特長(zhǎng)的不同，分別進(jìn)行理論推導(dǎo)與仿真驗(yàn)證，提升學(xué)習(xí)效果，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情。

第二，優(yōu)化線上學(xué)習(xí)，實(shí)施“線上+線下”混合教學(xué)。在安排一定比例的學(xué)時(shí)展開線下教學(xué)的基礎(chǔ)上，開設(shè)線上教學(xué)環(huán)節(jié)，并將其納入總體課程的課時(shí)分配方案。實(shí)踐中，需要切實(shí)參考不同教學(xué)內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)難度等方面的不同，合理設(shè)定充足的線上與線下教學(xué)課時(shí)。例如，針對(duì)時(shí)域離散信號(hào)與系統(tǒng)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，可以設(shè)定6學(xué)時(shí)的線下理論教學(xué)以及6學(xué)時(shí)的線上教學(xué)；針對(duì)時(shí)域離散信號(hào)與系統(tǒng)的傅里葉變換分析方法相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，可以設(shè)定12學(xué)時(shí)的線下理論教學(xué)以及1學(xué)時(shí)的線上教學(xué)；針對(duì)DFT相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，可以設(shè)定12學(xué)時(shí)的線下理論教學(xué)以及2學(xué)時(shí)的線上教學(xué)；針對(duì)FFT相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，可以設(shè)定8學(xué)時(shí)的線下理論教學(xué)以及2學(xué)時(shí)的線上教學(xué)；針對(duì)時(shí)域系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，可以設(shè)定2學(xué)時(shí)的線下理論教學(xué)以及2學(xué)時(shí)的線上教學(xué)；針對(duì)IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，可以設(shè)定5學(xué)時(shí)的線下理論教學(xué)以及2學(xué)時(shí)的線上教學(xué)；針對(duì)FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，可以設(shè)定3學(xué)時(shí)的線下理論教學(xué)以及1學(xué)時(shí)的線上教學(xué)。

（四）引入課程思政理念

堅(jiān)持立德樹人，著重在課堂教學(xué)期間突出科學(xué)思維、科學(xué)方法，加入我國(guó)在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中取得的一系列成就，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生科學(xué)精神、愛國(guó)主義精神、創(chuàng)新精神等的有效培養(yǎng)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，要細(xì)化章節(jié)內(nèi)容與知識(shí)點(diǎn)，提煉其中包含著的思政元素，并結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)查找相關(guān)素材，豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，踐行課程思政。

以“數(shù)字信號(hào)處理的概念及學(xué)習(xí)方法”的相關(guān)內(nèi)容教學(xué)為例，課堂教學(xué)期間，介紹過去一些在數(shù)字信號(hào)處理方面工作突出的科研人員、校友的學(xué)習(xí)方法與研究案例；展望國(guó)際，引用國(guó)際上知名大學(xué)的電子與信息工程專業(yè)教授對(duì)本門課程不同角度的觀點(diǎn)；鼓勵(lì)學(xué)生敢于挑戰(zhàn)，為國(guó)家在未來(lái)的科技任務(wù)中貢獻(xiàn)自己的力量。此時(shí)可以引入的思政元素包括敢于想象、調(diào)研與跨界學(xué)習(xí)；堅(jiān)持不懈；工匠精神；在實(shí)踐中提升專業(yè)能力等。在課后復(fù)習(xí)與練習(xí)階段，鼓勵(lì)學(xué)生思考在目前的國(guó)際形勢(shì)下，怎么突破關(guān)鍵數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備的研制。例如，大飛機(jī)控制系統(tǒng)、高鐵控制系統(tǒng)、彈道導(dǎo)彈控制系統(tǒng)等。鼓勵(lì)學(xué)生求真務(wù)實(shí)、不畏艱難、敢為人先。依托課程思政的展開，能夠更好引導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)踐鞏固知識(shí)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生綜合素養(yǎng)的更好培養(yǎng)。

（五）重視理論聯(lián)系實(shí)際

現(xiàn)階段，可以結(jié)合信息化技術(shù)的應(yīng)用，搭建并在教學(xué)中應(yīng)用典型工程案例庫(kù)，其中所包含著的內(nèi)容（部分）設(shè)定如下：

雙音多頻信號(hào)檢測(cè)，可以使用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為Matlab以及eZdsp平臺(tái)，該案例中包含著的理論知識(shí)點(diǎn)為離散時(shí)間系統(tǒng)、DFT分析原理，設(shè)定的能力目標(biāo)為以工程實(shí)現(xiàn)的視角對(duì)比分析使用DFT、FFT展開信號(hào)譜分析的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思維進(jìn)行培養(yǎng)；軟件無(wú)線電中的插值以及抽取過程實(shí)現(xiàn)，可以使用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為Matlab以及eZdsp平臺(tái)，該案例中包含著的理論知識(shí)點(diǎn)為窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器、采樣率轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，設(shè)定的能力目標(biāo)為對(duì)比分析基于不同窗函數(shù)的濾波性能，對(duì)學(xué)生的辯證思維進(jìn)行培養(yǎng)；基于FFT的實(shí)時(shí)快速卷積，可以使用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為Matlab以及eZdsp平臺(tái)，該案例中包含著的理論知識(shí)點(diǎn)為離散傅里葉變換快速計(jì)算視域卷積的理論，設(shè)定的能力目標(biāo)為利用實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析直接視域卷積以及頻域變換這兩種方法的運(yùn)算量，對(duì)學(xué)生使用變換域解決問題的思維、能力、習(xí)慣進(jìn)行培養(yǎng)。

依托相應(yīng)典型工程案例庫(kù)的構(gòu)建與使用，能夠結(jié)合實(shí)際案例，將難以理解的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)題目，利用實(shí)驗(yàn)啟發(fā)學(xué)生思考，并鼓勵(lì)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，從而達(dá)到切實(shí)提高學(xué)生工程實(shí)踐能力的效果。

（六）完善課程考核方式

為提升考核的全面性與客觀性，在實(shí)踐中，可以將學(xué)生獲取到的總成績(jī)細(xì)化為兩部分，即平時(shí)成績(jī)以及期末考試成績(jī)，設(shè)定各部分成績(jī)占比為：

總成績(jī)=平時(shí)成績(jī)*50%+期末考試成績(jī)*50%

其中：平時(shí)成績(jī)=課后作業(yè)*25%+課堂表現(xiàn)*30%+隨堂測(cè)試*10%+線上考試20%+討論5%+線上視頻學(xué)習(xí)10%

在展開對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程的考核期間，要求切實(shí)參考前期設(shè)定的課程目標(biāo)完成考核方案的設(shè)定，具體如下：針對(duì)課程目標(biāo)1，在平時(shí)成績(jī)中，設(shè)定平時(shí)作業(yè)的權(quán)重比例為70%，設(shè)定課堂表現(xiàn)的權(quán)重比例為70%，隨堂測(cè)試的權(quán)重比例為70%，線上考試的權(quán)重比例為70%，討論的權(quán)重比例為70%，線上視頻學(xué)習(xí)的權(quán)重比例為70%；在期末考試中，設(shè)定期末考試成績(jī)的權(quán)重比例為70%；課程目標(biāo)1的總體成績(jī)比例設(shè)定為70%。

針對(duì)課程目標(biāo)2，在平時(shí)成績(jī)中，設(shè)定平時(shí)作業(yè)的權(quán)重比例為30%，設(shè)定課堂表現(xiàn)的權(quán)重比例為30%，隨堂測(cè)試的權(quán)重比例為30%，線上考試的權(quán)重比例為30%，討論的權(quán)重比例為30%，線上視頻學(xué)習(xí)的權(quán)重比例為30%；在期末考試中，設(shè)定期末考試成績(jī)的權(quán)重比例為30%；課程目標(biāo)2的總體成績(jī)比例設(shè)定為30%。

依托這種考核內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)化設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)際學(xué)習(xí)情況以及個(gè)人能力提升情況的綜合考核，讓教師、學(xué)生更為清晰地掌握在學(xué)習(xí)方面的不足，以此為參考完成“查缺補(bǔ)漏”。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，數(shù)字信號(hào)處理課程建設(shè)在當(dāng)前已然取得了一定的成績(jī)，但與時(shí)代發(fā)展對(duì)人才提出的要求仍存在差距，所以仍然需要持續(xù)展開對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)改革，合理設(shè)置教學(xué)目標(biāo)，推動(dòng)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生開展探究式學(xué)習(xí)和自主學(xué)習(xí)，引入課程思政理念并強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，更新課程考核方法，實(shí)現(xiàn)教學(xué)升級(jí)，切實(shí)培養(yǎng)出時(shí)代所需的理工科人才。

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