數字信號處理教學改革與實踐探索

[摘 要] 本文結合“數字信號處理”這門課程的特點，為使傳統的課堂型教學逐漸過渡到探索型教學從教學內容、教學方法以及教學實踐等方面進行了實踐和探討。

[關鍵詞] 數字信號處理，教學質量，教學改革，教學實踐。

[中圖分類號] G642．0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1005-4634(2006)05-0453-03

“數字信號處理”是電子信息、自動化、測控儀器、生物醫學等專業的一門重要的技術基礎課，技術基礎課的設置是科學技術發展到一個新的階段，在理論(原理)、方法、技能諸多方面的一個綜合體現。在教學過程中應注重學生知識、能力、素質的全面發展，注重在以探索和研究為基礎的教學過程中培養學生的研究能力與創新能力；從傳統的單向知識傳授的教學型教學向知識傳授與探索相結合的探索型教學發展，以正確的教學理念來指導具體的課程教學實踐。

1 教學內容的改革

隨著全球性新技術革命的到來，數字信號處理在內容上已經發展到一個新的水平，因此課程的教學內容應及時反映時代的特點和科技發展的方向，以適應客觀形勢對人才培養的需要。

首先，精選教材。教材是一門課程的基礎，我們根據教學需求，查閱了許多國內外教材，并結合數字信號處理理論與技術的最新進展，有目的的選擇了適合當前專業學生的優秀教材和輔助教材，如西安電子科技大學出版社出版的《數字信號處理(第二版)》、電子工業出版社出版的《數字信號處理及其MATLAB實現》、高等教育出版社出版的《DSP技術原理及開發應用》等；

其次，精心組織教學內容。數字信號處理的理論性比較強，教材上有大幅的公式推導，前幾屆學生反映這門課比較枯燥。為了改變這種狀況，在授課過程中，精心設計每一堂課，在課程內容的組織上多下工夫，在講述一些定義、定理時注意講清思路、講清概念，同時避免大段的公式推導或大量微觀的描述和細節的羅列，注意聯系數字信號處理的實際應用和發展動向。

將課程內容分成三大部分：①數字信號處理理論基礎，包括時域離散信號和系統時域分析、時域離散信號和系統頻域分析、離散傅里葉變換(DFT)、快速傅里葉變換(FFT)；②數字濾波器設計理論和設計方法，包括時域離散系統網絡結構與狀態變量分析法、IIR數字濾波器設計、FIR數字濾波器設計、特殊濾波器(全通濾波器、梳狀濾波器、格型濾波器、簡單正系數濾波器)設計(選講)、多采樣率信號處理介紹；③數字信號處理的實現，包括數字信號處理中的量化效應、數字信號處理算法的軟件實現、數字信號處理算法的硬件實現介紹。講課時以①、②部分為重點，為學生打好數字信號處理的理論基礎，以便于進一步深造、學習和運用數字信號處理新技術、新算法和新器件。③部分只作簡要介紹，使學生建立數字信號處理的軟硬件實現的基本概念。

2 教學方式的改革

《數字信號處理》是電子信息類等專業的重要的專業基礎課，一般在三年級上學期開課，它是在學生學完了《信號與系統》課程后，進一步為學習專業知識打基礎的課程。針對這個時期學生特點(已經掌握了基礎課程的知識，還尚未接觸專業課程)，筆者在教學手段、教學方式和教學方法上作了許多改革和嘗試。

首先，縮短理論教學學時同時加大實踐教學學時。理論教學中變傳統的灌輸式教學為引導啟發式教學，理論講解只占課堂時間的40％，例題與習題解答占30％，課堂上現場仿真實驗占30％。理論講解使學生掌握基本概念和基本原理，例題與習題解答使學生學會分析問題和解決問題的方法，并深化基本理論，而現場仿真實驗是調動同學們的參與意識，使學生親身感受信號處理算法的性能，提高學習興趣，寓教于樂；

其次，開展課堂板書、多媒體教學和網絡教學相結合的授課方式。針對一些基本原理和基本方法的推導和證明的需要，仍然延續課堂板書的授課方式，讓學生一步一步跟上教師的思路，同時在板書的同時留足夠的時間讓學生領會；而對于一些需要形象理解、圖示舉例以及演示的部分，采用多媒體教學方式，充分利用聲音、圖像、視頻、動畫等多種形式進行互動教學。例如，利用MATLAB語言豐富的信號處理工具箱函數和強大的繪圖功能，解釋較難理解的信號的頻譜概念、傅里葉級數概念和濾波器與信號濾波的概念及原理就會起到事半功倍的效果；針對課后的復習、相關背景知識的學習以及課堂內容的擴展部分，充分利用網絡，建立課程主頁，提供相關資源和討論空間；

再次，引入雙語教學模式，加強MATLAB語言與數字信號處理相結合。這樣可以使同學們在學習過程中融會貫通科技英語、信號處理和算法語言等課程，使他們體會到基礎課與專業基礎課之間的聯系，從而提高學生學習的自覺性和自主性。

3 教學實踐改革

為了提高學生應用所學知識的能力以及工程素質，筆者汲取先進的實驗教學理念和思想，將理論教學和實驗教學有機結合，對實驗教學逐步進行改革與實踐，編寫了《MATLAB軟件仿真實驗指導書》和《數字信號處理實驗指導書》(待出版)。其目標是為了訓練、培養學生創新能力。筆者在實驗內容上壓縮了傳統的驗證性實驗，擴大和增加了綜合性、設計性和工程性實驗以及仿真實驗。具體來講有以下特色：

1)采用實驗教學模式。每個實驗除了包含實驗目的、基本原理、步驟外，還包含延伸和綜合實驗內容的實驗思考題，同時要求寫出實驗報告和總結；實驗教學方式采取開放、課內課外結合的形式；實驗教學方法提倡個人思考、小組討論。

例如在IIR數字濾波器的設計實驗中，首先要求學生作以下準備：①考慮IIR數字濾波器的不同設計方法、分析不同設計方法之間的優缺點：每個設計方法在實現過程中那些參數對設計結果有影響?如何影響?②收集IIR數字濾波器實際應用的例子，參照例子，結合前面所學的知識，設計DSP(數字信號處理系統)系統：③寫出設計步驟，并編寫MATLAB程序。這樣促使學生充分利用課外時間，自己去獲取知識、發展能力。實驗報告的內容為：①總結實驗所得主要結論；②IIR數字濾波器的設計的主要特點；③附上實驗結果。在此過程中，鼓勵學生提出自己的觀點，自主尋找方法，自主探究思路，自主解決問題；

2)側重培養學生的計算機應用能力。上機訓練包括兩方面：一是基于MATLAB開發的仿真實驗，內容包括：基本信號在MATLAB中的表示和運算、卷積計算、系統零極點與頻響、信號的調制與解調、濾波器設計、傅里葉變換、頻譜特性曲線等；二是對課程中涉及到的數字信號處理內容選擇先進的DSP實驗系統結合MATLAB仿真，大膽創新、精心設計實驗內容，讓學生在信號與系統的知識基礎上，提前接觸DSP的相關解決方法，擴展知識面，提高分析問題和解決問題的能力；

3)加強課程、學科之間的相互滲透，設計一些綜合性實驗。先將“信號與系統”、“數字信號處理”二門課程的實驗課程打通，共建一個實驗平臺、分段實施，以訓練學生綜合分析能力。在此基礎上，逐步滲透語音與圖像處理的基本知識和方法，為課程和畢業設計做鋪墊。

通過實踐性教學可加強學生對相關知識的掌握和理解，促進教學質量的提高。而且通過實驗鍛煉了學生用計算機輔助計算分析解決實際工程問題的能力，為后續的相關課程以及畢業設計打下基礎，為提高學生的綜合能力和創新精神創造了一個良好的環境。