數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)方法探討

數(shù)字信號(hào)處理已成為電子信息專業(yè)本科生和研究生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)理論課。本文根據(jù)作者長(zhǎng)期的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)工科類大專本科院校學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理的現(xiàn)狀，分析了數(shù)字信號(hào)處理課程的特點(diǎn)，提出教學(xué)中存在的“理論難與基礎(chǔ)差”之間的差距問題，給出了具體的教學(xué)方法，并在教學(xué)中提倡可視化教學(xué)。通過多年教學(xué)實(shí)踐證明效果顯著。

數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方法MatLAB

一、前言

目前，數(shù)字信號(hào)處理已成為國(guó)內(nèi)外很多大學(xué)電子信息專業(yè)本科生及研究生的一門重要的必修專業(yè)基礎(chǔ)理論課。各個(gè)大專院校投入了大量的人力與物力，進(jìn)行了該課程的基本建設(shè)和改革，各院校教師也投入了大量的時(shí)間和精力，積累了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)，用于促進(jìn)教學(xué)。

數(shù)字信號(hào)處理主要講述離散信號(hào)的基本概念、快速Fourier變換（FFT）、數(shù)字濾波器（DF）等，包含了如FFT、DF等純數(shù)學(xué)定義及其推導(dǎo)過程，枯燥無(wú)味，教學(xué)過程如同講授純數(shù)學(xué)。本文結(jié)合我校十多年的電子信息相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實(shí)際，在教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上，針對(duì)我校特點(diǎn)對(duì)教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行了總結(jié)和探討，并提出相應(yīng)的改革方案。

二、教學(xué)內(nèi)容

1.教材內(nèi)容的精心組織：數(shù)字信號(hào)處理教材繁多，理論強(qiáng)，難度大，難以適應(yīng)以工程為背景的數(shù)學(xué)相對(duì)薄弱的學(xué)生。根據(jù)教學(xué)需求，我們查閱了國(guó)內(nèi)外的很多教材，有目的地精選了教材內(nèi)容，并將其裝訂成講義。

為了適應(yīng)我校學(xué)生的特點(diǎn)，我們選擇從連續(xù)信號(hào)開始講起，在復(fù)習(xí)中講授離散時(shí)間信號(hào)的知識(shí)點(diǎn)；從連續(xù)信號(hào)的Fourier變換引出離散Fourier變換，再講授FFT，同時(shí)復(fù)習(xí)采樣定理等內(nèi)容；從模擬濾波器的設(shè)計(jì)引出無(wú)限沖激響應(yīng)的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，再講授有限沖激響應(yīng)。我們還提供大量經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的習(xí)題，以幫助學(xué)生掌握課程的內(nèi)容，彌補(bǔ)了該課程學(xué)時(shí)較少的缺點(diǎn)。

同時(shí)，我們選用由程佩青編著的清華大學(xué)出版社出版的教材《數(shù)字信號(hào)處理教程》(第二版)作為參考教材，該書對(duì)信號(hào)處理的基礎(chǔ)理論和基本算法進(jìn)行了充分的論述與討論，條理清楚，深入淺出，有利于學(xué)生更牢固地掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本概念及基本理論。

2.精心組織教學(xué)內(nèi)容：數(shù)字信號(hào)處理內(nèi)容理論性強(qiáng)，晦澀難懂，很多概念涉及到大量數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，學(xué)生普遍反映枯燥無(wú)味。為了讓學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)(共42～48學(xué)時(shí)，含6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn))內(nèi)更好地掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本知識(shí)點(diǎn)，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的授課內(nèi)容進(jìn)行了精心安排和選擇，精簡(jiǎn)了部分內(nèi)容，重點(diǎn)講授基本概念和關(guān)鍵結(jié)論，最后以專題的形式講解數(shù)字信號(hào)處理在信息學(xué)科中的應(yīng)用。避免大量冗長(zhǎng)復(fù)雜的公式推導(dǎo)，豐富了教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生的興趣。

我們把數(shù)字信號(hào)處理的基本內(nèi)容分成四大部分：第一部分復(fù)習(xí)關(guān)于信號(hào)與系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括Fourier級(jí)數(shù)、Fourier變換、Laplace變化和z變換；第二部分內(nèi)容是采樣定理、離散信號(hào)，以及DTFT變換、DFT變換及其快速實(shí)現(xiàn)算法FFT。重點(diǎn)要理清各種變換之間的關(guān)系，便于學(xué)生系統(tǒng)地掌握知識(shí)；第三部分內(nèi)容是濾波器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)。通過深入詳細(xì)地分析其結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及與之前學(xué)過的知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，使學(xué)生真正理解和掌握各種數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法；第四部分內(nèi)容是以專題的形式講解典型工程信號(hào)的檢測(cè)與分析，并重點(diǎn)講述信號(hào)處理中較為實(shí)用的技術(shù)及算法。

3.保證理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)同步進(jìn)行

我們總共安排學(xué)生6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，分別為信號(hào)的產(chǎn)生與采集、信號(hào)的FFT分析、濾波器設(shè)計(jì)。要求學(xué)生在熟悉MatLAB的情況下采集信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行回放、顯示、放大、縮小等操作，然后對(duì)不同頻率、不同幅值的信號(hào)進(jìn)行FFT譜分析，畫圖說(shuō)明譜的含義，最后對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行濾波，并比較信號(hào)在濾波前后的頻譜變化。每一部分的實(shí)驗(yàn)與課堂內(nèi)容相結(jié)合，與課堂教學(xué)節(jié)奏相符，以便學(xué)生及時(shí)掌握課堂內(nèi)容，最后我們還有一次數(shù)字信號(hào)處理的綜合實(shí)驗(yàn)，完全由學(xué)生完成信號(hào)的獲取、譜分析、濾波等操作。

三、教學(xué)方式

1.理論內(nèi)容的可視化

目前，很多國(guó)外高校采用Matlab仿真方法來(lái)完成數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)理論教學(xué)，并與實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)合，做到基本原理和基本運(yùn)算可視化、可操作化。這里的“可視化”和“可操作化”是國(guó)外大學(xué)所提供的一個(gè)在理工科教學(xué)中很好的思路和解決方法。從各個(gè)高校布置的實(shí)驗(yàn)上看，還有大型化和多系統(tǒng)仿真的趨勢(shì)，難度較大，使學(xué)生對(duì)復(fù)雜的理論能夠動(dòng)手操作，提供了一些解決實(shí)際問題的機(jī)會(huì)，也使學(xué)生能更加深入地理解和掌握數(shù)字信號(hào)處理課程所教授的內(nèi)容。

2.縮短純理論教學(xué)時(shí)間，增加實(shí)踐演示環(huán)節(jié)

數(shù)字信號(hào)處理包含了大量的抽象理論，涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)過程。因此，在進(jìn)行理論講解之前，利用MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生感受到算法及抽象理論的作用和性能，提高他們的興趣和求知欲，以便切實(shí)參與到教學(xué)中。例如，奈奎斯特定理比較抽象，如果一開始直接講解其推導(dǎo)過程，學(xué)生理解起來(lái)比較困難，教學(xué)效果差。相反，先用MATLAB軟件演示信號(hào)的采樣與重建，并且通過設(shè)定不同的采樣頻率。觀察抽樣后信號(hào)的頻譜圖，可以很明顯地看到采樣頻率小于信號(hào)最大頻率的兩倍時(shí)，產(chǎn)生的頻譜混疊現(xiàn)象。這時(shí)，有目的地提出奈奎斯特定理，并且利用黑板板書的形式進(jìn)行推導(dǎo)，就能有力地抓住學(xué)生的思維，取得良好的教學(xué)效果。

3.理論與實(shí)踐并重

加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工科大學(xué)教學(xué)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它是學(xué)生鞏固所學(xué)理論知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑。數(shù)字信號(hào)處理是一門理論與實(shí)踐密切相關(guān)的課程，僅通過課堂的理論教學(xué)和少量的課外輔導(dǎo)，學(xué)生還是完全停留在對(duì)理論知識(shí)的表面認(rèn)識(shí)上。為此。加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，讓實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)同步進(jìn)行，以便及時(shí)有效地加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的鞏固和理解，并且能夠?qū)⒗碚搼?yīng)用于實(shí)踐。

該課程共設(shè)置了三個(gè)實(shí)驗(yàn)和一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，其中前三個(gè)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，例如：利用序列的傅立葉變換，對(duì)離散信號(hào)及系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行頻域分析、濾波分析，最后的大型實(shí)驗(yàn)為綜合性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生用雙線性變換法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器、用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器，然后用頻譜分析濾波器設(shè)計(jì)的正確性。

通過自己動(dòng)手編寫程序，既鞏固了理論知識(shí)，又鍛煉了分析問題、解決問題的能力。

四、結(jié)語(yǔ)

數(shù)字信號(hào)處理是電子信息工程專業(yè)的基礎(chǔ)專業(yè)課程，也是其他專業(yè)如機(jī)械測(cè)試、振動(dòng)與信號(hào)處理、醫(yī)學(xué)圖像處理、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的前導(dǎo)課程，理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)，必須在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面不斷地進(jìn)行探索和嘗試。今后，我們將繼續(xù)進(jìn)行教學(xué)研究，不斷完善理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，力爭(zhēng)讓學(xué)生更好地理解和掌握理論知識(shí)，并且能夠?qū)⑵溥\(yùn)用于實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

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