基于興趣導(dǎo)向的數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)法初探

數(shù)字信號(hào)處理是電子信息工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課，它在整個(gè)課程體系中占據(jù)非常重要的地位。數(shù)字信號(hào)處理課程理論性較強(qiáng)，涉及的數(shù)學(xué)公式較多且概念抽象不易理解，因此學(xué)生對(duì)該課程普遍有畏難情緒。那么如何使學(xué)生學(xué)好這門(mén)課程，并對(duì)其產(chǎn)生興趣，一直是值得思考和研究的問(wèn)題。許多高校對(duì)該課程的教學(xué)進(jìn)行了研究與改革，也取得了一定的效果。但這些研究大多是從課程內(nèi)容本身出發(fā)，而從提高學(xué)生興趣出發(fā)來(lái)提高該課程教學(xué)質(zhì)量的研究相對(duì)較少。只有興趣才能使學(xué)生保持持久的學(xué)習(xí)熱情，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能。本文結(jié)合我校該課程的興趣教學(xué)法的一些經(jīng)驗(yàn)，談?wù)勅绾螌?shí)施興趣教學(xué)，以期提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

一 興趣教學(xué)法的內(nèi)涵

興趣教學(xué)法就是教師把興趣作為教學(xué)的手段和動(dòng)力，積極創(chuàng)設(shè)條件培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在情感的愉悅中接受知識(shí)，掌握技能，以達(dá)到最佳的教學(xué)效果，并充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性，使之形成主動(dòng)學(xué)習(xí)行為的一種方法。事實(shí)上，有關(guān)興趣在教學(xué)與學(xué)習(xí)過(guò)程中的重要意義，古人早有深刻理解，如孔子就曾說(shuō)過(guò)“知之者不如好之者，好之者不如樂(lè)之者”(《論語(yǔ)·雍也》)。有了興趣，學(xué)生也就有了自主學(xué)習(xí)和深入研究的積極性，并由此形成良性循環(huán)。興趣教學(xué)法的目的是引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地進(jìn)行學(xué)習(xí)。因而，在培養(yǎng)學(xué)生的興趣時(shí)，要緊緊圍繞教學(xué)計(jì)劃和大綱進(jìn)行，必須避免興趣主義，也不能遷就個(gè)人興趣，要從實(shí)際效果出發(fā)，避免走架勢(shì)。

二 興趣法在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中的實(shí)施

關(guān)于如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，筆者結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)踐，以及其他同事的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，形成了以下幾點(diǎn)見(jiàn)解。

1 精心設(shè)計(jì)第一節(jié)課

如果教師能夠在上第一節(jié)課的時(shí)候以自己的講授吸引學(xué)生，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，那就不僅意味著有了一個(gè)良好的開(kāi)端，而且也為以后的教學(xué)工作打開(kāi)了局面。因此，教師應(yīng)抓住這一機(jī)會(huì)，精心設(shè)計(jì)第一節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容。例如，對(duì)于剛接觸數(shù)字信號(hào)處理課程的學(xué)生來(lái)說(shuō)，很自然會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)：數(shù)字信號(hào)處理有哪些應(yīng)用?離我們的生活有多遠(yuǎn)?基于此考慮，在對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程進(jìn)行概述之前，可以先列舉幾個(gè)日常生活中的具體應(yīng)用，幫助學(xué)生感性地認(rèn)識(shí)數(shù)字信號(hào)處理，比如移動(dòng)通信中的回聲消除，語(yǔ)音信箱和留言電話中的語(yǔ)音壓縮，調(diào)制解調(diào)器，腦電或心電的自動(dòng)分析系統(tǒng)等，這些話題使學(xué)生感到數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)與自己身邊的事情緊密相關(guān)，使學(xué)生感到學(xué)有所用、學(xué)有興趣。

這些話題很容易激起學(xué)生的興趣，并且使學(xué)生認(rèn)識(shí)到這門(mén)課程的重要性和應(yīng)用價(jià)值。

2 靈活多樣的課堂教學(xué)形式

針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程的特點(diǎn)，采用板書(shū)和多媒體教學(xué)相結(jié)合的授課方式。對(duì)于理論推導(dǎo)等內(nèi)容，以板書(shū)的形式講解，可以使學(xué)生跟隨教師的思路來(lái)領(lǐng)會(huì)課堂知識(shí)，在板書(shū)的同時(shí)給學(xué)生留有一定的思考時(shí)間，并且板書(shū)內(nèi)容易于在學(xué)生腦海中留下清晰而深刻的印象。而涉及到那些較抽象的、難以用語(yǔ)言表達(dá)的教學(xué)內(nèi)容或一些有工程應(yīng)用背景支撐的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，需采用多媒體教學(xué)方式，配以適合的圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻等各種媒體形式演示，使學(xué)生通過(guò)形象化的觀察，加深對(duì)相關(guān)問(wèn)題的理解以及了解所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值，進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。例如，在講授采樣定理時(shí)，先利用板書(shū)推導(dǎo)出采樣信號(hào)的傅里葉變換和原連續(xù)時(shí)間信號(hào)的傅里葉變換之間的關(guān)系式，然后利用flash動(dòng)畫(huà)演示連續(xù)時(shí)間信號(hào)的采樣及采樣后頻譜的變化，使學(xué)生形象地觀察到采樣后的頻譜是原連續(xù)信號(hào)頻譜的周期延拓，并且當(dāng)采樣頻率小于信號(hào)最高頻率的2倍時(shí)，采樣后的頻譜會(huì)發(fā)生混疊，就無(wú)法從采樣信號(hào)無(wú)失真恢復(fù)出原連續(xù)信號(hào)，這種板書(shū)和flash動(dòng)畫(huà)相結(jié)合的講授方式，給課堂增添了不少趣味性，也便于學(xué)生真正理解相關(guān)理論。

該課程還將Matlab軟件引入到課堂教學(xué)中。教師在講解基本概念的同時(shí)，可以利用Matlab演示相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)結(jié)果，能夠更加生動(dòng)直觀地揭示其所包含的物理含義。例如，在講解FIR數(shù)字濾波器的窗函數(shù)設(shè)計(jì)法時(shí)，通過(guò)Matlab軟件的仿真，給出不同窗函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器幅頻曲線以及不同窗寬設(shè)計(jì)的濾波器幅頻曲線，可以使學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)到窗函數(shù)類(lèi)型與窗寬對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波器的影響。這樣，抽象的概念立刻變得鮮活和生動(dòng)起來(lái)，不僅可以使學(xué)生直觀地領(lǐng)會(huì)和深入地理解數(shù)字信號(hào)處理的理論知識(shí)和分析方法，還可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在授課過(guò)程中，教師還要有意識(shí)地提問(wèn)或者設(shè)置疑點(diǎn)。好的提問(wèn)不僅能激發(fā)學(xué)生的求知欲望和促進(jìn)學(xué)生自主思考問(wèn)題的能力，還能使教師及時(shí)了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。例如，在學(xué)生剛接觸離散傅里葉變換時(shí)，可以設(shè)問(wèn)：傅里葉變換有哪幾種形式?為什么要引入離散傅里葉變換?通過(guò)觀察幾種傅里葉變換(連續(xù)非周期信號(hào)的傅里葉變換FT、連續(xù)周期信號(hào)的傅里葉變換FS、離散非周期信號(hào)的傅里葉變換DTFF、離散周期信號(hào)的傅里葉變換DFS)的時(shí)域和頻域特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)前三種傅里葉變換至少在一個(gè)域是連續(xù)的，只有第四種傅里葉變換在時(shí)域和頻域均離散。而計(jì)算機(jī)只能處理在時(shí)域和頻域均離散且有限長(zhǎng)的信號(hào)，因此引入了離散傅里葉變換(DFT)，并且DRI\"具有快速算法，更凸顯其應(yīng)用價(jià)值。在提問(wèn)過(guò)程中，教師要認(rèn)真傾聽(tīng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)已有觀點(diǎn)提出質(zhì)疑，并適時(shí)引導(dǎo)，這對(duì)于活躍課堂氣氛，開(kāi)拓學(xué)生思路是非常重要的，也有利于教師適時(shí)調(diào)整教學(xué)思路。

3 強(qiáng)調(diào)概念的物理意義和應(yīng)用

由于本課程是一門(mén)建立在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上的學(xué)科，大量的理論和結(jié)論都是通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到的，學(xué)生往往過(guò)于注重公式的推導(dǎo)，而不能理解其實(shí)質(zhì)。針對(duì)這種情況，應(yīng)對(duì)學(xué)生特別強(qiáng)調(diào)結(jié)論的物理意義和應(yīng)用。例如，離散傅里葉變換是頻域分析的有效工具，在該章的教學(xué)中，除了講授其相關(guān)概念和性質(zhì)外，還應(yīng)對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行舉例，比如一個(gè)信號(hào)由幾個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)組成，在時(shí)域中不能看到信號(hào)的頻率成分，只有通過(guò)離散傅里葉變換，才能看到信號(hào)的不同頻率成分。又例如，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)通常用幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)來(lái)表示，從物理概念上，幅頻響應(yīng)反映的是系統(tǒng)對(duì)不同頻率信號(hào)的選擇性，相頻響應(yīng)反映了系統(tǒng)對(duì)不同頻率信號(hào)的處理時(shí)間。

4 開(kāi)展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

數(shù)字信號(hào)處理課程開(kāi)設(shè)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，一般包括數(shù)字信號(hào)處理理論基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)(離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)的時(shí)域分析，離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)的頻域分析)和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，F(xiàn)IR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì))，這些實(shí)驗(yàn)都是以驗(yàn)證性為主。隨著課程學(xué)習(xí)的深入，當(dāng)學(xué)生掌握了一定的理論知識(shí)，并具備了一定的動(dòng)手能力后，會(huì)迫切希望找到所學(xué)知識(shí)在實(shí)際應(yīng)用中的切入點(diǎn)。因此，除了常規(guī)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外，還應(yīng)積極開(kāi)展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，其特點(diǎn)是：教師給定實(shí)驗(yàn)課題、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮O(shè)計(jì)要求，實(shí)驗(yàn)室提供條件，學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)，并撰寫(xiě)完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)涉及本課程的綜合知識(shí)或與本課程相關(guān)課程的知識(shí)。

課程組教師結(jié)合自身教學(xué)和科研工作，提出一定量的適合本科生的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課題。下面以語(yǔ)音通信的調(diào)制解調(diào)仿真這一實(shí)驗(yàn)課題為例，說(shuō)明綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。該課題需學(xué)生綜合應(yīng)用以下幾方面的知識(shí)：采樣、調(diào)制和解調(diào)、濾波器的設(shè)計(jì)、信號(hào)的頻譜分析。

(1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

采集一段語(yǔ)音，對(duì)其進(jìn)行采樣；對(duì)采樣后的信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制；對(duì)調(diào)制信號(hào)加入高斯白噪聲；設(shè)計(jì)濾波器對(duì)混入噪聲的調(diào)制信號(hào)濾波；對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解調(diào)；播放語(yǔ)音源文件和恢復(fù)的語(yǔ)音信號(hào)，進(jìn)行比較。

(2)實(shí)驗(yàn)要求

1)采集語(yǔ)音信號(hào)及信號(hào)采樣，采樣手段由學(xué)生自主選擇。

2)對(duì)語(yǔ)音通信系統(tǒng)中各階段所得信號(hào)的頻譜進(jìn)行頻譜分析。

3)在去噪和相干解調(diào)階段，需設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器。

4)采用Simulink系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信的調(diào)制解調(diào)功能。

5)實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方案、程序設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、總結(jié)。

通過(guò)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主動(dòng)性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力以及靈活運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)分析和解決問(wèn)題的能力。

總之，近年來(lái)，筆者在數(shù)字信號(hào)處理的教學(xué)過(guò)程中，采用以上介紹的多種教學(xué)方法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生對(duì)這門(mén)課程由畏懼厭學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橄雽W(xué)和自主學(xué)習(xí)，取得了較好的學(xué)習(xí)效果。當(dāng)然，對(duì)興趣教學(xué)法的探索之路還很漫長(zhǎng)，本文的一點(diǎn)理解希望能達(dá)到拋磚引玉的目的。