“數字信號處理”課程教學的改革與實踐

摘要：從課堂教學和教學方法兩個方面闡述了“數字信號處理”課程教學的改革與實踐。主要從精簡本門課程和信號與系統課程重合的部分、注重經典信號處理與現代信號處理的銜接、通過軟件仿真與硬件搭建相結合的方式來實現算法、增加數字信號處理課程設計實踐環節這四個方面論述了本門課程的課堂教學改革情況，最后從采用多種教學手段方面論述教學方法的改革情況。

關鍵詞：數字信號處理；軟件仿真；實踐環節；教學方法

作者簡介：張麗麗（1979-），女，黑龍江訥河人，沈陽航空航天大學電子信息工程學院，講師；賈亮（1971-），男，遼寧營口人，沈陽航空航天大學電子信息工程學院，副教授。（遼寧 沈陽 110136）

基金項目：本文系沈陽航空航天大學數字信號處理課程的優化與改革（項目編號：JG110202C）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）34-0070-01

數字信號處理的地位和作用在信息化的進程中變得越來越重要。在數字信號處理領域中，近年來隨著計算機技術與數字技術的迅速發展，數字信號處理的基礎理論和基本方法的應用已經由傳統的通信、測量和控制工程等領域迅速擴大到如電力系統、電機與電器、電力電子、生物醫學，甚至經濟學與社會科學等許許多多需要對信號進行傳輸、處理和分析的領域。[1]由于數字信號處理這一學科的內容極為豐富，與這些內容有關的技術又在很多科學和技術領域起著愈來愈重要的作用。在這樣的背景下，國內外各個大學的電子信息類專業將數字信號處理課程列為本專業的必修課程，并逐漸加強課程的建設與改革。

數字信號處理課程在教學的過程中往往突出數學分析，注重數學推導，工程概念相對薄弱，理論聯系實際不夠，較少涉及實現方法及相關的軟硬件技術，特別是對學生動手能力、技術技能和創新精神的培養等方面與科技界、產業界的要求相去較遠。這樣，學生在聽課的過程中會感到教學內容枯燥，沒有什么實際用處。所以“數字信號處理”課程教學的改革與實踐勢在必行。

一、數字信號處理教學內容的改革

1.精簡本門課程和信號與系統課程重合的部分

“數字信號處理”課程的第一章內容為離散時間信號與系統。對于這一部分內容來說，很大一部分內容對于學生來說并不是新的知識，學生在前期的信號與系統課程中已經學過。但是由于這些內容對數字信號處理課程后面部分知識的學習是一個前期基礎，所以在數字信號處理課程中會重新學習，而且這部分的學習會占用4個學時左右的時間。在教學課時有限的情況下，教學的過程中應該注重講課內容的精選，盡量讓學生在有限的課堂時間里能夠吸收更多的新知識。經過教學實踐，我們對這部分內容的學習采用首先學生自學，然后在隨后的課堂教學中如遇到相關知識作為基礎，采用教師概括介紹并啟發學生自主復習思考的方式進行。這樣既使學生掌握了相關知識，調動了學生的學習積極性，培養了學生的獨立思考能力，也減少了相應的授課學時，將有限的學時更好地用在后續課程的教學中。精簡本門課程和信號與系統課程重合的部分將為整個數字信號處理課程的改革提供基礎。

2.注重經典信號處理與現代信號處理的銜接

在本科教學階段，數字信號處理講述的內容屬于經典信號處理理論，主要講述的內容為離散傅里葉變換理論的基本概念、性質以及實現和濾波器的設計這兩部分知識。但隨著科學技術的進一步發展和數字信號處理理論研究的逐步深入，對于本科生尤其是有繼續深造需求的本科生來說，了解現代信號處理理論的某些知識是非常必要的。

對于這部分知識的引入，主要從兩方面考慮：第一，這一部分內容學時如何分配；第二，給本科生講述關于現代信號處理的哪一部分內容。

對于第一個方面，前期課程改革試驗階段為這部分內容分配的學時數為4個學時，使學生對于現代信號處理理論有粗淺認識。講述這一部分內容的目的在于引導學生，讓學生對信號處理理論感興趣。講述這幾個學時的過程中，輕理論推導，重實際應用，讓學生實實在在地感覺到數字信號處理不再是滿黑板公式推導的、和數學相關的一門理論課程，而是一門有著廣泛應用前景的專業基礎課程，使學生的學習更加完整，提高學生學習這門課程的興趣。

對于第二方面，經過幾位教師的研討，決定講述時頻分析的有關內容并根據電子信息工程學院本科培養計劃對于學生后續課程的安排，在課堂上將重點講述短時傅里葉變換以及小波變換等內容。讓學生對時間域、頻率域、時頻域有清晰的認識，理解關于數字信號處理中所講述過的一些變換的本質。

3.通過軟件仿真與硬件搭建相結合的方式來實現算法

在數字信號處理實驗教學過程中，目的是為了讓學生學習和掌握數字信號處理的實現方式。數字信號處理的實現方式有：采用計算機，通過編寫程序、用軟件的方式來完成數字信號處理算法的實現；采用專用或者通用設備、通過硬件的形式來完成數字信號處理過程。[2]

我院根據電子信息工程專業發展需要，在2005年就開設了MATLAB與科學計算這門課程。學生在上數字信號處理課程之前已經修完了這門課程，所以在數字信號處理實驗的教學過程中使用MATLAB作為數字信號處理仿真實驗的工具。MATLAB是科學計算軟件，它強大的數值計算和數據可視化能力適用于工程應用各個領域的分析設計與復雜計算。學生采用MATLAB進行數字信號處理實驗能夠使學生非常直觀地看到實驗結果，理解算法的精髓。

對于數字信號處理的硬件實現，我院有和TI公司共建的實驗室。我們計劃開設DSP選修課程作為數字信號處理理論的后續拓展課程，爭取做到厚基礎、重應用。這樣，學生的知識體系從理論到實踐應用有了一個完整的前后呼應過程，學生的動手和動腦的能力會得到雙重提高。

4.增加數字信號處理課程設計實踐環節

作為省屬本科院校，我校著重培養的是應用型人才。現代大學生動手能力弱、實踐經歷少是在教學過程中應該注意的問題。大學四年過程中學生學習的課程非常之多，如何把這些課程從基礎課到專業基礎課再到專業課進行漸進的整合是高等學校教師需要思考的問題。對于數字信號處理的教學來說也是一樣的。在前期的課程講述中注重的是單一課程的講述，即使是硬件實現部分也是簡單的一個算法的實現，課程的綜合應用稍顯不足。所以，第七學期末學生將進行4個星期的課程設計實踐環節。這4個星期的實踐環節采取因材施教的原則。對那些對數字信號處理感興趣的同學，將給出和數字信號處理知識相關的課程設計任務，使學生分散掌握的各門課程有一個整合過程，讓學生采用DSP硬件設備具體實現一個系統的功能。這部分課程設計將包括信號與系統、數字信號處理、C語言、數字電路、DSP等各門學科的內容。這次課程設計將為學生即將迎來的畢業設計打一個堅實的基礎，并且培養學生從全局思考問題的能力。

二、數字信號處理教學方法的改革

針對數字信號處理課程概念抽象難懂、所涉及數學知識較多、公式推導非常繁瑣等問題，學校改革并豐富了傳統的教學手段，采用板書與多媒體教學相結合的方式充分發揮現代教學手段的優勢，盡量將抽象的概念感性化，通過形象生動的圖像、動畫來展示理論知識的內涵。例如，講述采樣定理的時候，可以通過電腦錄制語音，然后通過MATLAB對語音信號進行采樣，使學生從感官上就會看到欠采樣、過采樣的結果。這樣可以啟發學生的思維，培養學生的學習興趣，實施形象教學。并逐步搭建網絡教學平臺，通過網絡實現學生的異步自主式學習。網絡教學具有個性突出、內容廣泛、交互性強等特點，可以擴大學生的學習課堂。開展通過數字信號處理課程的網絡教學，建立該課程的網站，并且要求課程網站具有良好的導航結構，要按照學生的認知規律進行內容的組織和描述。實現教學資源共享，加強教與學的信息交流，重視對學生主動式學習的培養，調動學生學習的自覺性和主動性，通過問題和思考題等啟發學生的探索精神，為學生提供課堂以外的豐富的學習空間和資源。由于數字信號處理課程中大量的理論和結論都是通過數學推導的方式得到，所以學生往往過于注重公式推導或證明而不能理解其實質和用途。針對這種情況，在教學中特別要強調結論的物理意義和應用，尤其是結合科研實踐給出理論在圖像處理、語音信號處理方面的具體應用，以此加深學生理解，提高學習興趣。

三、結束語

“數字信號處理”課程現在已是國內外大學電子類學科和專業一門重要的專業基礎課。對數字信號處理課程的改革是電子信息類專業課程教師一項刻不容緩的職責。我們結合實際教學情況對該門課程進行了多方面的改革嘗試，實踐證明改革取得了一定的效果，激發了學生對這一系列課程的興趣，拓寬了學生的視野，也進一步促進了電子信息專業的發展。

參考文獻：

[1]程佩青.數字信號處理教程[M].第三版.北京：清華大學出版社，2007.

[2]劉順蘭，吳杰.數字信號處理[M].第二版.西安：西安電子科技大學出版社，2009.

（責任編輯：王祝萍）