創建“數字信號處理”教學新模式

摘要：“數字信號處理”課程已成為大電子信息及通信工程專業必修的重要專業課。隨著學科發展，傳統的“數字信號處理”教學模式在教學實踐中已呈現不相適應的問題。針對傳統的“數字信號處理”的教學模式存在的問題，提出了創建適應當前“數字信號處理”學科發展的教學新模式。對該課程教學新模式的具體內容進行了闡述，新模式的創建對于高等院校的教學改革具有重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞：數字信號處理；教學新模式；作業方式

作者簡介：林愛英（1969-），女，河南湯陰人，河南農業大學理學院，講師；賈樹恒（1977-），男，河南駐馬店人，河南農業大學理學院，講師。（河南 鄭州 450002）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2012）26-0049-02

“數字信號處理”是從20世紀60年代以來，隨著信息學科和計算機的高速發展而迅速發展起來的一門新興學科。隨著超大規模集成電路的出現和迅猛發展，數字信號處理在理論和應用方面不斷地發展和完善，在越來越多的應用領域中迅速取代傳統的模擬信號處理方法，并且還開辟出許多新的應用領域。[1]這些新興的領域包括生物醫學工程、聲學、雷達、地震、通信等，各個領域都需要大量高素質的數字信號處理研發人才。目前“數字信號處理”作為通信、電子、控制、生物醫學等專業的專業基礎課程，已經越來越受到學術界和大專院校的高度重視，并達到高度發展和逐步完善的水平。

“數字信號處理”是一門實用性強、理論內容豐富且涉及知識面廣的課程，該課程的特點是理論性強、抽象概念多、起點高、難度大、數學推導嚴密。隨著數字信號處理理論、方法和技術的飛速發展，現代信號處理進入了新的發展階段。隨著學科發展，傳統“數字信號處理”課程的教學模式在教學實踐中已顯現出不相適應的問題。[2]因此，近年來國內部分高校開始了對“數字信號處理”傳統的課程內容和教學模式進行改革。

一、傳統“數字信號處理”教學模式及其存在的問題

1.教學內容過度重視理論推導，不注重理論和實踐相結合

“數字信號處理”是一門以算法為核心的理論性很強的學科，傳統的教學主要是討論算法和理論的推導，[3]而與實際的聯系很少或基本沒有。這樣就使得數字信號處理的有關概念顯得非常抽象，學生很難把教材中所講的數學函數與實際的波形聯系起來，給學習帶來了很大的困難，這在很大程度上影響了本課程的教學效果。

2.教學手段過于單一，過分依賴多媒體教學

多媒體教學具有信息量大、形象直觀的特點，[4]的確在很大程度上優化了課堂結構，目前已成為教學手段改革的主流。但不能忽視的是由于過分依賴多媒體教學，使得老師的精力過多花在課件制作的形式上，卻忽略了課件的內容，使得教學質量嚴重下降；其次，因為多媒體教學的信息量大，容易出現“滿堂灌”的現象，老師成了講課的機器，與學生的互動性大大降低；再有，強調多媒體教學的同時，忽略了傳統板書的作用，使得學生對課程的重點把握不清楚。需要強調的是多媒體僅僅是傳統教學基礎上增加的一個特殊的教學工具，只有充分利用多媒體教學的優點，克服其缺點，才能達到提高教學效果的目的。

3.作業模式非常單一，基本上都是采取課后習題的書面作業形式

作業作為教學的重要環節，它不僅僅是課堂教學的補充與延伸，同時也是教學信息反饋的重要途徑。[5]作業可以有效地檢驗教與學的效果；通過作業，教師可以與學生共同探究、討論、體驗與交流等。傳統作業基本上都采取課后習題的書面作業形式，這就使得傳統作業模式單一、機械訓練，給學生造成了抄襲作業、“復制”作業的不良習慣，導致了學生懶于思考、探究問題的行為，不利于不同層次學生發展的需求，阻礙了學生自主、合作、探究學習意識的發揮。

二、改進傳統的“數字信號處理”教學模式，創建教學新模式

“數字信號處理”是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科，目前已成為發展最為迅速、應用最為廣泛的學科之一。“數字信號處理”作為電子信息學科的一門專業基礎課，是一門理論性和工程性都很強的學科，是聯系數字電路、信號與系統、通信原理、圖像（語音）信號處理、模式識別等課程的紐帶，對于培養學生理論分析能力和實踐能力有非常重要的作用。顯然傳統的“數字信號處理”教學模式已經越來越不適應學科飛速發展的需要，為此筆者在充分研究傳統教學模式和教學實踐的基礎上，提出了創建“數字信號處理”教學新模式的理念。新的教學模式主要涵蓋以下幾個方面的內容：

1.改進傳統的以單向性知識傳授為主的教學方式，實施學習與研究融為一體的研究型教學方式

（1）“數字信號處理”是一門既注重基礎理論、又緊密聯系工程應用的學科，這就要求老師在講授理論課的同時，要注重培養學生對理論知識的應用能力。傳統的教學方式以單向的知識傳授為主，不注重對學生的應用能力的培養，而研究型教學將學習與研究融為一體，[6]教學的重點在于培養學生學習運用知識、提出和解決問題的能力。如何在學習過程中給予學生適當的指導，對教師來說是新的挑戰。Matlab教學平臺的引入使得抽象的數字信號處理基本理論能夠直觀、形象地進行演繹，有助于學生對知識的理解和掌握，同時也大大激發了學生的學習興趣和愛好。[7]

（2）針對傳統的《數字信號處理》教材過分重視理論推導的現象，選擇那些避免大量理論公式推導、更加注重應用的教材。教師在講課過程中教學重點也要放在基礎理論的理解和應用上，避免煩瑣的數學公式推導過程，讓學生從心理上避免厭學、怕學、難學的情緒。此外，教師還要隨著“數字信號處理”學科的發展，把當前的一些數字信號處理的新進展引入到課程的教學中，為學生將來的研究工作指明方向。隨著內容的增加，在同樣多的授課時間內，要學習原本就難以理解和掌握的知識以及新的內容，效果很難保證。這就使得教師在教學過程中必須對教學內容進行精心組織和安排，并對教學內容進行合理篩選和提煉，對重點概念和難點詳細講；強調概念的物理意義和應用，跳出數學推導，注重結論的物理實質和對它的靈活應用；結合科研實踐介紹具體應用。

（3）“數字信號處理”是以眾多學科為理論基礎的，同時又是一系列新興學科的理論基礎，數字信號處理在圖像處理、數字通信、模式識別、人工智能等領域都有著廣泛的應用。為把數字信號處理中的理論加以致用，讓一部分有潛質的學生參與到相關團隊的科研項目中，他們分別在大學生創新實驗、挑戰杯賽和本科生畢業設計中取得了不菲的成績，從而更加密切了理論和實踐的聯系。

2.改進多媒體教學的方式，提高多媒體教學的效果

多媒體教學是一把雙刃劍，它在提高教學效率的同時，教學質量卻日益下降。[4]為了達到教學質量和教學效率的最佳統一，針對多媒體教學中遇到的問題，采取了以下幾種解決方法：

（1）制作適合教學且便于學生理解的課件。首先，文字表述要重點突出，重點、難點可以使用多種方法特別標識。對于課程要介紹的各章節內容及具體問題和概念等都可以在課件中做出明確、有條理的文字說明，使學生對于教師要教授和講解的內容一目了然；其次，圖形、色彩使用恰當，切忌文字、版式以及動畫等的配合花哨不實用，這樣才能使學生明確學習的重點，避免學生把上課的注意力都集中那些華而不實的形式上。

（2）進行合理教學設計，準確把握授課進度。多媒體課件教學具有信息量大、速度快、易操作的特點，由于講課的信息量大，教師在授課時會不自覺地加快講課語速，使得學生對于一些重點和難點內容跟不上老師講課的速度。這就要求教師授課前進行合理的教學設計，上課時才能準確把握授課進度，提高教學效果。

（3）把多媒體技術和傳統板書相結合。多媒體課件的廣泛運用使得部分老師忽視了板書的作用。好的板書是教學內容的濃縮，板書的內容往往是對教學內容的加工和提煉，有助于學生記憶，便于學生理解相關內容，也便于學生記錄和課后復習。對于課程中的重點內容和一些重要理論的推導過程，可以使用板書的形式來講解，強化學生對這些知識點的理解和掌握。

3.摒棄傳統的作業方式，探索有效的作業方式

傳統的作業形式有其存在的價值，但其存在各種問題是顯然的。如何通過作業這一環節來開啟學生思維，激發創造潛能，實現知識的內化和創造性運用，應該說還存在著相當大的空白。有些教學工作者也曾經在教學實踐中做了一些有益的嘗試，但往往是即發的、非持續性的教學行為，作為一項持久的、穩定的、系統的方案來實施的還是少數。本課題的提出，旨在改變傳統作業機械性操練的模式，在作業的內容、形式、評估等方面有新的突破。能更多地融入學生的自主性和鮮明的個性，給學生選擇、計劃、想象、探究、體驗的空間，注重學生主體作用的發揮，尊重學生的個別差異，切實培養學生的創新精神和創新能力。在作業設計方面進行了以下幾個方面的嘗試：

（1）設計梯級作業，提供選擇的機會。教師要客觀看待學生存在的學習能力方面的差異，留作業做到因材施教，教師要設計難易有別的多梯級作業。學生可以自主選擇作業的數量和難度。教師要摒棄統一格式、統一標準的做法，從學生的實際出發，確定多層次、多難度的作業目標，鼓勵學生用自己的方式完成作業，肯定他們的獨立性。

（2）設計拓展型作業，開發學生的潛能。一個章節的教學結束，并不是探尋知識的終點，教師要通過巧妙地點撥引導他們由此及彼地拓展延伸，涉獵更廣闊的領域。

（3）設計開放性作業，激發學生的學習興趣，培養學生的創新意識。每個章節結束后，結合當今數字信號處理中的前沿課題，讓學生自主地去選擇一些他們感興趣的課題組成興趣小組，使學生能夠積極主動地參與到相關的課題實踐中。

4.全面改革實驗教學，培養學生創新能力

“數字信號處理”的理論性較強，必須輔之于實踐環節來加深學生對書本知識的學習。開設實驗課，可以把課程的基本理論和基本應用再次提煉，幫助學生在實驗的過程中進一步掌握相關原理及其基本實現方法，提高學生分析問題和解決問題的能力。[8]近年來，學院不斷優化實驗教學體系，形成了專業基礎性實驗—綜合性實驗—研究性實驗—開放性實驗這一系統化的實驗教學特色。

（1）本著“加強基礎、突出綜合、注重創新”的實驗教學組織的基本原則，增設學生自由思考、自主設計的實驗內容，使本科生實驗教學從以驗證性實驗為主過渡到以設計性、應用性和綜合性為主的實驗，著重培養學生的分析和解決問題的能力。

（2）開展研究性實驗教學，提高學生的創新能力。將實驗教學與教師的科研項目相結合，讓有興趣的學生通過課題相關的一些實驗，盡早地融入到信號處理的項目研發中，為培養適應現代信號處理的研究性人才奠定堅實的基礎。

（3）開展開放性實驗教學，支持大學生課外參加科研訓練。開放性實驗教學是由老師結合數字信號處理的熱點問題和科研項目給學生提供相關的課題，讓學生自己安排、設計和完成實驗。開放的實驗室為學生開展大學生科研訓練提供場地和指導，同時也使教師將部分科研課題帶入了實驗室，為培養具有創新精神、實踐能力的創新型人才提供了先進的系統化訓練平臺。

三、結束語

“數字信號處理”作為國內外許多大學電子信息類專業的專業必修課，近年來發展得非常迅速，應用也越來越廣泛。多年來在“數字信號處理”這門課程的教學過程中，探索出了這一能適應數字信號處理學科發展的教學新模式。實踐表明，新的教學模式能夠適應學科的發展，大大提高了教學質量，激發了學生學習興趣，培養了學生創新和實踐能力；新的教學模式對當前高等院校的教學改革也具有重要的參考價值和借鑒意義。[9]

參考文獻：

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2002.

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[8]王昭榮，曾衛東，魯興萌.改革實驗教學及管理模式，培養創新型本科人才[J].高等理科教育，2007，(1):63-65.

[9]王穎，胡學友，胡云龍.“數字信號處理”教學改革初探[J].合肥學院學報(自然科學版)，2007，17(1):82-83.

（責任編輯：宋秀麗）