“數字信號處理”課程的教學方法探討

辜小花，楊利平

信息科學是研究信息的獲取、傳輸、處理和應用的科學，是眾多應用技術的理論基礎。數字化、網絡化和智能化已成為信息技術當前的發展方向，其中數字化是網絡化和智能化的基礎［1］。因此，數字信號處理技術是高等院校的電子科學與技術、信息工程和通信工程等電子信息類專業本科學生必須掌握的專業基礎技術之一。

數字信號處理的內容異常豐富、發展非常迅速。數字計算機和信號處理在眾多領域的應用，促使數字信號處理產生了許多分支，要想在本科階段將所有知識教給學生已不可能。目前，高等院校的“數字信號處理”課程的教學重點是數字信號處理的基礎理論、基本概念和基本方法。現針對“數字信號處理”課程的特點，對課程的教學方法進行初步探討。

一、數字信號處理課程的特點

（一）內容豐富，理論性強

“數字信號處理”課程的教學內容較多，涉及離散時間信號與系統的時域分析、頻域分析、Z域分析，離散傅里葉變換(DFT)及其快速算法，信號的譜分析，數字濾波器的設計與實現等。這些內容均是課程的基礎和重點，要求學生必須掌握的知識點多，難度大。

另外，該課程的許多內容都涉及嚴格的數學推導，理論性強，概念抽象。例如：用數學公式對離散信號和系統進行抽象，其中涉及的離散時間傅里葉變換、差分方程與系統函數、離散傅里葉變換等均有嚴格的數學推導。對于數學功底一般的工科學生來說，理解這些數學公式的具體含義是一大難點。課程教學過程中，學生容易感到枯燥乏味，特別是一部分對于先修課程“信號與系統”學習有困難的同學，在學習數字信號處理課程時，由于無法理清知識體系及相互之間的聯系，容易產生怕學、厭學的心理［2］。

（二）設計復雜，工程應用性強

“數字信號處理”課程涉及多個學科，且應用性強。要將常遇到的模擬信號進行采樣、量化，獲得數字信號，然后對得到的數字信號進行變換、分析、濾波及識別等處理，得到需要的處理結果［3］。因此，要求學生在掌握該課程基本概念和基礎知識的基礎上，還要掌握應用這些知識解決實際問題的能力。

（三）與“信號與系統”課程聯系緊密

對于電子信息類專業的學生而言，在學習數字信號處理之前，一般都已經學習過“信號與系統”這門專業基礎課。“信號與系統”主要是介紹連續時間信號及系統的分析方法，而“數字信號處理”則是介紹離散時間信號與系統的分析方法。二者的很多基本概念和基礎理論都是相通的，但在具體分析時又有各自的特點。學生在學習過程中，很容易用理解連續時間信號處理的方法來理解離散時間信號的處理方法，不重視二者的區別。

二、對課程教學方法的建議

（一）加強與相關課程的聯系

隨著教學改革的不斷深入，專業課程的學習已經不再單獨強調某一門或某幾門課程，而是強調培養學生的專業知識體系。專業教學計劃對課程的具體學時都做了嚴格的規定，“數字信號處理”的理論教學從以往的64學時調整為48學時，甚至更少。在課時壓縮的情況下，如何保證教學內容不少并提高教學質量，是所有教師必須面對的難題［4］。

“數字信號處理”課程與先修的“信號與系統”課程在內容和方法上都有許多相通之處，可以將二者看作是信號處理與系統分析的兩個部分，統籌規劃，做好教學內容上的銜接，使二者的教學活動連貫進行。這對于學生深入理解信號處理與系統分析的基本概念，掌握基本原理有重要作用。

（二）注重算法分析

由于“數字信號處理”課程的理論性強，基本概念多，所以現在教學過程中普遍存在著“重理論、輕技能”的問題。在具體的教學活動中，花費了大量的學時講解概念和理論推導，對算法（如快速傅里葉變換）的具體實現的介紹偏少。實際上，對于工科學生來說，最重要的應該是利用這些算法解決實際問題。他們在掌握理論知識的基礎上，更需要掌握算法的具體實現過程，以及算法實現的效率等問題。通過對數字信號處理課程的學習，特別是其中關于快速傅里葉變換的具體實現的學習，學生應該具有理解算法、分析算法和實現算法的能力，以便日后能更好地掌握離散余弦變換(DCT)、小波變換(WT)等數字信號處理方法的原理和具體實現步驟，利用這些工具解決工程實際問題。

（三）強化實踐教學

目前，開展數字信號處理實驗是該課程實踐教學的唯一手段。由于各方面條件的限制，各高校開設實驗課的做法大致為這樣兩種：第一種是只針對理論教學內容開設一些簡單的實驗，以加強學生對基本知識的理解；第二種是在課程結束時開設幾個綜合實驗，全面培養學生應用知識的能力。這兩種做法都存在片面性，容易造成理論教學與實踐環節脫節。第一種做法可以強化學生對基礎知識的學習和掌握，但卻缺乏對知識應用能力的訓練；第二種做法可能會由于學生缺乏基本的訓練而達不到預期效果。

在當前學時有限的條件下，可在理論教學過程中增加互動環節，通過課堂練習、討論等方式，使學生加深對基本知識的理解。同時，在理論教學過程中強化對基礎知識具體應用的講解。在此基礎上，設計分層次的實驗教學內容，既要包含一定的基礎技能訓練，又要使實驗內容能涵蓋盡可能多的知識點。可以通過設計自主式實驗，由教師給出選題范圍，學生自由組合，選擇題目，自行給出設計方案并負責實現，訓練學生綜合應用知識的能力。

（四）考核方式多樣化

成績考核評定是檢驗教學效果的重要方式，也是一個重要的教學環節。教學方法的改變，要求考核方式也應靈活多樣。“一考定全局”的傳統評價方式已與現行的教學方法不相適應。對于“數字信號處理”課程而言，考核應該突出兩個方面：一是考查對基礎知識、基本概念的掌握情況；二是考查應用知識的實踐能力。在具體考核過程中，除期中考核、期末考試、實驗和平時成績外，應該加強對學生應用知識的技能考核。可以通過設計一系列不同難易程度的綜合設計題，全面評價學生對知識的掌握情況。此外，可根據數字信號處理的發展趨勢，適當增加一些課外知識，鼓勵學生通過課后的自學習完成相關題目。

[1]姚天任.數字信號處理[M].北京：清華大學出版社，2011.

[2]鄧己媛，吳健輝，張國云.電子信息類工科專業《數字信號處理》課程教學探討[J].湖南理工學院學報：自然科學版，2012（1）.

[3]劉國剛.《數字信號處理》課程教學思考[J].現代計算機：專業版，2012（7）.

[4]郝保明，張明玉，唐永剛，等.“信號與系統”和“數字信號處理”的優化教學研究[J].宿州學院學報，2012（5）.