“數(shù)字信號處理”課程建設的探索與實踐

韓建峰?宋麗麗

摘要：介紹了過去五年內蒙古工業(yè)大學精品課程“數(shù)字信號處理”在課程建設中有意義的舉措和收獲。課程體系設計突出該課程承前啟后的特點，教學內容改革注重實用性，選用英文教材開展雙語教學，完善教輔資源，課程教學中以數(shù)字信號處理系統(tǒng)為主線，從而提升課程乃至信號課程群的整體教學效果。

關鍵詞：數(shù)字信號處理；課程建設；雙語教學

作者簡介：韓建峰（1978-），男，內蒙古呼和浩特人，內蒙古工業(yè)大學信息工程學院，講師；宋麗麗（1980-），女，內蒙古赤峰人，內蒙古工業(yè)大學信息工程學院，講師。（內蒙古 呼和浩特 010080）

基金項目：本文系內蒙古工業(yè)大學高等教育教學改革項目（項目編號：2011009）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）05-0088-02

內蒙古工業(yè)大學（以下簡稱“本校”）的“數(shù)字信號處理”是為電子信息工程和通信工程專業(yè)本科生開設的學科基礎課。對這兩個專業(yè)而言，“數(shù)字信號處理”是承前啟后的重要課程。近年來隨著信息技術的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理的應用日益廣泛，對該課程教學的要求也不斷提高。課程組不斷吸取國內外高校的先進經驗，結合本校的實際情況在課程體系與教學內容改革、完善教學資源、雙語教學等方面進行了探索和實踐，取得了明顯的效果。

一、課程體系與教學內容改革

本校為本科生開設的“數(shù)字信號處理”課程，傳統(tǒng)上偏重于經典算法理論及其推導，較少涉及實現(xiàn)方法。課程教學內容主要是數(shù)字系統(tǒng)對數(shù)字信號進行分析、處理的基本原理和基本方法，包含了大量時域、變換域的經典數(shù)學分析方法和對系統(tǒng)求解的數(shù)學運算，理論性很強。按照傳統(tǒng)的課程內容設計，學生易于“紙上談兵”，即只會用紙筆解題而不會應用所學理論解決實際問題，學生的素質和能力與信息產業(yè)的發(fā)展需求和工程實際相距甚遠。目前本校針對此問題采取了兩條改革途徑，[1]一是使用MATLAB等軟件，為數(shù)字信號處理算法實現(xiàn)提供仿真環(huán)境；二是引入工程界廣泛采用的DSP（數(shù)字信號處理器）器件，指導學生在硬件平臺上實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法。

課程組將MATLAB軟件仿真引入“數(shù)字信號處理”課程，把經典的分析、處理方法用計算機實現(xiàn)，理論聯(lián)系實際，使學生掌握初步的實際信號的分析與處理方法，具備基本的基于計算機的數(shù)字信號處理應用能力。基于DSP器件的數(shù)字信號處理硬件實現(xiàn)方法，學生則在后續(xù)開設的課程“DSP技術”中學習。

“數(shù)字信號處理”與其先修課“信號與系統(tǒng)”作為電子、通信專業(yè)在信號系統(tǒng)與控制知識領域的核心課程，其核心知識點存在部分重疊的現(xiàn)象，如離散時間信號與系統(tǒng)的分析、Z變換等。[2]在這兩門課程的分離教學中，極易出現(xiàn)重疊教學內容占用較多學時的問題。課程組通過不斷地探索和教學實踐，對兩課的教學內容和課程體系進行優(yōu)化和改革，在“信號與系統(tǒng)”中重點分析信號與線性時不變系統(tǒng)的基本概念和理論，而在“數(shù)字信號處理”中則突出離散時間信號的處理方法和系統(tǒng)結構，從而在保持各自教學的完整性基礎上，更好地銜接了兩門課程，提升了整體教學效果。

“數(shù)字信號處理”是一門理論性和實踐性都很強的課程，課程目標強調培養(yǎng)學生的應用能力。課程組開發(fā)了多個MATLAB實驗，內容由淺入深涵蓋了課程內容中涉及的基本原理和常用算法，包括實用性較強的驗證型實驗和綜合性強、較有趣味性的設計型實驗，采用學生課下自主完成、課堂集中講解的方法，以作業(yè)形式布置給學生。在課程考核中也包含了應用MATLAB的實驗內容，約占總成績的20%。另外，課程組還設計了一些難度較高的選做實驗，供有興趣且學有余力的學生在課下以小組的形式學習、鉆研和交流，任課教師定期予以輔導。這種課內實踐教學平臺的實踐教學設計提高了學生的學習興趣，有利于對學生實踐能力和專業(yè)素質的培養(yǎng)。

二、教學資源

1.教材選用

教材作為教學內容的載體在保證教學效果方面至關重要。選用優(yōu)秀的英文版教材，既可保證教學內容的科學性，又有利于開展雙語教學。確定選擇英文教材的原則：[3]難度適中，覆蓋教學大綱要求的基本內容，符合本校學生實際；內容新穎，能夠體現(xiàn)本學科的最新發(fā)展；有豐富的教輔材料；有中文譯本，且價格適中。

課程組最終選定科學出版社出版的《Signal Processing First》作為課程教材。該教材為“國外高校電子信息類優(yōu)秀教材”，[4]重視實驗，采用了很多新的可視性的論證方法，如演示程序和動畫制作、實驗室測試工具等，能夠很好地幫助學生消化數(shù)學公式、理解較為抽象的概念、原理。另外該教材有中文譯本，由電子工業(yè)出版社出版，教師將中文譯本連同國內經典教材一起以參考文獻形式提供給學生，學生根據自己的學習狀況自主購買。

2.教輔資源完善

課程組制作并不斷完善的多媒體課件，包含大量的圖片、音頻和視頻演示，能夠生動、形象地將重要的概念、原理表述清楚。同時課程組編寫并多次修訂了與課程教學同步的學習和實驗指導書，內容包括各章重點、難點及典型例題解析、自測練習題、MATLAB實驗指導、專業(yè)術語英漢對照、課程學習中常見問題的解答及如何撰寫電子版作業(yè)等內容，輔助學生課下自主學習，解答學生在教學過程中遇到的疑問。

本校開設了精品課程網站及教師個人課程教學網站，為學生提供大量課程學習資源，并隨著課程進度同步更新，包括教學大綱、教學日歷、教案等教學文件以及課件、作業(yè)參考答案、MATLAB學習資料、視頻演示、常用軟件工具等，形成了較完備的網絡教學資源平臺。學生可以非常方便地通過網絡了解授課進度和安排，及時復習和預習；學生作業(yè)以電子版形式提交至課程教學網站，教師在學生作業(yè)提交后上傳作業(yè)參考答案，方便學生查找作業(yè)中的問題，教師在課堂上就問題較多的難點予以講解。實踐證明，這種網絡教學資源對教學起到積極的作用。

三、教學內容組織與教學方法

“數(shù)字信號處理”課程的知識點較多，學生極易陷入到多個概念的機械記憶中，對于整個課程的知識結構很難形成較為清晰的認識。因此教師在組織教學內容時以數(shù)字信號處理系統(tǒng)的組成為主線，注重前后知識點的聯(lián)系，在課堂教學中時常將各組成部分與系統(tǒng)對照，明確相關理論和方法的目的及用途，從而突出重點、難點。例如，教師在講解相對抽象的“重構”概念時，首先明確完成“重構”的部件DAC（數(shù)模轉換）在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中所處的位置以及前端和后端的組件，啟發(fā)學生思考“重構”的目的和作用，同時與“采樣”對比，引導學生分析、理解“重構”的方法，這有利于學生保持較為清晰的思路，掌握相關的知識點。

教師應根據不同的教學內容，選擇適當?shù)慕虒W方法。對于一般概念和原理，以講授法為主，采用形象化的方法，[5]強調數(shù)學公式代表的物理意義，淡化數(shù)學計算，輔助以實例或演示，注重其在MATLAB仿真中的應用，以作圖、音頻輸出等形式具體展示處理效果；就較為抽象、不易理解的問題采用討論法，提出問題引發(fā)學生思考、參與討論，并加以總結；利用探究式教學法，提出綜合性問題（設計型MATLAB實驗），促使學生發(fā)揮主觀能動性，不斷總結各部分教學內容的聯(lián)系，逐步建立起系統(tǒng)的知識結構，培養(yǎng)學生綜合運用知識的能力和創(chuàng)新精神。教師在課堂教學中注重與學生的互動，同時利用網絡課程論壇解答問題，隨時了解學生的學習狀況。另外本校還專門設立了學生反饋環(huán)節(jié)，讓學生填寫《學生反饋意見》，及時了解學生對課程教學的看法和遇到的問題。

四、雙語教學

利用英文原版教材開展雙語教學是教育部提倡的一種教學模式，其重要意義在于吸收國外先進教材中的先進成分，全面提高教學質量。[6]“數(shù)字信號處理”是本校于2006年首批認定的雙語教學課程。課程組廣泛學習、吸取國內先進高校開展雙語教學的寶貴經驗，立足實際，在教學實踐中不斷探索、完善適合本校學生的雙語教學模式。充分利用英文版教材配套的大量教輔資源，并通過建立與原著作者的聯(lián)系，獲得英文原版多媒體課件，同時收集了大量國內外高校的共享教學資源。在此基礎上編制了雙語課程教學課件及雙語課程學習指導書，并經過五年來的教學實踐逐步完善，這些課件及指導書在課堂教學、學生課下自主學習、上機練習和雙語課程的學習方法指導等方面發(fā)揮了重要作用。

本校地處少數(shù)民族自治地區(qū)，歷屆學生中均有約10%的少數(shù)民族學生。由于進入大學前的英語學習經歷較少，這部分學生的英語基礎相對薄弱，因此相對其他高校，本校開展雙語教學的難度更大。因此教師除了充分調動學生的學習積極性外，還應加大力度對學生進行雙語學習重要性的普及和學習方法上的指導。課程組編制的課程學習指導書中，特別針對雙語教學增加了專業(yè)術語英漢對照、雙語課程學習中易出現(xiàn)的問題以及往屆學生學習雙語課程的心得和成功的案例等，力爭從學生對雙語課程的認識上、心理上、學習方法和學習方式等方面為順利開展雙語教學掃清障礙。對于學習英文原版教材確實有困難的少數(shù)民族學生，建議他們主要使用中文譯本并鼓勵其嘗試用英文原版教材。在課堂教學中遵循循序漸進的原則，課程教學初期，教師要留出時間帶領學生分析重點段落，并通過講解例題、練習題和作業(yè)題的過程幫助學生盡快熟悉英文原版教材中的敘述風格、常用句法和及命題方式。隨著課程進度地推進，學生逐漸熟悉教材，教師應逐步減少對教材語言方面的引導，并增加英文講述的比例。

另外，為了提升整體的課程教學效果，本校在與“數(shù)字信號處理”同學期開設的“專業(yè)外語”課中，為學生增加了適當?shù)挠嘘P數(shù)字信號處理的專業(yè)文獻。通過“專業(yè)外語”地同步學習，學生掌握了大量“數(shù)字信號處理”的基本專業(yè)術語和詞匯，可以減輕“數(shù)字信號處理”雙語課程初期語言方面的教學壓力，便于順利開展雙語教學。

雙語教學開展五年以來，從未出現(xiàn)因語言問題而放棄學習的學生。相反，在學生的反饋意見中，絕大多數(shù)學生都喜歡或能夠接受雙語教學。實踐證明，“數(shù)字信號處理”雙語教學不但對學習本門課程的教學起到了推動作用，同時對提高學生讀、寫專業(yè)文獻的能力以及提升專業(yè)綜合素質有著積極的意義。

五、結束語

由于學時問題，現(xiàn)有教學計劃中未分配課內實驗學時，隨著實踐能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)的要求日益提高，現(xiàn)有實踐教學模式稍顯薄弱。在本校2011年結合學分制改革的培養(yǎng)計劃修訂中，這一問題已經得到了根本性解決。在課程組多年教學實踐論證的前提下，新的教學計劃中為“數(shù)字信號處理”增開了8學時實驗，這為進一步提高“數(shù)字信號處理”課程的教學效果提供了有利的條件。

課程組立足實際，在“數(shù)字信號處理”課程建設的過程中勇于探索，勤奮實踐，特別是在青年教師培養(yǎng)方面成績突出。課程組青年教師于2007年在內蒙古自治區(qū)教育廳和總工會舉辦的“全區(qū)高校青年教師課堂教學技能大賽”中獲得第一名，并在2012年由中國教科文衛(wèi)體工會全國委員會主辦的“首屆全國高校青年教師教學競賽”中獲工科組二等獎。

參考文獻：

[1]蔡竟業(yè)，楊錬，朱學勇，等.國家精品課程《數(shù)字信號處理》的建設與實踐[J].電子科技大學學報（社科版），2005，（S1）.

[2]教育部高等學校電子信息科學與工程類專業(yè)教學指導分委員會.高等學校電子信息科學與工程類本科指導性專業(yè)規(guī)范（試行）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]彭啟琮.國家精品課程“數(shù)字信號處理”雙語教學實踐[J].中國大學教育，2005，（4）.

[4]McClellan James H，Schafer Ronald W，Yoder Mark A.Signal Processing First（英文影印版）[M].北京：科學出版社，2003.

[5]王艷芬，王剛，張曉光，等.“數(shù)字信號處理”精品課程建設探索[J].電氣電子教學學報，2011，33（2）：22-24.

[6]宋耀良，徐天成，谷亞林.《數(shù)字信號處理》課程雙語教學的研究與實踐[J].高教探索，2007，（S1）.

（責任編輯：宋秀麗）