“數字信號處理”課程實踐型教學探索

[摘 要]“數字信號處理”課程數學公式多，性質多，內容抽象，學生容易產生厭學心理。將其中的理論知識和實際應用結合起來，不僅能提高學生的學習興趣，而且有利于理解性質和公式，加深印象。在教學中應該將理論和實踐結合起來，打破課堂內外界限，注重培養學生的自主學習能力和創新能力。“教”與“學”是一個長期的相輔相成的過程。怎樣才能更合適更有效，需要廣大高校教師不斷努力探索。

[關鍵詞]數學信號處理 實踐型教學 教學改革

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2013）19-0072-02

“數字信號處理”是一門傳統的電類專業基礎課，該課程理論性強，內容抽象，數學公式多，性質推導多，對學生的數學基礎要求比較高。如果在大學低年級數學功底不好，很有可能一開始就聽不懂，導致失去學習興趣。而當前大部分教材或相關書籍都比較偏重理論分析和體系完整，讓初學者很難找到和實踐接軌的切入點。雖然隨著多媒體教學的普及，大量鮮活的信息可以更方便的呈現在學生面前，但是如果使用不當就會變成“課本搬家”，增大了課堂教學量，加大了學生負擔而沒有起到相應的作用。 如果能將理論知識與實際應用相結合，不僅可以提高學生學習興趣，而且有利于進一步理解課本的內容，加深印象。本文根據多年教學和科研實踐經驗，將各個知識點與對應的實際應用結合起來，用多種方式引導學生建立正確清晰的概念，并通過任務驅動型教學設計和開放性實驗教學來發揮學生主觀能動性，進而實現“教”與“學”的統一。

一、教學內容與實踐相結合

本課程的主要知識內容包括：離散時間信號和系統的時域、頻域分析，Z變換、離散傅立葉變換（DFT）和數字濾波器的結構及設計。數字信號處理的理論被廣泛應用于語音處理、圖像處理、雷達和通信系統、消費電子以及軍事醫療等各個領域。很多知識點都可以在實際中找到對應的應用。下面以序列的基本運算為例進行說明。

序列的基本運算是第一章第一節的內容，如果按部就班進行數學概念的講述很容易使學生覺得枯燥，一開始就失去學習興趣。而在每種運算中都插入應用實例，則使課堂生動有趣。

序列的和運算，是指同序號的序列值逐項對應相加而構成一個新的序列。[1]在多媒體課件中將音樂和朗讀音頻信號作為參與和運算的兩個序列，相加得到配樂朗誦。

序列的標量乘運算，是指序列的每個值都乘以標量常數。通過對一段音頻信號幅度的放大和縮小使學生得到直觀的感受。

序列的積運算，是指同序號的序列值逐項對應相乘。以數字調幅信號為例說明積運算的應用。調幅技術廣泛應用于通信領域，可以將基帶信號調制到射頻范圍，使發射信號的波長減小以便無線傳輸，如圖1所示。

圖1.幅度調制示意圖

序列的卷積和是翻褶、移位、相乘、相加幾種運算結合的復合運算，是求離散線性移不變系統輸出響應的主要方法。將輸入音頻信號和音頻均衡器系統進行卷積，得到的和序列就是輸出音頻信號。通過聽取原信號、低音效果信號和高音效果信號（如圖2），學生能更深刻理解卷積和在系統分析中的重要地位。

圖2.音頻均衡器示意圖

如上所述，數字信號處理學科中的多數知識點都可以利用實例來幫助理解，加深印象。當然，在當前課時量越來越少的情況下，只能有重點的加以選擇，不要喧賓奪主。

二、任務驅動型教學設計

傳統的教師“教”、學生“學”的模式是以教師為主導，很難發揮學生的主觀能動性。近年來已經有各種理論研究和創新實踐對此進行了改革。任務驅動型教學模式是學生通過自主完成一個教學任務，將課堂教學與課外實踐相結合，課本內容與現代信息技術相結合，實現由教學接受者到學習主體的轉變。在此過程中注重學生自主能力和創新能力的培養，體現以人為本的教學理念。任務驅動教學法以激發學生學習興趣與求知欲為基礎，以與教學內容緊密結合的項目的具體任務為載體，以學生自主協作研討為主要運行模式，以教師正確引導和嚴密的組織管理為保障。項目的設計和實施是其成功和有效的關鍵。

但是并不是所有的知識內容都適用于此方法，因此要認真選擇教學內容，仔細進行教學設計。以傅立葉變換的頻域移位性質的教學為例，要求學生5人一組，搜索其實際應用的例證，在課下進行交流討論并形成報告，最后在課堂上為所有同學講解。

大部分學生表現出了前所未有的熱情，積極收集資料，認真準備發言，講解內容從傳統的短波收音機到當前流行的數字音頻廣播等，課堂氣氛熱烈。實踐證明任務驅動型教學方法極大地調動了學生學習的主觀能動性，并培養了團隊合作精神。

三、開放性實驗教學

大部分高校的信號處理課程都有相應的實驗教學加以輔助。本校的數字信號處理課程有8個課時的上機實驗，主要內容是用Matlab進行以下驗證性實驗：用FFT做頻譜分析、用雙線性變換法設計IIR數字濾波器和用窗函數法設計FIR濾波器。驗證性實驗的特點是簡單易懂，學生只要按照實驗指導書的步驟進行操作都能得到正確結果。但是學生在其中完全是被動的接受知識，有時甚至沒有完全理解實驗的目的。

為了克服驗證性實驗的弊端，將4個課時的實驗改為開放式實驗。即只要求利用學過的濾波器設計的知識進行實驗，不限定設計方法、設計類型和應用場合。

數字濾波器廣泛應用于數字信號處理的方方面面，因此學生很容易找到和自身相關的設計應用。例如有的學生將自己錄制的語音信號通過低通濾波器進行去噪，有的用同一指標的濾波器對加不同噪聲的同一幅圖像濾波效果做比較。通過自主探索，學生發現了不少問題，又在老師的幫助下找到問題的答案，既鞏固了理論知識，又增強了學生自信心。

開放性實驗著眼于學生實踐能力的綜合培養，著眼于潛力個性開拓和創新精神的激勵，努力培養學生掌握工程設計和科學研究的基本方法，增強實踐能力，為學生參加各類競賽奠定了基礎。

四、總結

高等工科院校的培養目標應是基礎知識扎實、技術水平過硬而且工程項目意識強的高素質工程技術人員。[2]因此在教學中應該將理論和實踐結合起來，打破課堂內外界限，注重培養學生的自主學習能力和創新能力。在本校2010級信息工程專業4個班中，在課堂理論教學、任務驅動型教學和開放性實驗幾個方面進行了探索和實踐，取得了較好的效果。當然，“教”與“學”是一個長期的相輔相成的過程。怎樣才能更合適更有效，需要廣大高校教師不斷努力探索。

[ 參 考 文 獻 ]

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

[2] 楊會成，王世芳.項目教學法在信號處理課程教學中的實踐與探索[J].中國電力教育，2012（29）.

[3] 徐釗.項目驅動教學法在“概率論與數理統計”課教學中的應用[J].高教論壇，2012（11）.

[4] 楊鐵軍，張紅梅.數字信號處理實踐教學環節改革探討[J].科技信息，2007（18）.

[5] 胡學友，王穎，胡云龍.“數字信號處理”教學改革與實踐[J].高教論壇，2007（6）.

[6] 李相國，靳婷，陳立.“數字信號處理”課程的教學改革探索[J].中國電子教育，2012（4）.

[責任編輯：戴禎杰]