基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)創(chuàng)新

劉 琳，李 銳，李永福

（重慶郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400065）

基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)創(chuàng)新

劉 琳，李 銳，李永福

（重慶郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400065）

虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展給數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)帶了新的思路。深度融合虛擬儀器技術(shù)，全面創(chuàng)新數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)形式和體系。開發(fā)虛擬輔助教學(xué)軟件，用動(dòng)態(tài)圖形形象化地闡述晦澀難懂的基本理論，豐富教學(xué)內(nèi)容，更新教學(xué)形式；并構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室因場地、經(jīng)費(fèi)等因素的限制，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，完善教學(xué)體系。將虛擬儀器技術(shù)引入數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)，使得學(xué)生學(xué)習(xí)興趣增強(qiáng)，學(xué)生基本技能提升，從而顯著提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

虛擬儀器；數(shù)字信號(hào)處理；教學(xué)創(chuàng)新

一、引言

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理在當(dāng)今高科技領(lǐng)域有著極為重要的地位和廣泛的用途[1]。然而它的基礎(chǔ)課程卻處于教難、學(xué)更難的境況中，并且，學(xué)生即使掌握了理論知識(shí)，也很難靈活應(yīng)用至實(shí)踐中[2]。調(diào)研國內(nèi)外數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)，上述問題主要?dú)w因于兩個(gè)方面：一方面是傳統(tǒng)的教學(xué)形式單一，僅依賴文字幫助理解基本理論[3-5]；數(shù)字信號(hào)處理課程不同于其他課程，它是基于“高等數(shù)學(xué)”、“大學(xué)物理”等公式和推導(dǎo)較多的學(xué)科，理論性強(qiáng)，極具抽象性，有大量的算法和晦澀難懂的基本理論[6]。在課堂教學(xué)中教師僅采用Powerpoint軟件編制的課件不夠直觀，許多內(nèi)容學(xué)生很難透徹理解。其次，數(shù)字信號(hào)處理是適應(yīng)高速數(shù)字集成電路的面市應(yīng)運(yùn)而生的，其大量的計(jì)算算法適于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，對(duì)于人來說則運(yùn)算量大且煩瑣，學(xué)生們難以親手驗(yàn)證，因而經(jīng)常得不到形象化的結(jié)果，使得對(duì)理論的理解難以透徹，實(shí)際應(yīng)用中總有一層障礙。另一方面是受限于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的模式和格局，數(shù)字信號(hào)處理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)嚴(yán)重缺失[7-9]；信息類專業(yè)課程有很強(qiáng)的實(shí)用性，其受眾廣，且信息量大，然而因?qū)嶒?yàn)場地、設(shè)備、資金等因素，目前單一的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室已完全不能滿足學(xué)校完成教學(xué)任務(wù)，很難開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，很多院校根本沒有配套開設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。然而，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校培養(yǎng)高素質(zhì)合格人才的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)等方面有著其他教學(xué)環(huán)節(jié)所不能替代的獨(dú)特作用。若學(xué)生們?nèi)狈?shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)則會(huì)顯得有些束手無策，實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力也亟待增強(qiáng)。若不能在教學(xué)中突破以上兩個(gè)瓶頸問題——單一的教學(xué)形式和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)模式及格局，數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果將大打折扣。

二、虛擬儀器技術(shù)在教學(xué)應(yīng)用中的優(yōu)勢

伴隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展及其在國內(nèi)的普及，它可為數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)提供新的思路和巨大變化。突破傳統(tǒng)教學(xué)手段，深入融合虛擬儀器技術(shù)，全面創(chuàng)新數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)方法應(yīng)運(yùn)而生[10-11]。虛擬儀器是將現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)和高性能模塊化的硬件結(jié)合在一起而建立的功能強(qiáng)大又靈活易變的儀器，其強(qiáng)調(diào)硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心，使用者可通過修改軟件，方便地修改和增加儀器的功能和規(guī)模，性價(jià)比高[12]。模塊化硬件體積小，便于攜帶，可“裝入”計(jì)算機(jī)，即能與計(jì)算機(jī)互聯(lián)互通。軟件開發(fā)平臺(tái)可選擇圖形化編程語言LabVIEW，它具有功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析函數(shù)，可以非常靈活地為教學(xué)中的理論知識(shí)設(shè)計(jì)各種虛擬儀器。同時(shí)，它也將使用者從復(fù)雜的文本編程語言中解脫出來，將重心專注于軟件的功能。這使得教師可在很短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出虛擬儀器課堂應(yīng)用，把書本上理論性較強(qiáng)的知識(shí)轉(zhuǎn)換成直觀性很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)圖形，加深對(duì)理論知識(shí)的理解。由于虛擬儀器使用的硬件大多是通用的，各種專業(yè)儀器的功能主要依靠軟件實(shí)現(xiàn)，將虛擬儀器引入至實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，必將大量減少設(shè)備經(jīng)費(fèi)的支出和節(jié)省實(shí)驗(yàn)場地的空間，學(xué)生們也能感受和應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和手段，積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)。因此，根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理課程的特點(diǎn)，基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)虛擬輔助教學(xué)軟件和構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，全面創(chuàng)新數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)方法和體系。這對(duì)活躍課堂氣氛，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生基本技能，提高教學(xué)質(zhì)量，鞏固教學(xué)效果等將具有非常重要的意義。

三、創(chuàng)新課程教學(xué)形式，開發(fā)虛擬輔助教學(xué)軟件

虛擬輔助教學(xué)軟件是基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的教學(xué)演示子系統(tǒng)。針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程中許多難以理解的抽象概念與性質(zhì)，對(duì)應(yīng)每一章的內(nèi)容相應(yīng)制作多個(gè)精致的演示程序，用豐富而具有動(dòng)感的彩色圖形把課程中疑難之處用生動(dòng)形象的形式展現(xiàn)出來，使學(xué)生加深理解。下面以“窗函數(shù)”為例，具體闡述虛擬輔助教學(xué)軟件如何進(jìn)行輔助教學(xué)。在數(shù)字信號(hào)處理課程中，為了減少頻譜能量泄漏，可采用不同的截取函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行截短，截?cái)嗪瘮?shù)稱為窗函數(shù)，簡稱為窗。在教學(xué)演示子系統(tǒng)中，基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)出窗函數(shù)比較動(dòng)態(tài)演示程序，其前面板和程序框圖分別如圖1和圖2所示。針對(duì)同一個(gè)信號(hào)施加不同的窗函數(shù)，讓學(xué)生觀察頻域波形的變化，從而體會(huì)窗函數(shù)的性質(zhì)和特性。這樣動(dòng)態(tài)形象的演示讓學(xué)生能感性地認(rèn)識(shí)到窗函數(shù)之間的不同，加深對(duì)窗函數(shù)的理解。

圖1 窗函數(shù)動(dòng)態(tài)演示程序前面板

圖2 窗函數(shù)動(dòng)態(tài)演示程序框圖

從以上應(yīng)用實(shí)例可發(fā)現(xiàn)，通過利用虛擬輔助教學(xué)軟件，不僅能夠采用文字和靜態(tài)圖形直觀地展示教學(xué)內(nèi)容，還能通過動(dòng)態(tài)圖形生動(dòng)形象地闡述教學(xué)內(nèi)容，更易于學(xué)生理解所學(xué)內(nèi)容。采用PPT課件和虛擬輔助教學(xué)軟件結(jié)合授課，教學(xué)形式新穎，教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)，教學(xué)效果更好。

四、完善課程教學(xué)體系，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

虛擬儀器使用的硬件大都是通用的，各種專業(yè)儀器的差異主要靠軟件實(shí)現(xiàn)。依托虛擬儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和通信技術(shù)等，融合多種模塊化硬件設(shè)備構(gòu)建高校虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，具有無可替代的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。圖3為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)，由n臺(tái)計(jì)算機(jī)及相關(guān)硬件如采集卡、信號(hào)調(diào)理箱、電工實(shí)驗(yàn)箱等組成，形成一個(gè)局域網(wǎng)，并與校園網(wǎng)連接，方便學(xué)生隨時(shí)隨地接入進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖3 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)充分利用虛擬儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)高速計(jì)算的優(yōu)勢，給學(xué)生提供實(shí)用的信號(hào)仿真、分析處理、設(shè)計(jì)等工具，不僅可以快速便捷地得到所需的信號(hào)數(shù)據(jù)或計(jì)算結(jié)果，而且能把這些結(jié)果繪制成圖形，給學(xué)生以非常形象化的感性認(rèn)識(shí)。數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果存儲(chǔ)，加上網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，使實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為可能，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)讓實(shí)驗(yàn)隨時(shí)隨地進(jìn)行。整個(gè)實(shí)驗(yàn)也許只需要一套硬件設(shè)備，其他是由軟件來實(shí)現(xiàn)的，這樣可以大大節(jié)省實(shí)驗(yàn)設(shè)備和場地的資金投入，即共享教學(xué)設(shè)施，節(jié)約現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)具有靈活、成本低、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)，在高校的教學(xué)乃至科研中將發(fā)揮極大的作用。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：（1）傳統(tǒng)儀器的功能僅由廠家定義，虛擬儀器在很大程度上功能可由使用者自行定義和設(shè)計(jì)，便于開展研究性或設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)。（2）各種測量儀器不應(yīng)當(dāng)再是彼此相互孤立的，能夠與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，組成一個(gè)以一臺(tái)計(jì)算機(jī)為中心的測量環(huán)境（系統(tǒng)）。（3）計(jì)算機(jī)進(jìn)一步組成網(wǎng)絡(luò)，因而形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的儀器與測量環(huán)境（系統(tǒng)）。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)能夠?yàn)閷W(xué)生提供高性價(jià)比的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，讓教學(xué)環(huán)節(jié)從課本延伸到實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)理論教學(xué)的深入理解，鞏固教學(xué)成果，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生技能水平，讓學(xué)生今后無論是直接就業(yè)還是繼續(xù)深造都更具競爭力。

五、結(jié)論

針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中存在的問題，深度融合虛擬儀器技術(shù)，全面創(chuàng)新和改革數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)形式和體系，開發(fā)出虛擬輔助教學(xué)軟件和構(gòu)建虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將課程中抽象和復(fù)雜的理論知識(shí)以形象和易于理解的方式傳達(dá)給學(xué)生，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，將理論與實(shí)際聯(lián)系起來，以期激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，鞏固教學(xué)成果，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的社會(huì)競爭力。

[1]段麗娜.淺談DSP技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景[J].科技風(fēng)，2012，（24）：206，213.

[2]王典，劉財(cái)，劉洋，等.數(shù)字信號(hào)處理課程分類和分層教學(xué)模式探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，（2）：31-32.

[3]高軍萍，王霞，李琦，等.數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革的探索與體會(huì)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（2）：19-21.

[4]劉大年，史旺旺，孫貴根，等.“數(shù)字信號(hào)處理”課程的形象化教學(xué)方法探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（4）：104-107.

[5]王俊峰.交互式教學(xué)在“數(shù)字信號(hào)處理”課程中的應(yīng)用[J].中國電力教育：上，2010，（3）：94-96.

G642.0

A

1674-9324（2014）43-0117-03

重慶市高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（1203041）；重慶郵電大學(xué)教改項(xiàng)目（XJG1322）

劉琳（1985-），女，漢，湖南衡陽人，博士，講師，研究方向：智能車輛與信息融合等。