基于虛擬儀器技術的數(shù)字信號處理課程教學創(chuàng)新

劉 琳，李 銳，李永福

（重慶郵電大學 自動化學院，重慶 400065）

基于虛擬儀器技術的數(shù)字信號處理課程教學創(chuàng)新

劉 琳，李 銳，李永福

（重慶郵電大學 自動化學院，重慶 400065）

虛擬儀器技術的發(fā)展給數(shù)字信號處理課程的教學帶了新的思路。深度融合虛擬儀器技術，全面創(chuàng)新數(shù)字信號處理課程的教學形式和體系。開發(fā)虛擬輔助教學軟件，用動態(tài)圖形形象化地闡述晦澀難懂的基本理論，豐富教學內容，更新教學形式；并構建虛擬實驗教學平臺，突破傳統(tǒng)實驗室因場地、經費等因素的限制，增加實驗教學環(huán)節(jié)，完善教學體系。將虛擬儀器技術引入數(shù)字信號處理課程教學，使得學生學習興趣增強，學生基本技能提升，從而顯著提高教學質量和教學效果。

虛擬儀器；數(shù)字信號處理；教學創(chuàng)新

一、引言

隨著現(xiàn)代計算機和信息技術的不斷發(fā)展，數(shù)字信號處理在當今高科技領域有著極為重要的地位和廣泛的用途[1]。然而它的基礎課程卻處于教難、學更難的境況中，并且，學生即使掌握了理論知識，也很難靈活應用至實踐中[2]。調研國內外數(shù)字信號處理課程教學，上述問題主要歸因于兩個方面：一方面是傳統(tǒng)的教學形式單一，僅依賴文字幫助理解基本理論[3-5]；數(shù)字信號處理課程不同于其他課程，它是基于“高等數(shù)學”、“大學物理”等公式和推導較多的學科，理論性強，極具抽象性，有大量的算法和晦澀難懂的基本理論[6]。在課堂教學中教師僅采用Powerpoint軟件編制的課件不夠直觀，許多內容學生很難透徹理解。其次，數(shù)字信號處理是適應高速數(shù)字集成電路的面市應運而生的，其大量的計算算法適于在計算機上實現(xiàn)，對于人來說則運算量大且煩瑣，學生們難以親手驗證，因而經常得不到形象化的結果，使得對理論的理解難以透徹，實際應用中總有一層障礙。另一方面是受限于傳統(tǒng)實驗室的模式和格局，數(shù)字信號處理課程的實驗教學環(huán)節(jié)嚴重缺失[7-9]；信息類專業(yè)課程有很強的實用性，其受眾廣，且信息量大，然而因實驗場地、設備、資金等因素，目前單一的傳統(tǒng)實驗室已完全不能滿足學校完成教學任務，很難開展實驗教學，很多院校根本沒有配套開設實驗教學。然而，實驗教學是高等院校培養(yǎng)高素質合格人才的重要實踐性環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學生的實踐能力、研究能力、創(chuàng)新能力和綜合素質等方面有著其他教學環(huán)節(jié)所不能替代的獨特作用。若學生們缺乏實驗教學環(huán)節(jié)，在實際應用時則會顯得有些束手無策，實際動手能力和創(chuàng)新能力也亟待增強。若不能在教學中突破以上兩個瓶頸問題——單一的教學形式和傳統(tǒng)的實驗室建設模式及格局，數(shù)字信號處理課程的教學質量和教學效果將大打折扣。

二、虛擬儀器技術在教學應用中的優(yōu)勢

伴隨著虛擬儀器技術的發(fā)展及其在國內的普及，它可為數(shù)字信號處理課程的教學提供新的思路和巨大變化。突破傳統(tǒng)教學手段，深入融合虛擬儀器技術，全面創(chuàng)新數(shù)字信號處理課程教學方法應運而生[10-11]。虛擬儀器是將現(xiàn)有的計算機技術、軟件技術和高性能模塊化的硬件結合在一起而建立的功能強大又靈活易變的儀器，其強調硬件是基礎，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，性價比高[12]。模塊化硬件體積小，便于攜帶，可“裝入”計算機，即能與計算機互聯(lián)互通。軟件開發(fā)平臺可選擇圖形化編程語言LabVIEW，它具有功能強大的數(shù)據(jù)分析函數(shù)，可以非常靈活地為教學中的理論知識設計各種虛擬儀器。同時，它也將使用者從復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間內開發(fā)出虛擬儀器課堂應用，把書本上理論性較強的知識轉換成直觀性很強的動態(tài)圖形，加深對理論知識的理解。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現(xiàn)，將虛擬儀器引入至實驗教學中，必將大量減少設備經費的支出和節(jié)省實驗場地的空間，學生們也能感受和應用先進的科學技術和手段，積極主動地學習。因此，根據(jù)數(shù)字信號處理課程的特點，基于虛擬儀器技術開發(fā)虛擬輔助教學軟件和構建虛擬實驗教學平臺，全面創(chuàng)新數(shù)字信號處理課程教學方法和體系。這對活躍課堂氣氛，增強學生學習興趣，提升學生基本技能，提高教學質量，鞏固教學效果等將具有非常重要的意義。

三、創(chuàng)新課程教學形式，開發(fā)虛擬輔助教學軟件

虛擬輔助教學軟件是基于虛擬儀器技術開發(fā)的教學演示子系統(tǒng)。針對數(shù)字信號處理課程中許多難以理解的抽象概念與性質，對應每一章的內容相應制作多個精致的演示程序，用豐富而具有動感的彩色圖形把課程中疑難之處用生動形象的形式展現(xiàn)出來，使學生加深理解。下面以“窗函數(shù)”為例，具體闡述虛擬輔助教學軟件如何進行輔助教學。在數(shù)字信號處理課程中，為了減少頻譜能量泄漏，可采用不同的截取函數(shù)對信號進行截短，截斷函數(shù)稱為窗函數(shù)，簡稱為窗。在教學演示子系統(tǒng)中，基于虛擬儀器技術開發(fā)出窗函數(shù)比較動態(tài)演示程序，其前面板和程序框圖分別如圖1和圖2所示。針對同一個信號施加不同的窗函數(shù)，讓學生觀察頻域波形的變化，從而體會窗函數(shù)的性質和特性。這樣動態(tài)形象的演示讓學生能感性地認識到窗函數(shù)之間的不同，加深對窗函數(shù)的理解。

圖1 窗函數(shù)動態(tài)演示程序前面板

圖2 窗函數(shù)動態(tài)演示程序框圖

從以上應用實例可發(fā)現(xiàn)，通過利用虛擬輔助教學軟件，不僅能夠采用文字和靜態(tài)圖形直觀地展示教學內容，還能通過動態(tài)圖形生動形象地闡述教學內容，更易于學生理解所學內容。采用PPT課件和虛擬輔助教學軟件結合授課，教學形式新穎，教學內容生動，教學效果更好。

四、完善課程教學體系，構建虛擬實驗教學平臺

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現(xiàn)。依托虛擬儀器技術、計算機技術、電子技術和通信技術等，融合多種模塊化硬件設備構建高校虛擬實驗教學平臺，具有無可替代的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展前景。圖3為虛擬實驗教學平臺架構，由n臺計算機及相關硬件如采集卡、信號調理箱、電工實驗箱等組成，形成一個局域網，并與校園網連接，方便學生隨時隨地接入進行實驗。

圖3 虛擬實驗教學平臺架構

虛擬實驗教學平臺充分利用虛擬儀器技術和計算機高速計算的優(yōu)勢，給學生提供實用的信號仿真、分析處理、設計等工具，不僅可以快速便捷地得到所需的信號數(shù)據(jù)或計算結果，而且能把這些結果繪制成圖形，給學生以非常形象化的感性認識。數(shù)字化的實驗結果存儲，加上網絡傳輸能力，使實現(xiàn)遠程實驗教學成為可能，虛擬實驗教學平臺讓實驗隨時隨地進行。整個實驗也許只需要一套硬件設備，其他是由軟件來實現(xiàn)的，這樣可以大大節(jié)省實驗設備和場地的資金投入，即共享教學設施，節(jié)約現(xiàn)實教學資源。虛擬實驗教學平臺具有靈活、成本低、網絡化等特點，在高校的教學乃至科研中將發(fā)揮極大的作用。與傳統(tǒng)的實驗室相比，虛擬實驗教學平臺的優(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計，便于開展研究性或設計型的實驗。（2）各種測量儀器不應當再是彼此相互孤立的，能夠與計算機相聯(lián)，組成一個以一臺計算機為中心的測量環(huán)境（系統(tǒng)）。（3）計算機進一步組成網絡，因而形成一個網絡化的儀器與測量環(huán)境（系統(tǒng)）。虛擬實驗教學平臺能夠為學生提供高性價比的實驗教學條件，讓教學環(huán)節(jié)從課本延伸到實驗，加深對理論教學的深入理解，鞏固教學成果，培養(yǎng)學生實踐動手和創(chuàng)新能力，提高學生技能水平，讓學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、結論

針對數(shù)字信號處理課程教學中存在的問題，深度融合虛擬儀器技術，全面創(chuàng)新和改革數(shù)字信號處理課程的教學形式和體系，開發(fā)出虛擬輔助教學軟件和構建虛擬教學實驗平臺，將課程中抽象和復雜的理論知識以形象和易于理解的方式傳達給學生，完善實驗教學環(huán)節(jié)，將理論與實際聯(lián)系起來，以期激發(fā)學生學習興趣，提高教學質量，鞏固教學成果，培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力，提升學生的社會競爭力。

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

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

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

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

G642.0

A

1674-9324（2014）43-0117-03

重慶市高等學校教學改革研究項目（1203041）；重慶郵電大學教改項目（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。