“數字信號處理”課程的教學方法及考核方式改革與探索

王恩亮 盧勝

摘要： 針對一般本科高校數字信號處理課程教學中存在的問題，本文提出了理論教學結合工程應用，并采用知識結構圖的方法，實驗教學采用任務驅動法等教學方法上的改革，并對考核評價方式進行了改革探索、實踐證明，這些教學改革措施能夠有效地提高教學效果。

關鍵詞：數字信號處理 教學方法 考核方式 知識結構圖

隨著數字信號處理技術基本理論和方法的迅猛發展及廣泛應用，“數字信號處理”已經成為科學和工程領域最熱門的技術之一，數字信號處理課程也成為國內外電子、通信、計算機及自動控制等專業的專業必修課程；筆者根據應用型本科高校學生的特點對“數字信號處理”課程教學方法以及考核評價方式進行改革和實踐。

“數字信號處理”課程一方面以高等數學、線性代數及信號與系統等課程為基礎，同時又是相關專業后繼課程如DSP原理及應用、數字圖像處理等專業課程的先修課程，在教學環節中起著承上啟下的作用。該課程的特點是理論性強、概念抽象，涉及大量的數學公式的推導，內容比較枯燥，課程長期以來一直處于教師難教、學生更難學的境況。具體體現在學生學習時缺乏整體把握，對各知識點之間的關系模糊，理論與實踐相脫節，學生不能深入理解概念及了解在生活中的實際應用，直接導致學生考前突擊背公式應付考試，由于沒有真正學懂，使得該課程的合格率不高；同時學生的動手能力差，學習興趣和積極性不高。針對目前一般本科中存在的這些問題，從教學方法和考核方式上進行了改革和實踐，取得了一些成效。

1教學方法的改革

1.1注重知識結構圖在課堂教學中的應用

知識結構圖是指把所學內容進行整理并制成比較系統完整的知識結構圖示，它在心理學中被稱為知識網絡圖。每章內容開始前先構造本章內容的知識結構圖，采用知識結構圖表達知識線索，使得知識線索清晰可見，學生對一章知識點有一個整體的和宏觀的感性認識，待一章結束后，將知識點的架構圖重新拿出來復習，有助于學生自我檢驗對知識點的掌握情況，從而提高數字信號處理課程的教學效果。以下是構造的部分章節的知識結構圖。

1.1.1離散傅里葉變化和快速傅里葉變換的知識結構圖

本章的教學目標是掌握DFT、DFS及其性質，熟悉幾種卷積過程以及他們之間的關系，掌握FFT算法的運算量以及常見算法的原理和特點，并掌握FFT算法的應用。

1.1.2 IIR數字濾波器的設計的知識結構圖

這一部分內容重點是IIR數字濾波器的基本概念、分類、特點以及IIR數字濾波器的設計思路和方法、設計步驟和原理。

1.1.3 FIR數字濾波器的設計的知識結構圖

FIR數字濾波器的設計的特點是因果可實現。其重點知識包括線性相位和具體設計方法及過程。

1.2注重理論教學與工程應用結合

數字信號處理理論性性強且數學公式推導較多，如果教師上課只注重數學分析，忽視其工程實踐應用的講解，很容易變成一門枯燥的課程，難以調動學生的學習熱情。因此數字信號處理教學時可以將看似復雜的理論知識與現實生活中的實例結合，對于提高學生學習興趣、鞏固基礎知識是最好的方法。

為了說明信號的采樣與重建理論，可以以生活中的CD唱片的制作和播放過程為例，聲音是模擬信號，在CD唱片制作時首先要將模擬信號轉換為數字信號，這就需要采樣，而在CD唱片播放時，又是對數字信號的解調。卷積算法是數字信號處理的一個重要知識點，講解這個知識點首先要讓學生知道它在生活中的應用，如移動通話中回聲是經常存在的，通常降低或消除回聲的辦法就是利用回聲估計器與接收路徑上的話音流進行卷積，得到一個回聲的估計值，再利用減法器減掉這個估計值。濾波器的講解可以以心電圖檢查消除工頻干擾為案例進行教學。此外采用類比方式講解，也能夠很好地幫助學生理解，如數字濾波器可以比作一個篩沙子的篩子，篩沙的過程就是將細沙子選出來，石頭和大沙子留在篩子上面，而數字濾波器的處理過程也是提取有用信號，噪音則不能通過，如此類比，既形象又易記憶。

1.3實驗教學采用任務驅動法

“任務驅動”教學法，簡單地說，就是“力求以任務驅動，以實際任務為核心，提出問題及要求，引導學生思考，它適用于培養學生的創新能力和獨立分析問題、解決問題的能力。它強調，學生的學習活動必須與任務或問題相結合，以探索問題來引導和維持學習者的學習興趣和動機。通俗的說，也就是在教學過程中，以完成一個個具體的任務為線索，把教學內容巧妙地隱含在每個任務之中。每個實驗相當于一個總的任務，教師在實驗課前將任務要求和思考題下發給學生，學生以組為單位將任務分解成子任務，學生根據各自的任務和要求查閱資料，完成程序代碼的編寫，要求學生做好實驗課前的充分準備，實驗課上進行編程和調試以及實驗結果的分析，并對思考題進行討論。

以音頻信號處理的實驗為例，這是一個綜合性的實驗，要求學生完成語音的錄入與打開，以及語音的回放，全程對信號頻譜進行分析，為完成任務學生提前查閱查資料，進入實驗室后，學生自由組合，2～3人一組看書討論，分解任務，一步一步完成，每組做完后派一個代表演示講解，在這樣的刺激下，“驅使”學生認真并迅速地完成任務。通過任務驅動法學生能充分掌握語音錄入及回放的MATLAB編程，并能深入理解了采樣、濾波器等數字信號處理理論。

實踐證明，任務驅動教學法能夠很好應用于數字信號處理的實驗教學，增強了學生學習的主動性。在很大程度上提高了實驗課的教學效果。

2考核評價方式的改革

考試方式改革是課程建設及教學質量評價的重要內容，也是因材施教，提高學生學習積極性和開展創新教育的重要手段。加強課程考核方式的改革，是教學改革的必要體現。數字信號處理課程理論性強，應用型強，抽象難以理解。運用MATLAB軟件仿真能夠有效幫助理解和運用相關知識點。《數字信號處理》課程的傳統考核方式是考試，期末考試成績（70%）+平時成績（30%），平時成績包含考勤、作業、課上表現情況。在傳統考核方式下多數學生只注重最后的理論考核成績，對實驗重視不夠，無法很好地貫徹以培養應用能力為主的實踐教學。且學生平時過程考核不夠具體化，學生平時成績差距不大。

2.1考核方式改革的基本思路

為了使學生注重平時的學習過程，提高學習質量，培養學生的綜合運用能力，我們逐步對該課程進行考核方式的改革。（1）平時過程考核具體化，含有隨堂測試、考勤、作業、課上回答問題情況等。學生學習該課程，普遍覺得理論難，應用模糊，總評成績一定程度考慮實驗成績，綜合全面。（2）逐步調整理論成績與平時過程考核及實驗考核的比例，強化過程性的考核，淡化期末考試。通過考試制度的改革，調動學生的自主學習的積極性，促進教師深入開展教學活動，有利于提高學生的學習成績，提高教學效果。注重平時實踐教學的考核，提高學生對實踐動手能力的提高。

2.2考核方式改革的具體方案

2.2.1對該課程采取平時占20%，期末占50%，實驗占30%的核算方法。加大平時成績和實驗成績比例，拉大差距，利于課程進行平時和實驗的嚴格管理和考核方式多樣化。

2.2.2平時成績由原來的教師自定或忽略不計，轉為平時成績具體化，教師在平時的考核上進行改革和完善，平時分由隨堂測試、考勤、作業、課上回答問題情況等構成，提高平時實踐性分值，利于引導學生多參加實踐活動。

2.2.3增加實驗考核環節。選取兩個設計性的實驗，以組為單位，考察每組學生獨立完成實驗項目的情況，再根據具體項目的評分標準進行成績評定。主要考核學生對該軟件的掌握與使用情況，以及仿真調試結果，軟件仿真主要看學生編寫程序的思路；其次學生實驗報告的撰寫也能從一定程度上反應學生的學習態度。實驗成績以五分制（優、良、中、及格、不及格）計算，并將其30%的比例納入總評成績。

2.3考核方式改革的成果及不足

2.3.1 通過初步改革，從總評成績來看，學生及格率有明顯的提升，由原來的80%提高到現在的95%。從課上效果來看，改善了平時不學習、不聽課，到期末通過死記硬背達到優良的現象發生，使學生更注重平時的表現，積極參與課堂的討論，積極回答問題，并認真思考每一個知識點在實際中的應用，一定程度上改變了以前那種靠死記硬背能考好、不需要聽課理解就能考好的學習態度，同時使得認真聽講的學生與不認真聽講的學生在分數的分配上更趨于合理，更重要是調動了學生們平時學習的積極性。同時，也引導學生注重實踐教學環節，改變學習觀念。該課程考核方式的改革，已初見成效。

2.3.2 通過課程考核方式的改革，數字信號處理課程的實驗效果有了明顯提高，學生對實踐教學的態度有了深刻認識，也增強了學生實踐參與強化意識，對培養實用型人才起到了保證作用。

2.3.3 在實踐過程中，也發現一些不足。考核方式改革的著力點主要是過程和零散點，評價學生的主要標準還是期末成績，期末成績占的比例還是偏大，學生對教師的平時分還有不重視傾向，期末猛看筆記，猛學，淘以往試卷等現象嚴重，說明考核的力度不夠大，如果設立平時成績不及格就不準參加期末考試，也許會糾正這一現象，但也會出現教師平時過于隨意，存在考試不公現象。

3結束語

由于“數字信號處理”理論涉及面廣，該學科領域的理論與實踐研究發展迅速，技術應用范圍日益擴展，教學內容更新快。因此，如何在教學中更好地發揮學生的學習主動性，培養學生獨立思考及提高學生獲取知識的能力和分析能力，增強數字信號處理課程的教學效果，還有待進一步的實踐和探索。

參考文獻：

[1] 江志紅.深入淺出數字信號處理[M].北京航空航天大學出版社，2011.

[2]王續征.信息技術背景下“任務驅動”教學法在生物教學中的運用[J].科技信息，2012，（11）.

基金項目：安徽省教育廳質量工程重點教學研究項目（2013jyxm261）。