通信工程專業數字信號處理課程改革與思考

曹林

摘 要：該文以通信工程專業為例，對數字信號處理課程改革的必要性進行了闡述，然后在教學內容、課程組織、教學條件和教學方法上對該課程進行了改革，使之適應“卓越工程師”的培養要求。論述了編寫案例的相關注意事項，對課堂授課方式進行了改革，取得了較好的效果。

關鍵詞：數字信號處理 案例 通信工程 卓越工程師

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0133-02

1 概述

數字信號處理課程是通信工程專業的專業基礎課，已成為現代化技術的重要組成部分，是通信工程專業卓越工程師必須掌握的核心技術[1]，迫切需要加強該課程的建設與改革，以適應通信領域卓越工程師培養的需要。該課程建設目標是：加強并優化“以工程能力為核心“的應用型人才培養專業實踐教學體系，創建一套適合于卓越工程師培養計劃的數字信號處理授課教學方法及考核評定模式。具體內容為：以MATLAB和DSP硬件工具箱作為軟硬件開發工具，探索工程實踐型教學方法，將軟件編程和硬件開發貫徹到授課中的相關環節；以典型的工程案例調動學生的學習興趣，發揮案例式教學在卓越計劃培養中的優勢；以該課程為基礎，以點帶面，注重信號處理課程群建設，通過前后銜接、理論與工程實踐相結合，建立課程間縱向傳承，橫向互補的課程體系，突出工程應用，系統綜合的課程主線；利用多媒體、課程互動仿真編程、網站，博客互動等信息化教學手段，優化授課內容，引導學生運用知識和能力，自發地提出問題，研究問題和解決問題；改革考核方式，把理論筆試+上機考試+課外探究式學習+面試作為最后考試成績，著重培養學生的創新能力，實踐能力和協作能力。

信息化的基礎是數字化，而數字化的核心技術，就是數字信號處理，近30年來，數字信號處理（DSP）的理論、方法和應用得到了飛躍式的發展，其地位和作用也變得越來越重要。數字信號處理是理論性和工程性都很強的學科，其理論體現在，它綜合應用數學、電路理論、信號與系統等領域的基礎理論和方法，發展并形成了自己的理論體系，成為通信、雷達、電視、控制等眾多學科和領域的重要理論基礎與技術基礎。其工程性體現在，其應用極為廣泛，從科學技術各領域到國民經濟建設的各行業；從國防建設的各種武器裝備，到林林總總的消費類電子產品的設計與生產，都是數字信號處理技術的應用領域。因此，社會對既掌握DSP理論和方法，又掌握工程技術的人才需求，近年來呈爆發式增長。

2 問題的提出

卓越工程師教育培養計劃（簡稱為“卓越計劃”）是教育部基于國務院《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》內容在2010年6月啟動的，其目的是全面提高工程教育人才培養質量。數字信號處理是信息與通信工程領域一個發展和更新最快的學科之一，已成為現代化技術的重要組成部分，是通信工程專業卓越工程師必須掌握的核心技術，迫切需要加強該課程的建設與改革，以適應通信領域卓越工程師培養的需要，通過該課程帶動信號處理課程群建設，強化培養學生在信號處理工程領域的創新能力和實踐能力。

目前，通信工程專業“卓越計劃”在數字信號處理課程建設方面[2]，處于探索和嘗試階段，還沒成熟、通用的成功經驗能夠借鑒。傳統的數字信號處理課程，大多只討論算法理論及其推導，以理論教學為主，較少涉及實現方法及相關的軟硬件技術，實踐環節深度不夠，學生并未能真正接觸到信號處理的工程應用，對信號處理與應用主要知識的切身體會還不夠直接和深入，培養的學生不能夠適應實際企業生產的需求，更不能體現“卓越計劃”的培養目標[3]。國內外的教育界都在尋求DSP的改革途徑，目前主要沿著兩條途徑。一是使用MATLAB等工具軟件，對數字信號處理的算法作仿真；另外是引入已被工程界廣泛使用的DSP器件，指導學生完成數字信號處理算法的實現，但上述兩種途徑更主要是在課外實驗引入，很少在課堂上貫徹，只有在課堂上利用案例式工程實踐研究性教學激發學生的學習興趣，才能讓他們在課下自覺地用上述軟硬件工具開發相關工程應用。因此需要對數字信號處理實踐教學和工程應用培養模式進行改革和建設，進行課程機構體系調整，突出工程應用，分別從課程培養方案、理論教學和實踐教學方面進行探討和實踐，通過多方位，各個環節的努力，建立一個培養高素質應用型人才的持續、可靠、高效的課程培養體系。

3 改革與思考

在教學內容上，針對本課程抽象難學的特點，以Matlab為主線，自始至終運用Matlab來闡述基本概念和基本原理。強調理論與實踐環節的結合，提供本章重要知識點的Matlab演示程序和結果。對于抽象的數學模型應用問題，編寫Matlab仿真案例，在課程上增加Matlab案例，邊操作邊講解一些例題和應用，強調軟件編程互動，利用Matlab軟件邊講邊演示，進一步提問，請學生思考回答，然后馬上修改程序驗證問題的結果。總之在教學內容上強調軟件互動編程，準備豐富的Matlab案例，上課前給學生基本的程序，授課時隨著講解的逐步深入，讓學生自行修改程序，當學生在自己隨身的計算機上看到正確結果時，會深切感受到數字信號處理的神奇，大大增強他們的學習興趣，培養他們的創新能力和工程實踐能力。

在課程組織上，將信號處理方向納入專業課程整體規劃，在“數字信號處理”課程中，以數字信號分析為基礎，以數字濾波為手段，以數字信號處理為目的，強調DFT、數字濾波的物理概念和工程概念，強化數學理念與分析，淡化數學運算與技巧，同時加大各前后關聯課程（例如前期的信號與系統，后續的數字圖像處理等）之間的銜接研究，使其與其他課程融合為一個有機整體，調整與其它課程的關系，在重要的地方形成內容上的呼應，在次要的地方注重視野的開拓，主次分明，易于學生把握。綜上在教學內容上的建設目標是制作典型的數字信號處理軟件案例，將案例式教學貫穿到授課中[4]。endprint

在教學條件上，我們選用科學出版社編寫的《數字信號處理》，本書是北京郵電大學考研的指定教材，同時該書也把Matlab編程貫穿始終，符合本課程建設的目標。另外選用國際經典的數字信號處理教材，Vinay K. Ingle， John G. Proakis. Digital Signal Processing Using MATLAB，該書強調Matlab編程，總之在教材的選擇上，我們強調中外結合，理論與工程實踐結合，大眾通識教育與卓越精英教育結合。授課時，保證學生2人1機（隨著生活水平提高，學生可以自帶便攜電腦，保證每人1機）。建立數字信號處理課程網站，在課程網站上放置與本課程相關的共享資源和網絡課件，供學生自由瀏覽和下載，實現網絡輔導、網上課程研討、網上交付作業與實驗報告和優秀作業展示；建立例題解答范例庫和自測試題庫，以便方便學生進行探究式自學。綜上在教學條件上的建設目標是建立授課網站，共享多媒體課件，網上輔導和優秀作業展示，實現探究式自學。

在教學方法與手段上，基于本課程公式多，概念比較抽象的特點，在教學過程中采用板書+多媒體+案例式Matlab編程相結合的授課方式，對于重要公式的推導，采用板書。因為隨著多媒體教學的普及，板書的優勢往往被忽視，對于重要的公式推導，板書具有良好的示范性，學生跟隨教師的思路來領會學習的要點和難點，并在工整的板書推導中加強對公式的理解，學起來比較容易。對于一些需要形象理解、圖形舉例演示的部分，教師可以采用多媒體教學方法，利用圖像、視頻等多種形式進行互動教學。對于例題，強調Matlab案例式編程，采取“啟發式教學和研究型學習”的教學方法，從研究問題入手，將數字信號處理的一些重要理論構建過程展現出來，同時提出新的問題，以便讓學生進行思考和研究。針對教學難點和重點提出問題，定期和不定期地在課堂中進行討論，請學生事先準備好，上講臺發表見解，同時利用Matlab編程驗證。注重教學講義雙語化，提高學生專業英語的應用能力。課堂教學的課件中有相當一部分內容采用英語編寫，教師在上課中也盡量使用英語對基本概念和方法進行解釋，在潛移默化中提高學生的專業英語能力，有助于提高學生閱讀科技文獻、查閱資料的能力，從根本上消除學生對本專業方向英語文獻閱讀的恐懼感和抵觸心理。綜上在教學方法與手段上的建設目標是注重案例式教學，采用啟發式教學和研究型學習，對授課內容進行分類，采用恰當的教學手段表現（板書+多媒體+上機）數字信號處理的理論與應用實例。

參考文獻

[1] 胡永祥，楊偉豐，蔣鴻.應用型通信工程專業實踐教學體系的構建[J].湖南工業大學學報，2011，25（3）：105-108.

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

[3] 倪潔，徐志偉.哈爾濱工業大學通信工程系“卓越工程師”培養模式[J].哈爾濱師范大學自然科學學報，2012，28（2）： 45-47.

[4] 劉慶華，歐陽寧.面向卓越計劃的信號處理課程群的教學研究與實踐[J].中國電力教育，2012，254（31）：48-49.endprint