《信號處理》課程教學改革探索

王 娜修春波羅 菁成 怡

（1.天津工業大學電氣工程與自動化學院，中國 天津 300387；2.天津工業大學電工電能與新技術天津市重點實驗室，中國 天津300387）

“信號處理”課程是天津工業大學電氣工程與自動化學院自動化專業的專業基礎課。計劃安排30學時，3個實驗。教材選用的是高教出版社鄭君里的《信號與系統》第三版。學生在學習本課程前,已經學習過高等數學、線性代數和電路理論等課程,對序列、Z變換、傅立葉變換、頻譜等概念有了一定的掌握。但因為本課程的抽象概念較多,涉及到許多的數學知識,學生學起來存在著有一定的困難。為此，本文從教材的選擇，理論與實踐的結合以及教學手段的改進方面進行了探索，以期加強學生對于該課程的基礎知識、理論的理解，并通過實踐環節努力提高學生的動手能力。

1 教材選擇

教材選擇應該根據學生的特點，精選適合的內容。由于目前信號處理教材多數內容繁雜，難度較大，理論性強，而該課程的學時較少，學生素質又參差不齊。因此選擇教材時不能追求面面俱到，而是要根據學生整體水平來精簡教學內容,同時要因材施教。為此，作者查閱了大量國內外相關資料,結合當前信號處理技術的最新發展趨勢,選擇了多本適合獨立學院學生的教材,如清華大學出版社的《信號與系統》，科學出版社的《數字信號處理》以及機械工業出版社的《信號分析與處理》等等。這些都是在國內知名度高,反響較好的優秀教材，既有利于教師的教學和也適合學生的自學。同時博采眾長，制定出合適學生能力的教學內容，保持理論的完整性，先進性和高效性。

2 理論與實踐相結合的教學體系

為了加強學生對信號處理知識與技術的理解和掌握，培養學生的創新能力和專業素質，對已有課程體系進行了優化，新的體系如下：

理論：包括信號與系統的基本概念、時域分析、頻域分析（DFT、FFT、2FFT的算法實現）等；Z域分析，FIR（有限脈沖響應數字濾波器的分析與設計）、IIR（無限脈沖響應數字濾波器的分析與設計）、平穩隨機信號的分析與處理以及信號處理的軟硬件實現等。實踐體系：包括驗證性實驗、課程設計與專業綜合實驗等。

《信號處理》一課和實踐的聯系密切，因此，改革中加大了實驗教學環節。設立實驗課時，把傳統的實驗劃分為驗證性、綜合性和設計性三種，以滿足不同層次學生的需求。其中，驗證性實驗主要是基于matlab軟件分析和處理信號或系統，對理論課的知識進行驗證，幫助學生理解和掌握課堂上所學的基本理論，包括離散時間信號分析、z變換、FFT頻譜分析等。綜合性實驗是指涉及到本課程的綜合知識實驗，如模擬和數字濾波器的設計等，以培養學生對所學知識的綜合運用能力。而設計性實驗是指給定實驗的要求和實驗條件，由學生自行設計實驗方案，并加以實現的實驗。在設計中，先由教師給出設計的實驗題目和具體的技術指標，學生首先根據要求查閱相關資料，確定出實驗方案，并自己設計程序，完成實驗內容，最后寫出實驗報告。比如，對于FIR和IIR數字濾波器的設計等，以培養學生的設計能力、創新能力和主動性。

為了進一步增強實驗課的效果，可采用MATLAB工具箱，利用其強大的計算仿真和圖形繪制功能，將本課程中抽象的概念和結論轉化為形象化的圖形曲線展現在學生面前。比如，可以編制信號處理的工具箱軟件，將離散信號的性質、差分方程的解法、線性卷積、離散Z變換、離散傅里葉變換、IIR數字濾波器的設計等內容匯集到一個界面中。通過人機對話，將相應的條件輸入計算機，并由后臺的matlab運算出各種結果，具體的設計程序并不向學生展現。這樣，一方面可以很快向學生展現教學內容的形象化結果，另一方面，學生也可使用該工具軟件對自己編寫的實驗程序進行對比檢驗。

3 教學手段的改進

為進一步提高教學效果，采用豐富的教學手段。首先，整合教學內容，優化課程體系。目前國內外出版的數字信號處理教科書注重理論體系的完整性，內容多，并且難度較大，而我學院該課程的學時較少(30學時)。這就必須精選課程的內容，講授最根本的內容。為此，我們認真細致地對教學內容進行科學整合。整合過的課程主線如下所示：

傅里葉級數與傅里葉變換—>拉氏變換與S域分析—>Z變換與Z域分析—>離散與快速傅里葉變換—>模擬及數字濾波器

其次，本著加強學生對信號處理知識與技術的理解和掌握，培養學生的創新能力，體現前沿性、實用性和綜合性的教學原則，優化后的課程體系如下。其中，理論體系包括：傅里葉級數及傅里葉變換；拉普拉斯變換及s域分析；z變換及及z域分析；離散及快速傅里葉變換；模擬及數字濾波器等。實踐體系包括：信號的描述、運算及波形繪制；傅里葉變換及其性質；拉氏變換及性質；Z變換及其性質等。

再次，針對該課程具有理論性強，抽象概念多，而工科學生的數學水平不高，而學時有限，為保證較好的教學質量，研究了一套形象化教學方法。學生聽課是一個視知覺的過程，思維是追求完整和整體化的特點。而引入幻燈片的教學效果，使得感知過程不斷被打斷，進而也打斷了思維的完整性，大大壓縮了學生的自主思維空間，學生對課程的內容自然就難以接受了。為此，本文引入形象化教學手段，來巧妙地引導學生視知覺清晰地進入到抽象概念領域中，不知不覺地將教師精心設計的形象化元素轉化為邏輯的、理性的抽象概念知識。比如，在數學公式上，糾正死記硬背的習慣，巧妙利用口訣的方法，將手中一些重要結論公式用文字的形式表示出來。比如，對于離散傅里葉變換公式可以編制口訣：反序列的共軛序列的離散傅里葉變換等于原序列的離散傅里葉變換的共軛。這樣可以將枯燥的公式描述的形象具體起來，其含義也表現的十分透徹。并且，采用動畫演示等形式進行輔助教學。針對本課程存在概念抽象，涉及數學知識較多，公式推導較為繁瑣的問題，擬采用自制的教學課件，并與板書相結合，通過適當地使用多媒體技術來配合教學，以大大提高備課和講課的教學效果。例如，在講解采樣定理的信號采樣及恢復問題時,由于概念比較抽象,理解起來比較困難。在介紹時，可采用多媒體課件動態演示的方法,將采樣及恢復過程用課件中的動畫形象的表現出來。這樣一方面使抽象的過程生動起來,加深理解，另一方面也激發了學生的學習興趣。

4 總結

綜上所述，信號處理課程在自動化專業各教學環節中起著承上啟下的作用，優化該課程體系、豐富教學手段、運用多樣化的實踐教學等環節都會影響課程教學效果，只有對各環節總體規劃、協調建設和改革，才能取得更好的教學效果。實踐表明，該探索和嘗試能夠提高數字信號處理課程的教學質量和效果，增強學生學習本課程的熱情和興趣，提高學習質量，得到了大多數學生的認可。

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