以應用為牽引的數字信號處理課程改革與實踐

劉寧波++宋杰++簡濤++何友++王國宏

摘 要：數字信號處理課程理論性強，涉及的概念抽象、公式多、推導多，日常學習容易感覺枯燥乏味，且難以與實際應用緊密聯系。對于此，應完善課程之間的銜接關系，優選教學內容，用系統的觀念對待數字信號處理課程的教學，并注重結合實際問題形象化教學手段，加強實驗教學，培養工程思維，面向實際應用培養學生的自主學習能力和創新能力。

關鍵詞：數字信號處理 教學改革 應用牽引 改革與實踐

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（b）-0207-02

近幾十年來，“數字信號處理”在數字媒體、數字電視、儀器儀表、無線電通信、自動控制、語音圖像處理、生物醫學、雷達信號處理等多個領域中，都具有深遠的影響。它是高等院校中通信、計算機、電子信息工程等專業的一門重要基礎課。該課程不僅可以培養大學生的邏輯思維及邏輯推理，而且還可以培養大學生利用基本的理論知識解決實際的問題。作為一門基礎性學科，數字信號處理的理論性和實用性都較強，而且涉及面較廣。該課程在內容上涉及了高等數學、線性代數、信號與系統等多門學科的內容，是一門側重理論但同時有與實踐密切聯系的學科。

這門課有很多的理論都是經過復雜推導和數學運算得到的。因此若是在繁瑣的數學運算上花費大量的時間和精力，就會忽略在信號處理時對理論結果的實際應用，從而導致教學過程脫離實際，而變得抽象、枯燥，使教學模式死板。另外，還會導致在授課過程中，缺乏對于數字信號處理結果的直觀認識。例如：在濾波器的設計中，學生大多數都只看到一些理論的推導和大量的數學表達式，卻無法看到結果的直觀演示。這些問題都對學生理解所學知識有嚴重的影響。

隨著社會的不斷發展和數字信號處理技術的廣泛應用，針對以往數字信號處理課程教學中存在的不足，尤其是針對應用性較強的工科院校時，我們需要把“積極發展，規范管理，改革創新”作為指導思想[1]進行應用型教學探討和改革，培養學生以自我為中心，掌握學習方法，養成良好的學習習慣和應用知識的能力，提高自我學習能力和綜合學習素養。

1 銜接相關課程，優選教學內容

數字信號處理理論性強、概念抽象、公式推導多，因此學習過程就變的枯燥乏味。為了讓學生能夠在有限的學時中對數字信號處理的基本知識點有更好的理解和掌握，我們不只是需要對授課內容有一個更精心的選擇和安排，還需要重點的講授該課程中的基本概念、關鍵的結論和物理涵義，并與實際應用緊密結合，多以實例形象講解，而不是只進行大量的公式推導。另外，還需要注意課程各知識點之間、課程與課程之間、各個專業之間所存在的交叉和滲透。如，“信號與系統”是數字信號處理的先修課程，該課程中大量存在離散信號與系統的內容。那么，在制定數字信號處理課的教學內容時，即要避免與“信號與系統”課內容的大量重復，又要避免課程的不完整，那么可以壓縮與“信號與系統”相重復的內容?？梢韵群唵蔚膹土曇幌碌谝徽码x散信號與系統理論，然后再討論數字信號處理中存在的具體問題。

另外，為了讓學生把所學的知識更好的系統化，還需要鋪墊好后續課程[2]。例如：“帕塞瓦爾定理”與能量守恒原理相呼應，并且是現代信號處理中功率譜估計的基礎；線性系統中有一重要運算方式—“卷積”，而“自相關/互相關”是雷達信號處理中信號分離的基礎；“離散Fourier變換（DFT）”則是時頻信號分析或窄帶信號分析的基礎。這些內容的良好掌握可以為后續專業課程的學習及畢業設計提供堅實的基礎，還可以讓學生學會融會貫通，從而形成發散性的思維，用辯證發展的觀點來理解所學知識，培養學生開發探索的能力。因此，加強數字信號處理技術的實際應用，優選課程的相關內容，兼顧學生之前的課程學習和未來的課程安排，做好課程內容之間的銜接，提高學習的效率。

2 結合實際問題使教學手段形象化

學生對數字信號處理課中很多抽象的概念和公式不容易理解。因此，教學手段的形象化，可以使學生更感性和直觀地體會概念、公式及其原理的意義，更全面透徹地理解所學內容。教學手段的形象化主要分為下面兩個方面。

第一，結合含義學習數學公式。數字信號處理課程中許多概念是用數學公式來描述的，其推導過程也比較復雜，涉及數學符號多，學生容易僅針對符號來推導符號，容易忘記數學符號和公式背后的含義[3]。從而，在教學過程中，不僅要訓練學生用口語表述數學公式，而且要著重理解公式所表示的物理含義，促進學生緊密結合實際應用開展學習。

第二，在課堂教學中，大量使用仿真軟件展示結論或結果。MATLAB是數字信號處理課程中的常用的教學仿真軟件，配有功能非常全面的ToolBox，能輕松完成數字信號的分析和復雜處理，如：可以設計濾波器并進行統計分析、顯示DFT結果的幅度譜、計算離散卷積等，也可以形成教學所用的多媒體素材。還可用MATLAB仿真某些抽象的公式和概念[4，5]，利用圖形形象化的說明這些定理和概念，既生動形象，又調動了學生的興趣。此外，讓學生進行探究式學習，提高其探索精神和動手能力；結合實際應用中的問題，設計開放性實驗課題，使學生主動地探索和研究，把學生按小組劃分，通過組內協作和組間競爭的方式，讓學生在團結合作中完成一個實際題目，增強學生的團隊合作精神和創新意識。

3 培養工程思維，加強實驗教學

工科院校的學生即需要扎實的理論基礎，還需要培養解決實際問題的能力。從而，在實驗教學環節中應不斷加強，培養學生將知識應用于工程的能力。應根據信號類專業基礎課程和專業課程的相關聯性，對實驗內容進行設計和編排，既兼顧到前課程—“信號與系統”中各實驗間的聯系，還要為后續課程—“DSP原理與應用”打下基礎，即將本科四年的課程學習看成一個系統，“數字信號處理”課程實驗作為其中承上啟下的一個必不可少的環節存在，應達到加深之前知識的理解和鋪墊后續將要學習知識的目的?；诖?，把初步了解和學習DSP的軟件環境CCS（Code Composer Studio）加入到了“數字信號處理”的MATLAB仿真實驗中，并將實驗課程劃分成兩個層次，即基礎性實驗和進階性實驗。基礎性實驗主要包括常見離散型號的產生和實現實驗、FFT算法的應用實驗、無限脈沖響應數字濾波器的設計實驗、有限脈沖響應數字濾波器的設計實驗等，使用工具主要為Matlab編程環境，主要目的是重現課本上的概念、定理等，加深學生理解，為后續的進階性實驗奠定基礎；進階性實驗主要是面向工程應用和實際問題的設計型實驗，如：Code Composer Studio的入門實驗、音頻信號發生實驗、特定波形的信號產生實驗等，在實驗設計過程中注意結合常見錯誤設計相應的問題，讓學生自主解決，老師在這一過程中僅起到指引解決問題方向的作用，不給出具體的解決方案和步驟，培養學生的獨立解決工程問題的能力。

4 結語

數字信號處理課程不僅是電氣信息類專業一門極為重要的專業基礎課，對其它電子類專業課程也起到一個連接的作用；在學習過程中，既要掌握基礎的理論，還要掌握專業的技術。從而，在廣泛應用數字信號處理技術的未來，才具有解決實際問題的能力。對于數字信號處理課程所具有的特點，以應用為牽引進行教學改革，在教學內容、教學手段和實驗上進行優化和創新，培養學生對數字信號處理課程的興趣，在老師的方向性指導下，提高學生自主學習和解決實際問題的能力。

參考文獻

[1] 周濟.促進高校獨立學院持續健康快速發展[J].教育發展研究，2003，23（8）：7-11.

[2] 鄭旭媛，田心.“數字信號處理”課程研究型教學改革與實踐[J].西北醫學教育，2007，15（3）：513-514.

[3] 張安清，林洪文，陳洪泉.《數字信號處理》課程教學改革與方法研究[J].高等教育研究學報，2013，36（4）：113-115.

[4] 郭建濤.“數字信號處理”課程的Matlab教學研究[J].電氣電子教學學報，2010，32（3）：117-l19.

[5] 王冬霞，李波，孫福明，等.應用型本科院?！稊底中盘柼幚怼返慕虒W改革與探索[J].遼寧工業大學學報：社會科學版，2010，12（6）：112-113.endprint