面向“卓越工程師”培養的數字信號處理教學改革

趙琰

摘 要：數字信號處理是電子信息類專業的專業基礎課。面對卓越工程師班著重培養學生的創新能力和工程應用能力這一目標，該文探索從整合教學內容，探索教學方法和改革實驗內容三方面對數字信號處理課程進行教學改革，從而激發學生的學習興趣，提高創新和工程能力。整合教學內容是從信號處理類課程設置的情況出發，合理調整數字信號處理課程教學內容和重點；探索教學方法是從學生和教師兩方面入手改變教學方法；改革實驗內容則是以項目代替單個實驗內容。

關鍵詞：數字信號處理 教學改革 實驗改革 卓越工程師

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（a）-0159-02

Teaching Reform of Digital Signal Processing for“Outstanding Engineers”

Zhao ran

（School of Electronics and Information Engineering， Shanghai University of Electric Power， Shanghai，200090，China）

Abstract：Digital signal processing is the basic course of electronic and information specialties. The target of “outstanding engineers” is to train students ability of innovation and engineering application. This paper explores teaching reform from three aspects： integrating teaching content， reforming teaching method and experiment content for the purpose of exciting students studying interest and improving ability of innovation and engineering application.. Integrating the teaching content means that adjusting the course concept and teaching emphasis. Reforming the teaching method is to change the method from students and teachers. Reforming experiments is to replace the individual experiments with a big project.

Key words：digital signal processing；teaching reform；experimental reform；outstanding engineers

數字信號處理在信號處理類課程體系中占有重要的地位，許多高校教師經過多年的教學后，在課程教學和改革上有自己的看法[1-3]。姜恩華等人利用概念圖和思維導圖歸納和總結了數字信號處理課程的教學線索；同時從題型設置三方面總結了數字信號處理課程解題教學的方法和思路[1]；在文獻[2]中，陳純鍇等人探討了課程內容優化、實踐教學體系的構建及有效的教學手段三個有效策略；文獻[3]則研究了數字信號處理在雙語教學中，如何處理好推進雙語教學與保障教學效果的關系，以及處理好引進外文原版教材和選用優秀中文教材的關系。

“卓越工程師教育培養計劃”的主要目標是培養一批創新能力強，適應經濟社會發展需要的各類型高素質工程技術人才，即卓越工程師后備人才[4-7]。我校電子信息工程專業在2013年入選卓越工程師教育培養計劃第三批學科專業名單，2014年迎來了第一級新生。圍繞工程應用能力這一核心目標，卓越工程師班的人才培養模式需要進行全方位改革，要強化學生的創新能力和工程應用能力。借助學校啟動的教師教育教學能力提升“1+1+1+6”培養計劃，通過與上海大學等高校教師進行交流學習，完成針對卓越工程師班所做的調整課程教學內容，修訂實驗項目等任務。下面本文從整合教學內容，探索教學方法和改革實驗內容三方面對卓越工程師班的數字信號處理課程進行教學改革研究和探索。

1 整合教學內容

數字信號處理是信號處理類課程體系中的核心課程，與信號與系統這門課程有著千絲萬縷的聯系。信號與系統安排在大二第二學期，數字信號處理安排在大三第一學期。因此對兩門課程的教學內容進行整合，可以在教學中達到事半功倍的效果。

經過梳理，信號與系統和數字信號處理兩門課程重疊的教學內容包括：離散信號與系統的基本概念，采樣定理，Z變換及其性質。離散信號與系統的基本概念包括離散信號與系統的定義，分類等內容在信號與系統中已經詳細介紹，但學生經過了漫長的暑假后有些內容有所忘記，因此在數字信號處理教學中還是需要對這部分內容簡單復習，使得學生回憶起相關概念。Z變換及其性質以及離散系統的Z域分析是信號與系統中的重點內容。數字信號處理里則側重于如何利用Z變換分析系統的頻域特性，因此上課時需要對Z變換內容較為具體的復習才能使學生進一步掌握離散系統的頻域特性。采樣定理在信號與系統中只是在第三章最后一部分提到，在信號與系統中只講了基本概念，因此采樣定理以及模擬信號數字處理方法需要在數字信號處理課程中詳細重點講述。

3 探索教學方法

數字信號處理課程的理論性較強，因此教師容易在上課時陷入公式推導，照本宣科的困局。為達到激發學生的學習興趣，使得學生主動學習的目的，對該門課程的教學方法做如下改變。

3.1 使學生學習變被動為主動

根據課程內容的不同，選擇將理論課堂劃分為：教師講；學生講；課內研討；習題課等多種形式，激發學生的學習主動性。

由于課程內容偏難，因此大部分理論課程還是由主講教師進行講解。但部分簡單的內容或者與信號與系統重疊的內容（例如Z變換及其性質）可以選擇學生進行講解。先由學生主動報名，通過回答問題的形式選擇對該部分內容理解較好的學生在課堂上進行講解，講的時間不超過20 min，然后由主講教師對內容進行適當的補充，同時對學生講課進行點評。課內研討主要是選擇一些學生感興趣的項目（例如掃地機器人等項目），由學生主動思考該項目中哪些部分是數字信號處理的范疇。習題課則由教師或者學生對課后習題進行深入的講解和分析。

在平時課堂最后10 min增加小測驗，便于隨時了解學生的學習情況，調整教學內容和進行。同時將課內研討，學生講等內容納入平時成績的范疇。鼓勵學生積極參加課內討論，主動申請當課堂小老師。

3.2 教師主動探索教學方法

鼓勵教師積極參加全國高校教師網絡培訓，學習新的教學方法和內容；鼓勵教師到其他高校訪學，聽課，與其他高校教師進行溝通交流，從而對課程教學有所啟發。

定期組織相關課程的主講教師進行課程研討，每次研討設置不同的主題。例如在講解模擬信號數字處理方法中，為了使學生更容易理解采樣定理，經過大家研討，確定以音頻信號為例，對音頻進行采樣，分別滿足采樣定理和不滿足采樣定理的音頻，使學生直接感受到頻譜混疊。

4 改革實驗內容

為了在卓越工程師班的教學中達到提高學生學習興趣，增強學生動手能力的目的，對數字信號處理課程的實驗以項目為導向對實驗內容進行改革。

（1）卓越班的培養計劃中增加MATLA

B課程，學生在做數字信號處理實驗之前已具備基本的MATLAB編程能力，可以根據算法編寫程序。這樣在課程實驗中只需講解與項目相關的內容即可，因此在實驗課上可以給予學生更多內容上的指導。

（2）為培養學生的自學能力以及動手能力，將每次獨立的課內實驗改為利用8學時實驗課設計開發一個較為復雜的項目。在第一次實驗課上統一講解實驗內容和要求，由學生4～5人自由組隊并確定組長，確定具體項目。第二次實驗課上交項目的具體方案。第三次實驗課完成整個項目并調試，第四次實驗課項目答辯。

（3）實驗項目的選擇。經過前期的準備，按照難易程度，實驗項目選擇為：基于雙音多頻（dual-tone multi frequency， DTMF）的電話撥號音合成與識別系統和圖像去噪系統的設計與實現。在每個項目中給出開放性的思考題，要求學生在做項目的過程中思考這些問題，并將結果寫在項目報告中。音頻信號是一維信號，對一維信號做時域和頻域分析比較容易；圖像是二維信號，它的傅里葉變換和一維信號略有不同，這個課題可以供學有余力或對圖像處理感興趣的學生選擇。

（4）實驗成績實驗成績占平時成績的30%。最終實驗部分的成績按照以下標準進行打分：課題難度20分；功能實現效果20分；性能指標20分；軟件代碼10分；理論水平10分；團隊分工合作情況10分；項目報告10分。答辯時同組學生給予相同的基準分數，根據每位學生答辯時回答問題的情況給出最終實驗成績。

5 結語

綜上所述，面對“卓越工程師”的培養要求，學生應該更加注重創新能力和工程應用能力。因此該文從教學內容，教學方法，實驗內容三個方面對數字信號處理進行改革，從而達到激發了學生的學習興趣，提高學生的動手能力和創新能力的目的。

參考文獻

[1] 姜恩華，袁廣宇，趙慶平，等.數字信號處理課程教學研究[J].洛陽師范學院學報，2014，33（5）：49-52.

[2] 陳純鍇，關雪梅，湯春明.數字信號處理課程教學改革策略[J].高師理科學刊，2014，34（4）：86-89.

[3] 金昕，蔣明峰，曹麗.“數字信號處理”雙語教學實踐與探索[J].現代商貿工業，2014，10：148-149.

[4] 林健.“卓越工程師教育培養計劃”通用標準研制[J].高等工程教育研究，2010（4）：21-29.

[5] 林健.“卓越工程師教育培養計劃”學校工作方案研究[J].高等工程教育研究，2010（5）：30-36.

[6] 林健.“卓越工程師教育培養計劃”專業培養方案再研究[J].高等工程教育研究，201l（4）：10-17.

[7] 林健.面向“卓越工程師”培養的課程體系和教學內容改革[J].高等工程教育研究，2011（5）：1-9.

[8] 高西全，丁玉美.數字信號處理[M].3版.西安：西安電子科技大學出版社，2009.