數字信號處理研究性教學的獨特性分析[1]

任國鳳孫穎

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數字信號處理研究性教學的獨特性分析[1]

任國鳳1，2，孫穎2

（1. 忻州師范學院 電子系，山西 忻州034000；2. 太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024）

隨著信號處理應用的日益廣泛，工科專業中數字信號處理課程的重要性也日漸凸顯．因而，傳統的教學方法無法滿足該課程教學內容繁雜及實踐性強的要求．根據數字信號處理課程的特點，將研究性教學引入到課程的理論與實踐教學環節，同時結合綜合設計性實驗和大學生全程實踐，全面提升學生的理論水平及實踐創新能力．

數字信號處理；研究性教學；實踐教學

隨著語音信號及圖像信號處理技術的快速發展，數字信號處理技術得到了廣泛的應用．同時，數字信號處理課程作為工科專業一門非常重要的專業基礎課程，上承高等數學、信號與系統等基礎課程，下接語音信號處理、圖像信號處理等專業課程，在學生構建專業知識體系的過程中起到非常重要的作用[1]．但是，由于該課程理論性與實踐性并重、數學公式繁多，學生學習起來難度較大，尤其是在一些應用型本科院校中，學生基礎較差，學習能力不強，更容易出現學生怕學、學不好，教師怕教、教不好的怪象．

在數字信號處理的教學過程中，如何做到既讓學生掌握基本概念和原理，又能幫助學生將所學知識應用于解決實際問題，從而使學生體會到學習的樂趣而激發學生學習興趣．這一問題的解決必須從實踐環節入手，將理論與實驗合理結合，幫助學生構建完備的知識體系，使學生學以致用，用以助學．

1 研究性教學理論介紹

近年來，研究性教學成為了國內外高校大力倡導的一種教學模式，在高校本科教學中得到了廣泛的應用[2]．該方法通過在教學過程中引導學生研究特定選題，實現對所學知識的掌握和提高，并在這一過程中培養學生的創新能力及研究品格[3]．因而，研究性教學不是簡單的“填鴨式”教學，而是學生必須在教師引導下對知識進行反思、批判和探究的過程．在研究性教學過程中，教師的作用不再局限于傳授學生知識，而要以學生為中心設計教學過程，為學生提供所需的教學資源[4]．在教師講授過程中，側重于學習方法的介紹及學生創新思維的培養，同時教師作為主導者控制學生的整個學習過程，對學生的學習效果進行恰當的評價．

2 數字信號處理研究性教學的獨特性

本文所提出的數字信號處理的研究性教學方法不同于常規課程的研究性教學方法，它特別側重實踐動手能力的提高和創新思維的培養．在該課程中實施的研究性教學要將理論課教學與實踐教學結合起來，利用綜合設計性實驗及大學生全程實踐活動來提升理論教學水平，培養學生實踐應用能力．

2.1 數字信號處理內容體系的獨特性

數字信號處理作為電類專業一門非常重要的專業課程，它的重要地位毋庸置疑．但是由于其理論性與實踐性要求都很高[5]，而且與信號處理類課程群內其他課程聯系緊密等特點，其內容體系具有一定的獨特性．

2.1.1 學生能力培養的二重性 數字信號處理對于學生能力培養具有二重性，其一是培養學生數學思維能力，利用工程數學相關理論分析信號的生成及變換過程，這有利于培養學生嚴謹的邏輯思維能力；其二是鼓勵學生學以致用，將理論課所學知識應用到解決信號處理實際問題中，如FIR濾波、語音信號采集等．

2.1.2 理論教學與實踐教學的并重性 數字信號處理課程理論課概念繁多、公式推導復雜[6]，學時緊張（僅為51學時）而內容多的矛盾比較突出．實踐教學作為理論課的合理補充及有效升華，其地位顯而易見，但其學時數僅為15學時，還承擔DSP器件的基本技能訓練．所以，二者在教學中的并重地位和學時緊張的問題都同時存在．

2.2 研究性教學與數字信號處理結合的獨特性

在數字信號處理的研究性教學過程中，必須將理論課與實踐課緊密結合，課內學時與課外活動結合起來，這是其他課程的研究性教學中很少采用的方法． 這種教學方法的獨特性在于對教師的理論與實踐教學水平的要求都比較高，要求在教學過程中博采工程數學、信號與系統、DSP和EDA等多門課程知識，幫助學生在學習本門課程的同時開拓視野．

3 理論與實踐并重，課內與課外結合的研究性教學實施

以FIR濾波器的設計為例，展開研究性教學過程．

3.1 理論課教學過程

在理論課上，教師首先為學生傳授數字濾波器，特別是FIR濾波器的理論和設計方法．其次，向學生提出一些具有實際意義的濾波器設計要求．讓學生分別從理論與實踐的角度設計數字通信系統中常見的截止頻率為8 000 Hz的低通濾波器．

學生按照學習小組的模式，多人合作設計該濾波器．設計過程要求學生采用數學推導、查表法及MATLAB軟件實現FIR濾波器的仿真設計[7]，最后要求學生形成設計報告．

最后教師利用課堂時間，對比分析學生的不同設計方案，指出學生在設計過程中的可取之處及待改進的地方．同時，為學生進一步利用DSP實驗系統設計該濾波器做知識上及思路上的鋪墊．

3.2 課內實驗教學過程

由于課內實驗僅有15學時，其中前6學時用于CCS3.3軟件及TI公司5416芯片系統的學習．因而，留給理論知識點的實踐反饋學時很少，但諸如快速傅里葉變換、圓周卷積、FIR濾波器及模擬信號數字化等知識點都需要在實踐環節加以鞏固． 所以，常規的基礎驗證類實驗項目無法達到全面培養學生實踐能力的目的．

采用綜合設計類實驗代替原有實驗項目，力爭一個實驗項目能從多方面培養學生動手能力，提升理論知識掌握程度．如FIR濾波器的設計要求學生完成語音信號的采集、模/數轉換、低通濾波和數/模轉換等工作，而不局限于濾波的實現[8]．同時，為了激發學生的學習興趣，增加實驗項目的生動性，實驗項目選擇一些流行樂曲作為語音材料，要求學生經過實驗設計完成樂曲的重低音化，濾掉高頻分量．

3.3 全程實踐教學活動過程

為了彌補課內實踐學時的不足，充分利用學校開展大學生全程實踐活動的有利契機，在學生的全程實踐環節開設“基于EDA技術的FIR濾波器的設計”這一實踐題目．學有余力的學生可以利用前續課程EDA相關知識在實驗室SOPC1C12的平臺上實現FIR濾波器的設計．同時，鼓勵學生將所設計濾波器應用于程控交換系統中說話人語音的提純過程．

4 結語

數字信號處理是電子信息類專業非常重要的專業課程，本文依據數字信號處理理論與實踐并重的特點，將研究性教學方法引入到教學中，并且提出了一些獨特的教學方法．這類理論與實踐并重、課內與課外結合的方法，符合工科類專業實踐性和創新能力培養要求高的特點．在2012—2015年的3個學年，針對電子信息科學與技術和通信工程2個專業開設的數字信號處理課程進行了教學實踐，通過學期末教學反饋及畢業設計檢驗得到了比較滿意的教學效果．

實踐證明，研究性教學方法能充分調動學生的學習積極性，引導學生帶著問題學習，提高學生學習效果的同時培養學生創新能力及團隊協作精神．同時，通過研究性實驗報告及小論文的撰寫，為學生后續畢業論文的撰寫及研究生學習奠定良好的基礎．

[1] 楊智明，彭喜元，俞洋．數字信號處理課程實踐型教學方法研究[J]．實驗室研究與探索，2014，3（9）：180-183

[2] 毛伊敏，鐘文濤．《數字信號處理》課程研究型教學方法研究[J]．中國電力教育，2008（11）：79-80

[3] 肖江，張鴻存，費諾，等．數字信號處理實驗系統的結構與應用[J]．實驗室研究與探索，2001，20（4）：36-38

[4] 楊文龍．虛擬儀器及其在信號處理教學實驗中的應用[J]．實驗室研究與探索，2007，26（12）：297-300

[5] 林連冬．數字信號處理研究型實訓課程的教學探索與實踐[J]．實驗室研究與探索，2014，33（6）：219-222

[6] 馬永奎，高玉龍，張佳巖，等．“數字信號處理”課程設計導向型教學初探[J]．電氣電子教學學報，2012，34（4）：96-97

[7] Finder S，Petre M．Project-Based Learning Practices in Computer Science Education [J]．Frontiers in Education Conferences， 1998，28：1185-1197

[8] Felder D，Manson C．Efficient Dual-Tone Multi-frequency Detection Using the Non-uniform Discrete Fournier Transform[J]．IEEE Signal Processing Letters，1998，5（7）：160-163

Analysis of uniqueness on research teaching of digital signal processing

REN Guo-feng1，2，SUN Yin2

（1. Department of Electronics，Xinzhou Teachers University，Xinzhou 034000，China；2. School of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Along with wide application of signal processing，digital signal processing course′s importance in engineering department is more and more significant. Therefore，traditional teaching methods can′t satisfy the comment of teaching contents and the practices. According to features of digital signal processing course，research teaching method is introduced into the theory and practice of the course teaching，and the comprehensive design experiment is combined with the whole practice of college student′ s life. So that，academic level and practice ability of student would be enhanced.

digital signal processing；research teaching；experimental teaching

TN911.72∶G642.0

A doi：10.3969/j.issn.1007-9831.2016.01.023

2015-10-27

忻州師范學院教學研究重點項目（JG201311）；忻州師范學院課堂教學改革項目（JGZT201504）；忻州師范學院教學研究項目（JGYB201529）；山西省自然科學基金項目（2013021016-2）；山西省留學歸國人員資助項目（2013-034）

任國鳳（1979-），女，山西忻州人，副教授，博士，從事信號處理及其實現研究．E-mail：renguofeng926@sina.com