數字信號處理課程教學改革初探*

◆陳俊杰 周暉

數字信號處理課程教學改革初探*

◆陳俊杰 周暉

針對數字信號處理課程教學過程中存在的問題，對課程進行教學改革：整合優化教學內容，強調課程間以及課程內各知識點間的聯系，突出重點、難點；板書教學與多媒體教學相結合，使得抽象的概念、方法更加形象化；采用問題探究式教學方法，體現學生的主體地位，充分調動學生的學習積極性；在實踐教學中對實驗教學項目進行整合優化，增加綜合性實驗，培養學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力。

數字信號處理；教學改革；多媒體；實驗

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.12.099

1　前言

20世紀60年代，隨著信息技術和計算機技術的高速發展，數字信號處理技術迅速發展起來，并且被廣泛應用于通信、語音、圖像、檢測、控制、儀器以及生物醫學工程等眾多領域［1］。數字信號處理課程是電子信息類專業非常重要的一門專業基礎課，本課程的主要任務是向學生介紹數字信號處理的基本理論和方法。本課程具有理論性和應用性很強的特點：理論性強，它是信號與系統的后續課程，概念抽象、公式繁多、推導復雜，涉及高等數學、復變函數等課程中的相關數學知識；應用性強，被廣泛應用于數字通信、雷達、遙感、語音合成、圖像處理等領域，后續課程有語音信號處理、數字圖像處理等。

本課程在教學過程中面臨諸多問題：作為理論基礎和實踐應用之間的過渡和橋梁，數字信號處理課程與先修課程信號與系統，以及后續課程語音信號處理等，存在嚴重的耦合關系，重復的教學內容導致課時嚴重不足；此外，本課程內部各知識點之間也存在耦合關系［2］；課堂講授以理論為主，概念抽象、公式多、推導多，枯燥乏味，學生的積極性不高；本課程偏重基本理論和方法，缺少與實際應用的結合，使得學生對理論和方法的應用模糊不清；本課程的課程設計以及課內實驗多為驗證性實驗，缺少設計性實驗、綜合性實驗。

基于上述分析，進行本課程的教學改革，探索新的課堂形式，提高學生的課堂參與度，結合科研和生產中的實際應用，幫助學生理解和掌握基本的理論和方法，培養學生應用所學知識解決實際問題的能力，具有積極意義。

2　教學內容的整合優化

課程體系的優化 數字信號處理課程與先修課程信號與系統，后續課程語音信號處理、數字圖像處理等共同構成完整的課程體系，但是相關課程的教學內容之間存在嚴重的耦合關系，教學內容重復，嚴重浪費了有限的課時。作為整個課程體系的理論基礎，信號與系統課程的教學內容涵蓋了連續時間信號與系統和離散時間信號與系統，重點介紹連續時間信號與系統的時頻域分析方法、離散時間信號與系統的時頻域分析方法。數字信號處理課程則側重離散時間信號與系統的時頻域分析方法、離散傅里葉變換及其快速算法，以及數字濾波器理論及設計方法。數字信號處理課程與信號與系統課程在離散時間信號與系統的時頻域分析方法等教學內容上存在重復，一方面浪費了有限的課時，另一方面重復的內容講授容易使學生感到枯燥乏味，降低學生的學習積極性。

因此，需要對信號與系統及數字信號處理課程的教學內容進行整合優化。在信號與系統課程中，更加側重離散時間信號與系統的時頻域分析方法，在數字信號處理課程中更加側重離散傅里葉變換及其快速算法，以及數字濾波器理論及設計方法。對于重復內容，學生課前自主學習為主，教師課上習題講解、答疑為輔。

知識點的耦合關系 不僅課程間存在教學內容的耦合重復，在數字信號處理課程內部，各知識點之間也存在耦合。以離散時間信號與系統的時頻域分析方法為例，知識點的耦合關系如圖1所示，存在拉普拉斯變換和傅里葉變換的關系、Z變換和傅里葉變換的關系、時域抽樣定理（模擬信號、理想抽樣信號的拉普拉斯變換與序列的Z變換的關系，模擬信號、理想抽樣信號的傅里葉變換與序列的傅里葉變換的關系）、頻域抽樣定理等。通過對數字信號處理課程中知識點間的關聯進行梳理，幫助學生理清本課程整個的知識體系結構，加深學生對知識點的理解和掌握，同時突出教學內容的重點、難點，通過整合課程知識點，有效壓縮理論課時，提高教學效率。

*項目來源：江蘇高校品牌專業建設工程資助項目（PPZY2015B135）；南通大學教學改革研究課題（2014B45）。作者：陳俊杰，南通大學電子信息學院講師，從事數字信號處理教學、智能電視系統和云計算研究工作；周暉，南通大學電子信息學院（226019）。

圖1　離散時間信號與系統的時頻域分析方法中知識點的耦合關系

3　多樣化的課堂教學方法

板書與多媒體相結合 本課程的課堂教學宜采用板書教學與多媒體教學相結合。本課程涉及公式多、推導證明多，采用多媒體教學，學生往往很難跟上。通過板書，可以使學生跟著教師的思路理解基本理論和方法，加強師生間的互動，有效提高學生的學習積極性。同時，針對比較抽象的內容，宜采用多媒體教學手段，通過圖像、聲音等手段，可以有效刺激學生的感官，加深學生對知識點的印象［3］。如在講授快速傅里葉變換算法時，如果僅僅通過板書對算法進行推導，學生很難對算法的基本思想有直觀的理解；通過多媒體演示快速傅里葉變換算法的基本思想、核心步驟，使得抽象的方法更加形象化。

問題探究式的教學方法 問題探究式的教學方法通過設置問題，引導學生在課程學習過程中分析問題、解決問題，可以充分發揮學生的主觀能動性，提高學生的學習興趣。問題探究式教學方法的前提是設置合理的問題，問題的難度要適中，并且需要覆蓋教學內容中的主要知識點。問題探究式教學方法的核心是引導學生分析問題，并且通過課程學習，找到問題的解決方案，在此過程中要充分發揮學生的主觀能動性。除了課堂學習，還要鼓勵學生課外進行文獻調研，學生之間進行團隊合作。

4　實踐教學

數字信號處理課程是一門理論性和實用性都很強的課程，要注重理論聯系實際。為了提高學生的動手能力，培養學生的創新意識，需要加強課程的實踐教學［4］。

實驗設計 課程實驗可以分為三類：驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗。驗證性實驗主要考查學生對基礎知識的掌握情況，設計性實驗和綜合性實驗則考查學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力［5］。本課程的實驗項目以驗證性實驗和設計性實驗為主。為了鍛煉學生的動手能力，需要增加綜合性實驗。

這里以語音信號的處理為例，來說明綜合性實驗項目的設置：首先錄制一段語音信號，并且給語音信號加噪，對加噪前后的語音信號進行頻譜分析；然后設計濾波器進行濾波，并且將濾波前后的語音信號進行對比。本實驗的流程如圖2所示，整個實驗過程需要綜合運用快速傅里葉變換算法以及數字濾波器的設計方法等知識。

圖2　語音信號處理實驗流程

教學與科研及工程應用相結合 教學與科研及工程應用相結合，體現學科發展的先進性。通過講授數字信號處理技術最新的研究成果以及工程應用，使得學生明確學好數字信號處理課程的意義，激發的學習興趣。在教學過程中采用科研的方法，對學生產生潛移默化的影響，培養學生提出問題、分析問題、解決問題的能力，養成科學的思維方式和勇于創新的精神，同時也有助于樹立教師的權威。另一方面，通過結合工程應用，培養學生的工程思想，開拓學生的視野，也為學生未來的擇業提供有益的借鑒。

5　總結

本文針對數字信號處理課程教學過程中存在的問題，從教學內容、課堂教學方法、實踐教學等方面對課程進行教學改革。本課程改革對數字信號處理課程的教學內容進行整合優化，強調相關課程之間的聯系、課程內相關知識點之間的聯系，從而突出重點、難點，提高教學效率，優化課時配置。在課堂教學中，板書教學與多媒體教學相結合，使得抽象的概念、方法更加形象化；采用問題探究式的教學方法，充分調動學生的學習積極性。在實踐教學中增加綜合性實驗，培養學生運用所學知識解決實際問題的能力，同時教學與科研及工程應用相結合，體現學科發展的先進性。■

［1］程佩青.數字信號處理教程簡明版［M］.北京：清華大學出版社，2013.

［2］楊永立，李娟.“數字信號處理”課程教學方法探討［J］.南京：電氣電子教學學報，2013，35（4）：72-74.

［3］譚頂良.高等教育心理學［M］.南京：河海大學出版社，2006.

［4］胡學友，王穎，胡云龍.“數字信號處理”教學改革與實踐［J］.廣西：高教論壇，2007（3）：67-69.

［5］朱金秀，江冰，張學武，等.數字信號處理綜合設計性實驗教學探索與實踐［J］.北京：實驗技術與管理，2008，25（10）：125-127.

G642.0

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1671-489X（2016）12-0099-02