數字信號處理課程教學改革研究

翟懿奎，馬 慧，曾軍英

（五邑大學 信息工程學院，廣東 江門 529020）

數字信號處理課程教學改革研究

翟懿奎，馬 慧，曾軍英

（五邑大學 信息工程學院，廣東 江門 529020）

針對目前五邑大學信息工程學院數字信號處理課程的教學現狀，對課程建設改革進行了一些探討，包括整合教學內容、優化課程體系及進一步豐富教學手段，提出對基于Matlab的生物特征提取研究及考試方法等方面進行改革。

數字信號處理；課程改革；教學研究

0 引 言

數字信號處理這門課程理論性較強，涵蓋了很多抽象概念和數學公式，蘊含著豐富的物理意義，學生覺得該課程學習難度大[1]。隨著學科的發展，教與學的不相適應已經在本課程的教學中顯現出來。目前，國內一些高校已經展開數字信號處理課程的教學改革。

為了深人貫徹、全面推進素質教育及強化工程教育的精神，更好地幫助學生系統理解這門課程，掌握這門課程包含的基本概念、原理和分析方法，我們對課程的內容和結構進行了深人研究，并做出一定的調整和改革。

1 總體上分析數字信號處理課程

1.1 數字信號處理課程特點

數字信號處理課程涉及的知識理論性較強，知識面廣且概念抽象、學時少，高等數學、矩陣分析、隨機過程等課程是該課程的基礎。當今社會，信號處理的發展進人了新的階段，在信息化進程中，數字信號處理的地位變得越來越重要。生活實踐中遇到的數字信號處理問題十分常見，與這些內容相關的科學技術在科技領域的比重日益增大[2]。

1.2 目前數字信號處理課程存在的問題

當下，數字信號處理教材存在內容繁雜、難度系數較大、理論性較強等問題，而學生課前預習、課后復習的自覺性較差。實際教學中由于其他課程的安排，數字信號處理課程的課時被壓縮，導致教學內容繁多但學時較少。

2 整合教學內容

（1）數字信號處理與信號與系統課程優化整合數字信號處理和信號與系統是五邑大學信息工程學院開設的兩門非常重要的必修課。這兩門課程的主要內容都是對各種信號進行分析和處理，得到我們希望的有用信號[3]。改革之前，兩門課程的教學內容存在交叉嚴重的現象。雖然目前大多教材為減少授課內容的重復性，將信號與系統課程中的離散部分和數字信號處理課程中與之重復的部分進行了整合，但最終效果差強人意。學院該課程學時較少，僅30學時，這就要求精選課程內容。為此，我們對本課程進行了更深人的整合。

（2）整合后的課程主線。強化連續信號相關知識點，使學生在掌握理論的同時，了解相應背景，淡化對數學技巧和運算的過分依賴，增加學生運用數學知識的靈活性，達到舉一反三的效果。在教學過程中，應該循序漸進，從易到難，講授內容從時域過渡到頻域，從連續信號過渡到離散信號，從傅氏變換過渡到拉氏變換再到Z變換，把各知識點關聯起來學習、理解和記憶，將信號從時域變換到頻域以及傅氏與拉氏變換和Z變換之間的聯系梳理清楚，使知識點之間相互銜接，讓學生從更高的層次上整體把握課程的核心內容[4]。

3 改善教學手段

（1）因為該課程公式定理多、理解難，借助形象化教學手段，學生可以更好地理解教材中的概念、定理，同時增加他們學好本課程的信心。比如，對于數字信號處理中繁瑣數學公式的記憶，可以采用聯想記憶法，結合其他課程、聯系其他知識一起記憶，糾正死記硬背的習慣。這種方法有助于學生靈活、輕松地記憶重點知識，同時將枯燥的數學公式更加形象具體地表現出來，易于學生的學習和理解。

（2）讓學生參與習題的講解和課堂小結，自己備課、準備PPT，然后講述知識點，其他學生提出疑惑，大家各抒己見，進行探討和解惑。最后教師對每位學生的講解進行點評，對講授過程中的問題提出改進意見，再次強調一下重點內容。為了調動學生參與的積極性，可以通過給平時成績加分等方式鼓勵學生踴躍參加習題課講解。

（3）本課程有些公式非常抽象、枯燥無味、難以理解，教師在講授這些內容的時候不應該一成不變地通過板書推演公式，應該加人一些動態元素，這樣才能調動課堂氛圍。我們采用課堂板書與現代教學資源相結合的方式，發揮好傳統教學手段與現代教學手段的優勢。為了使抽象的概念形象化，提高教學效果，我們采用形象生動的圖像、動畫等形式進行輔助教學。

（4）教師在講解一些需要求解的題目時，可以將整個題目的求解過程做一遍板書，再制作一個動畫，將整個求解過程完整地重現一遍，加深學生的印象，提高其學習效率[5]。

4 將數字信號處理課程理論應用于基于MATLAB的生物特征提取研究

該課程理論繁多、較難理解，這是往屆學生普遍反映的情況，更有學生覺得本課程在實際中沒有什么應用。因此，教師在教授本課程的時候應該將看似復雜的理論知識與現實生活中的應用實例結合起來。Matlab作為一款高性能的數學仿真應用軟件，無論在數字信號處理課程的理論學習還是實踐教學中都得到廣泛應用，主要表現在以下3個方面：①公式計算和信號表達;②在課程設計中的應用;③對教學實驗的測驗和展示。生物特征識別技術是一種通過采集和分析人體固有的特征（生理特征和行為特征）進行身份識別的計算機技術。計算機通過導人的視頻和圖像采集這些特征，應用生物統計學，結合圖形、聲音、行為分析、數據庫等高級算法和科技手段，最終實現對人身份的識別。為此，我們將數字信號處理課程理論應用于基于Matlab的生物特征提取研究，以此來提高學生學習本課程的興趣。

人臉圖像中，除了全局紋理特征外，局部紋理所含有的信息對特征提取和識別效果也非常重要。這就要求我們找到一種方法，提取紋理部分的重要信息，并盡量降低不重要的信息對識別的影響，即對人臉圖像進行局部分析。將數字信號處理領域中的Gabor變換引人人臉識別中，采用這些變換進行局部分析，提取出對人臉識別有用的特征。針對這個應用實例，講解過程中要強調基于Gabor小波變換進行特征提取的優點：當圖像的邊緣特征方向與二維Gabor濾波器紋理特征方向一致的時候，二維Gabor小波變換有較強的響應，如眼睛等部位Gabor響應輸出較為強烈。通過修改Gabor函數的參數sigma、theta，可以獲得不同中心頻率、不同方向上的Gabor濾波器，既可以提取不同局部細節的紋理特征，又能夠提取全局性較強的特征，同時減少噪聲干擾。Gabor變換提取人臉特征的流程圖見圖1。

圖1 Gabor變換提取人臉特征的流程圖

根據以上流程圖編寫的程序可以得出一幅經Gabor小波變換后的人臉特征圖像，見圖2。

通過這種應用實例，借助Matlab實現數字信號處理中的工程實踐問題[6]，將Matlab仿真實驗融人課堂講授，與實踐應用相結合且教學效率高。同時，通過Matlab的可視化工具，學生能更加深刻地理解抽象的概念和數學理論以及對公式計算和信號的處理。

圖2 經Gabor小波變換后的人臉圖像及其特征圖像

5 改良考核方式，將重點轉移到學習過程中

之前的考試只注重書面成績，忽略了考試本身的重要意義，使學生不能對考試有正確的認識。因此，改革考核方法意義重大。加大平時實踐成績的比重，考試采用半開卷的方式（即可以帶紙質版資料進考場），可以相對延長考試時間，引導學生將學習的重點轉移到運用能力上[7]。這樣，不僅保證了試卷難度適合于大多數學生，使考試成績分布在合理的范圍之內，也較為客觀地反映了學生對本課程的實際掌握情況[8]。

[1] 廖柏林, 肖林, 劉梅. 地方高校“信號與系統”課程教學現狀與改革探討[J]. 科技視界, 2015(17): 40-83.

[2] 佘立中, 趙建華. 及時教學法在課程教學中的應用[J]. 廣州: 高教探索, 2006(2): 76-77.

[3] 郝曉莉.“信號與系統”和“數字信號處理”課程改革的思路和實踐[J]. 電氣電子教學學報, 2002, 24(6): 5-22.

[4] 丁玉美. 數字信號處理[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2003: 3-5.

[5] 張麗麗, 賈亮.“數字信號處理”課程教學的改革與實踐[J].中國電力教育, 2012(34): 70-76.

[6] 曹昕燕. 基于Matlab的數字信號處理課程改革[J]. 長春大學學報, 2007, 17(2): 96-97.

[7] 楊曉華. 材料科學專業課教學方法改革探析[J]. 福州大學學報(哲學社會科學版), 2001(S1): 64-66.

[8] 余穎, 肖靜, 劉樹博. 數字信號處理課程教學改革的探索和實踐[J]. 東南大學學報, 2011, 30(3): 295-296.

（編輯：孫怡銘）

1672-5913(2017)01-0070-03

G642

國家自然科學基金項目（61072127，61372193）；廣東省自然科學基金項目（S2013010013311，10152902001000002，S2011010001085，S2011040004211）；廣東高等學校優秀青年培養計劃項目（SYQ2014001）；廣東省特色創新類項目（2015KTSCX143）；五邑大學青年科研基金項目（ 2013zk07）。

翟懿奎，男，副教授，研究方向為生物特征識別、圖像處理與模式識別、機器學習、人臉美麗研究，yikuizhai@163．com。