數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革研究

翟懿奎，馬 慧，曾軍英

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革研究

翟懿奎，馬 慧，曾軍英

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

針對目前五邑大學(xué)信息工程學(xué)院數(shù)字信號處理課程的教學(xué)現(xiàn)狀，對課程建設(shè)改革進行了一些探討，包括整合教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化課程體系及進一步豐富教學(xué)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(shù)字信號處理；課程改革；教學(xué)研究

0 引 言

數(shù)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(shù)學(xué)公式，蘊含著豐富的物理意義，學(xué)生覺得該課程學(xué)習(xí)難度大[1]。隨著學(xué)科的發(fā)展，教與學(xué)的不相適應(yīng)已經(jīng)在本課程的教學(xué)中顯現(xiàn)出來。目前，國內(nèi)一些高校已經(jīng)展開數(shù)字信號處理課程的教學(xué)改革。

為了深人貫徹、全面推進素質(zhì)教育及強化工程教育的精神，更好地幫助學(xué)生系統(tǒng)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(nèi)容和結(jié)構(gòu)進行了深人研究，并做出一定的調(diào)整和改革。

1 總體上分析數(shù)字信號處理課程

1.1 數(shù)字信號處理課程特點

數(shù)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(xué)時少，高等數(shù)學(xué)、矩陣分析、隨機過程等課程是該課程的基礎(chǔ)。當(dāng)今社會，信號處理的發(fā)展進人了新的階段，在信息化進程中，數(shù)字信號處理的地位變得越來越重要。生活實踐中遇到的數(shù)字信號處理問題十分常見，與這些內(nèi)容相關(guān)的科學(xué)技術(shù)在科技領(lǐng)域的比重日益增大[2]。

1.2 目前數(shù)字信號處理課程存在的問題

當(dāng)下，數(shù)字信號處理教材存在內(nèi)容繁雜、難度系數(shù)較大、理論性較強等問題，而學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)的自覺性較差。實際教學(xué)中由于其他課程的安排，數(shù)字信號處理課程的課時被壓縮，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容繁多但學(xué)時較少。

2 整合教學(xué)內(nèi)容

（1）數(shù)字信號處理與信號與系統(tǒng)課程優(yōu)化整合數(shù)字信號處理和信號與系統(tǒng)是五邑大學(xué)信息工程學(xué)院開設(shè)的兩門非常重要的必修課。這兩門課程的主要內(nèi)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(xué)內(nèi)容存在交叉嚴重的現(xiàn)象。雖然目前大多教材為減少授課內(nèi)容的重復(fù)性，將信號與系統(tǒng)課程中的離散部分和數(shù)字信號處理課程中與之重復(fù)的部分進行了整合，但最終效果差強人意。學(xué)院該課程學(xué)時較少，僅30學(xué)時，這就要求精選課程內(nèi)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(xù)信號相關(guān)知識點，使學(xué)生在掌握理論的同時，了解相應(yīng)背景，淡化對數(shù)學(xué)技巧和運算的過分依賴，增加學(xué)生運用數(shù)學(xué)知識的靈活性，達到舉一反三的效果。在教學(xué)過程中，應(yīng)該循序漸進，從易到難，講授內(nèi)容從時域過渡到頻域，從連續(xù)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(guān)聯(lián)起來學(xué)習(xí)、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(lián)系梳理清楚，使知識點之間相互銜接，讓學(xué)生從更高的層次上整體把握課程的核心內(nèi)容[4]。

3 改善教學(xué)手段

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

（2）讓學(xué)生參與習(xí)題的講解和課堂小結(jié)，自己備課、準(zhǔn)備PPT，然后講述知識點，其他學(xué)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(xué)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(diào)一下重點內(nèi)容。為了調(diào)動學(xué)生參與的積極性，可以通過給平時成績加分等方式鼓勵學(xué)生踴躍參加習(xí)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(nèi)容的時候不應(yīng)該一成不變地通過板書推演公式，應(yīng)該加人一些動態(tài)元素，這樣才能調(diào)動課堂氛圍。我們采用課堂板書與現(xiàn)代教學(xué)資源相結(jié)合的方式，發(fā)揮好傳統(tǒng)教學(xué)手段與現(xiàn)代教學(xué)手段的優(yōu)勢。為了使抽象的概念形象化，提高教學(xué)效果，我們采用形象生動的圖像、動畫等形式進行輔助教學(xué)。

（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(xiàn)一遍，加深學(xué)生的印象，提高其學(xué)習(xí)效率[5]。

4 將數(shù)字信號處理課程理論應(yīng)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(xué)生普遍反映的情況，更有學(xué)生覺得本課程在實際中沒有什么應(yīng)用。因此，教師在教授本課程的時候應(yīng)該將看似復(fù)雜的理論知識與現(xiàn)實生活中的應(yīng)用實例結(jié)合起來。Matlab作為一款高性能的數(shù)學(xué)仿真應(yīng)用軟件，無論在數(shù)字信號處理課程的理論學(xué)習(xí)還是實踐教學(xué)中都得到廣泛應(yīng)用，主要表現(xiàn)在以下3個方面：①公式計算和信號表達;②在課程設(shè)計中的應(yīng)用;③對教學(xué)實驗的測驗和展示。生物特征識別技術(shù)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(shù)。計算機通過導(dǎo)人的視頻和圖像采集這些特征，應(yīng)用生物統(tǒng)計學(xué)，結(jié)合圖形、聲音、行為分析、數(shù)據(jù)庫等高級算法和科技手段，最終實現(xiàn)對人身份的識別。為此，我們將數(shù)字信號處理課程理論應(yīng)用于基于Matlab的生物特征提取研究，以此來提高學(xué)生學(xué)習(xí)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(shù)字信號處理領(lǐng)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(yīng)用實例，講解過程中要強調(diào)基于Gabor小波變換進行特征提取的優(yōu)點：當(dāng)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(yīng)，如眼睛等部位Gabor響應(yīng)輸出較為強烈。通過修改Gabor函數(shù)的參數(shù)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(jié)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(jù)以上流程圖編寫的程序可以得出一幅經(jīng)Gabor小波變換后的人臉特征圖像，見圖2。

通過這種應(yīng)用實例，借助Matlab實現(xiàn)數(shù)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(yīng)用相結(jié)合且教學(xué)效率高。同時，通過Matlab的可視化工具，學(xué)生能更加深刻地理解抽象的概念和數(shù)學(xué)理論以及對公式計算和信號的處理。

圖2 經(jīng)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(zhuǎn)移到學(xué)習(xí)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(xué)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(zhì)版資料進考場），可以相對延長考試時間，引導(dǎo)學(xué)生將學(xué)習(xí)的重點轉(zhuǎn)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(shù)學(xué)生，使考試成績分布在合理的范圍之內(nèi)，也較為客觀地反映了學(xué)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(tǒng)”課程教學(xué)現(xiàn)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(xué)法在課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 廣州: 高教探索, 2006(2): 76-77.

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

[4] 丁玉美. 數(shù)字信號處理[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2003: 3-5.

[5] 張麗麗, 賈亮.“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)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(shù)字信號處理課程改革[J]. 長春大學(xué)學(xué)報, 2007, 17(2): 96-97.

[7] 楊曉華. 材料科學(xué)專業(yè)課教學(xué)方法改革探析[J]. 福州大學(xué)學(xué)報(哲學(xué)社會科學(xué)版), 2001(S1): 64-66.

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

（編輯：孫怡銘）

1672-5913(2017)01-0070-03

G642

國家自然科學(xué)基金項目（61072127，61372193）；廣東省自然科學(xué)基金項目（S2013010013311，10152902001000002，S2011010001085，S2011040004211）；廣東高等學(xué)校優(yōu)秀青年培養(yǎng)計劃項目（SYQ2014001）；廣東省特色創(chuàng)新類項目（2015KTSCX143）；五邑大學(xué)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(xué)習(xí)、人臉美麗研究，yikuizhai@163．com。