“數字信號處理”課程教學中的實踐創新能力培養

魯遠耀+曹淑琴+谷科

（北方工業大學 信息工程學院，北京 100043）

摘要：本文以培養學生的實踐創新能力為目標，結合我?！皵底中盘柼幚怼苯虒W的實際情況，深入剖析了學生創新能力缺乏的原因。最終從理論基礎、前沿熱點、工程實踐三個角度出發，積極探索并提出了如“前沿科技大講堂”、“教學與MATLAB實踐相結合”等具體可行的培養方案。

關鍵詞：數字信號處理；創新能力；素質培養；實踐教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）13-0177-02

一、引言

在大眾創業，萬眾創新的時代背景下，是否具有創造性思維和綜合創新能力已成為衡量當代大學畢業生素質的重要標準。因此，我們以培養學生的自主實踐能力和創新能力為目標，結合我校“數字信號處理”教學實際情況，提出了新的教學模式，旨在重點提升學生的創新素質，全面增強學生個人核心競爭力，為國家培養綜合應用型人才。

二、本課程教學工作中的現存問題

1.基礎課程有待加強?！皵底中盘柼幚怼笔且婚T綜合性很強的科目，以“高等數學”、“復變函數”為基礎，綜合融入了“信號與系統”等科目知識，形成了較為龐大的知識體系。本課程有些知識過于理論化、抽象化，難以理解，因此要想系統深入地掌握本課程，必須擁有扎實的基礎知識及較強的抽象思維能力，但學生的基礎知識普遍較差，無法深入理解，更無法深入探究在學習中遇到的問題。這在教學實踐過程中是一個大的障礙，需要我們積極探索更有利學生的教學和實踐方法。

2.理論與實踐不平衡。傳統教育教學活動中，教師普遍重理論輕實踐，學生只會用公式做題，解題思路按部就班，思維禁錮，動手實踐經驗少，無法具體深入地了解書本上抽象化公式，無法做到學有所用。在為數不多的實驗課程安排中，實驗內容及步驟統一化，方法和結果唯一化，缺乏開放性的、路徑多元化的開放性實驗課程，使得學生的創新能力毫無生長土壤。

3.學生缺乏團隊意識。一個好的團隊會拓寬思維，使工作成果最優化，對于個人能力的提高也會起到至關重要的作用。但教學實踐中，由于團隊合作經驗少、學生個性強等原因，部分學生團隊意識淡薄，實驗過程中出現與同學意見相左時處理不當、不懂得如何協同作業等問題，導致學生無法在團隊合作的過程中解決問題、提升自身能力，團隊整體處理問題能力下降。

三、培養路徑

1.夯實基礎。扎實的理論基礎是創新的奠基石，針對學生高數基礎差等問題，我們提出了修改方案，課前對于所需的數學知識加以提示，使學生提前復習相應基礎課程；課中對相應的重點基礎知識進行補充，保證學生的理論基礎足以支持其對于整個課程知識體系的構建。對復雜的理論進行精講，特別是在引入一個新的知識點時，利用流程圖、推導圖等使公式等形象化，使知識點更容易理解，變抽象化的公式為形象且簡單的結構圖，為以后的深入講解打下基礎[1]。

下面我們以一個簡單的8階FIR為例，通過圖1，學生可以清晰地認識到濾波器主要由三部分組成：即數據移位寄存器、乘法器、加法器。并且可輕松理解各重要組成部分之間的關系。

2.教學與前沿緊密相連。傳統的教育教學中，過度重視書本教學，割裂了課程與相應領域前沿的聯系。由此，鼓勵老師結合課本以外的知識，激發學生的學習熱情，引導其發現身邊有待解決的相關問題。在今后的教學活動中，我們將會邀請學科相關領域的專家，就當今熱門問題組織“前沿科技進課堂”等知識講座，如“語音的元音和輔音的時頻特性”、“測量儀表和儀器行業中信號處理的應用”等。力求使“數字信號處理”這門課程與時代的發展緊密相連，讓學生們真正了解這門課程在實際工程中的應用，加深對書本上理論知識的理解，真正明白“學為何用”，為學習注入源動力。

3.重視教學實踐相結合。在以往的教學實踐中，學生只有在有實驗任務的時候才會被動地實踐。事實上，實踐和理論學習應該是相互促進的關系，因此在教學的過程中我們要為學生樹立“通過動手實踐，自主解決理論難題”的意識。本門課程中對各種信號的分析和處理需要通過大量煩瑣的計算及推導才能實現，這就打擊了部分學生自主學習的積極性。由此，我們選擇MATLAB作為教學實踐輔助軟件，教學中教師運用該軟件為學生演示各種信號的運算、變換等，讓學生生動形象地理解這些抽象的概念，也可學生自己編程實現復雜的數學運算，通過觀察可視化實驗結果，解決學習中遇到的難題[2]。

例如，在設計一個通信調制系統時，需用脈沖成型技術來調節數字信號的帶寬和減少碼間干擾（ISI）。最常用的一種就是升余弦濾波器。其頻域響應為：

通過計算得到濾波器系數將會非常煩瑣且易出錯，此時我們可以利用MATLAB軟件來求解，在命令窗口中輸入fadtool，在fdatool窗口中設置階數、滾降系數等指標，即可輕松得到所需數據及相應圖形。頻譜等相關信息非常直觀地展示在學生眼前。如圖2所示，通過利用MATLAB軟件，學生將告別枯燥乏味的純計算型學習，使理論與實際應用的聯系真正直觀地呈現出來，這將大大激發學生的學習熱情和自主創新型學習的積極性。

4.完善實踐課程。以往的教學活動中，綜合設計性實驗較少使得學生普遍缺乏創新思維和綜合設計能力，動手實踐能力差。由此，我們將增加開放性課程設計，目的是通過讓學生以團隊的形式完成集綜合性、創新性、實用性為一體的動手實踐任務，綜合多學科知識，綜合各種算法，經過討論、共同推導和實驗完成所選課題[3]。提高學生的綜合設計能力、團隊合作能力，最大程度上培養應用創新思維。

5.均衡考核比重。在以往的教學檢測中，期末試卷成績占總成績的60%—80%，一卷定成敗的現象使得學生輕實踐重理論。為此，我們主張降低試卷比重，同時對試卷考核內容進行調整，加入開放性題目，以與實際工程相結合的題目替代以往單一理論與公式類的題目；并對優秀實踐小組進行加分獎勵，增加動手實踐成績在總成績中的比重。

四、結語

本文積極針對“數字信號處理”教學中的現有問題，對學生培養方法進行修正、對教學模式進行改革探索，目的是從根本上激發學生的創新思維，最大程度上提升學生科技創新素養，使傳統的枯燥課堂轉變成為新型的創新思維培養基地，為國家培養應用型、創新型技術人才。

參考文獻：

[1]鐘東，陳春.拔尖創新人才培養中“數字信號處理”教學方法的探索[A].曲阜師范大學學報，2016，1，42（1）.

[2]楊新，徐金玉，汪琳娜.“卓越計劃”下《數字信號處理》課程教學改革與創新[J].教育教學論壇，2014，（53）：118-119.

[3]汪春梅，楊敏，倪繼鋒，等.利用開放性“數字信號處理”課程設計培養學生的創新精神[J].實驗室研究與探索，2010，29（11）：122-124.

基金項目：2016年6月北方工業大學教育教學改革和課程建設研究項目（XN093-010）

作者簡介：魯遠耀（1977-），男（漢族），湖北英山人，博士，副教授，研究方向：圖像處理與模式識別。