啟發互動與仿真實踐教學方法在數字信號處理課程中的應用

摘要：針對數字信號處理課程數學理論性強，概念抽象，教學中算法公式推導繁瑣，學生難理解掌握等特點，提出啟發互動的課堂教學形式和建模仿真實踐的教學方法對數字信號處理課程進行教學改革實踐，從教與學兩個角度研究如何提高教學質量。啟發互動課堂教學激發學生的學習興趣和學習的主動性，仿真實訓練習培養了學生的實踐編程設計能力，培養了工程素養，教學方法的應用收到了良好的教學效果，提高了教學質量。

關鍵詞：數字信號處理；教學方法；仿真實踐

中圖分類號：TN911.72-4；G642

1 引言

隨著信息類科學和計算技術的迅速發展，數字信號處理的理論與應用得到飛躍式發展，數字信號處理課程也已經成為高等學校相關專業的必修課程[1]。但是“教的困難學得費力”是這門課程普遍存在的問題。數字信號處理先修課程有高等數學、復變函數、信號與線性系統等，其教學特點是數學理論性強，概念抽象，理論推導繁瑣，比如快速傅里葉變換算法復雜難度大及濾波器設計多樣性，學生在理解和掌握中有一定的難度。另外，學生基礎課程學習的差異也給教學帶來了一定的困難。因此如何在有限學時內將基本原理、基本概念與分析方法傳授給學生是需要探索的。如果方法不當，只是灌輸大量的具體知識，學生死記硬背教材上的推導和公式，并未理解掌握教學內容，考試時勉強應付，從而對該課程失去興趣。為了提高教學質量，激發學生的學習興趣，筆者在近十年的教學實踐中，對教學內容、課堂教學模式和方法不斷改進，摸索出一些便于學生理解和掌握的具體講法，提出啟發互動與建模仿真實踐應用在數字信號處理課程教學中，從教與學兩個角度對如何提高教學質量進行研究。

2 教學改革方法和途徑

2.1 啟發互動的課堂教學模式

傳統的教學是知識的“滿堂灌”。通常課堂教學中把教材作為學習的中心，教師講授引導進行知識的傳授。這樣學生較少的參與到課堂教學，學習缺乏熱情和主動性，思維受到限制。要讓學生對課程有興趣，必須思考設計課堂教學方法，在教學中給出學生問題或者引導學生自己發現“問題”，以問題為教學起點，啟發引導學生自主探索，在課堂教學中老師直接講授和啟發式提問相結合，讓學生經歷“提出問題—思考研究—分析解決”的知識構建過程。積極主動地參與到課堂教學中。

同時課堂教學形式多樣化，教師課堂講解推導公式采用板書學生形式，仿真演示邊學邊驗證、多媒體及動畫演示等多種教學形式活躍課堂，激發學生對該課程的興趣，加深學生對知識的理解和掌握。另外可采取專題討論的教學形式，把和數字信號處理有關聯的理論和技術分成小專題，提前把題目分給每個學生，請學生思考查閱資料做好準備，課堂上發表見解，進行專題討論，讓學生勇于表達自己的觀點，同時傾聽其他學生的觀點也可擴展思路，這對于學好課程及能力培養都有極大的幫助。

2.2 仿真實踐的教學方法

數字信號處理的內容較多，但本科階段主要培養學生學習知識、分析問題解決問題的能力，而不是灌輸大量的具體知識。培養這些能力的主要途徑是：打好理論基礎，掌握本學科的基本原理、基本概念與基本分析方法，學會使用現代設計、分析、開發、仿真與實驗工具。使學生在有限的課時內，通過學習、思考和仿真實驗掌握基本知識。MATLAB軟件是國際公認的信號處理標準軟件和仿真開發平臺，利用MATLAB可以使一些很難理解的抽象理論得到直觀演示解釋，解決各種復雜問題的分析與計算等難題[1]。筆者在近十年的教學中，對數字信號處理課程的課后作業要求學生用MATLAB軟件仿真實現，省去了學生較為繁瑣的筆算及較大的計算運算量，而且提高了學生的編程能力，培養了工程素養，起到了事半功倍的作用。

（1）實施內容

將仿真工具引入到數字信號處理教學的過程中，從以下兩個途徑出發，一是結合教學理論進程，基于課堂上的一些重要的核心知識點通過用仿真軟件將抽象的難以理解的理論知識用形象的圖形直觀地展現，學生在一定程度上可以輕松地掌握所學知識點，提高其學習興趣。比如在課堂教學中，講授快速傅里葉變換時，減少理論推導證明，而著重講述它的理論應用，仿真演示快速傅里葉變換進行頻譜分析，用FFT分析信號頻率成分。例如一被噪聲污染的信號，很難看出它所包含的頻率成分，如一個由100HZ和220HZ正弦信號構成的信號，受到均值隨機噪聲的干擾，通過FFT來分析其信號頻率成分。利用仿真軟件可以快速的分析其頻率成分，仿真結果如圖1所示，直觀形象展示給學生，加深對FFT應用的理解。

復雜的公式推導和結論讓同學們對頻率采樣理解不透徹，如果用仿真圖形演示如圖2頻域采樣，則會豁然開朗，理解頻域采樣失真的原因，掌握頻率采樣定理。

二是給學生實踐任務，要求教材中的例題和課后習題用MATLAB程序實現，給出習題求解程序及仿真運行結果。這樣能讓學生熟悉信號處理的常用函數和編程設計技巧。另外，把學生分成小組，可讓學生合作開發一個系統，如開發數字信號處理實驗仿真系統，確定系統的體系結構由哪些模塊組成，模塊間的調用關系如何，需要哪些全局變量等。圖3為指導學生開發的傅里葉變換的GUI界面，學生不僅掌握了MATLAB的程序設計，而且掌握了離散傅里葉變換的理論和實驗仿真結果。由此可以極大地調動學生的學習興趣，讓每個學生投入到學習實踐中，培養了良好的合作、探索、完成工作的工程素養。

MATLAB仿真演示的教學效果，使數字信號處理中的抽象、難懂的基本概念和基本原理轉化成易懂、直觀的圖形圖像形式，較好地幫助學生理解課堂講授內容[2]。

數字濾波器設計是數字信號處理課程的重要內容之一，在教學中理論推導復雜，計算量較大。而（FDATool Filter Design Analysis Tool）是simulink 信號處理工具箱里專用的濾波器設計工具，它把濾波器設計命令行功能集成在一個圖形用戶界面窗口中，如圖4所示，在圖中濾波器設計結果顯示區域在上半部分，它可顯示濾波器的幅頻響應，其中濾波器類型選項包括低通、高通、帶通、帶阻和特殊FIR的濾波器，設計指標及性能控制區域在圖中的下半部分。

設計濾波器主要對其進行應用，結合信號的頻譜分析，理解濾波器的功能與作用。比如有一輸入信號x（t）中含有干擾信號，其時域波形如圖5（a）所示，對其FFT進行頻譜分析如圖5 （b）所示，由圖可見，信號和干擾的頻帶互不重疊，設計如圖6（c）所示的低通濾波器濾除干擾，得到純凈信號，達到濾波的目的如圖6（d）所示。在該仿真中既進行了濾波器設計，又有信號頻譜分析FFT的應用，理論和實踐結合易于知識的理解掌握。

3 結束語

本文是在教學實踐中對數字信號處理課程的教學內容、課堂教學模式和方法不斷改進，摸索出一些便于學生理解和掌握的具體講法，提出啟發互動的課堂教學形式和建模仿真實踐的教學方法，對數字信號處理課程進行了教學改革實踐。啟發互動的課堂教學模式使學生積極主動參與到課堂教學，激發學習興趣，更好的理解掌握本學科理論知識。仿真實踐練習培養了學生的動手編程設計能力，培養了工程素養，教學方法的應用收到了良好的教學效果，提高了教學質量。

參考文獻

[1] 高西全，丁玉美.《數字信號處理》（第三版），西安電子科技大學出版社

[2]霍慧芝. MATLAB仿真在數字信號處理教學中的應用研究.大學教育，2013年24期

[3]陳懷琛，吳大正，高西全.MATLAB及在電子信息課程中的應用.3版.北京：電子工業出版社，2006

作者簡介：

趙伶俐，女，1976年4月生，北方民族大學電氣信息工程學院 副教授，主要從事的研究方向是信號與信息處理。