數字信號處理實踐型教學改革研究

李洪均+李蘊華+陳俊杰+趙靈冬

摘 要 以工程教育專業認證為背景，結合電子信息專業培養要求，以培養學生的創新實踐綜合能力為目標，提出基于實踐型人才培養的教學改革思路。以優化教學內容為基礎，采用多種教學方式為手段，激發學生興趣，夯實理論基礎，優選課程實驗，提高學生實踐和創新能力，建立多層次評價體系和反饋機制并持續改進，以達到教與學的最優化。

關鍵詞 數字信號處理；教學改革；實驗課程；MATLAB；工程教育專業認證

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）24-0156-03

Research on Practical Teaching Reform of Digital Signal Pro-cessing//LI Hongjun， LI Yunhua， CHEN Junjie， ZHAO Lingdong

Abstract Regarding engineering education professional certification as the background， combining the training requirements of electro-nic information professional， and aiming at improving students comprehensive ability in innovation and practice， we proposed the thoughts in educational transformation to cultivate practical talents. In this reform， optimizing teaching content is fundamental and essen-

tial， and various teaching methods are adopted to stimulate students

interests and strengthen the theoretical foundation. Select experi-mental lessons firstly to improve students practice and innovation ability. Meanwhile， we try to build a multi-level evaluation system and feedback mechanism and make it better continuously to reach optimization in teaching and learning.

Key words digital signal processing； teaching reform； experimental course； MATLAB；engineering education professional certification

1 引言

工程教育專業認證是一種以培養目標和畢業出口要求為導向的合格性評價，是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎。工程教育專業認證的核心就是要確保工科的專業畢業生達到行業認可的既定質量標準要求。目前，工科的教育實踐重理論輕實踐，重視知識學習而輕視開拓創新能力的培養，強調個人能力而忽視團隊協作精神，缺乏解決復雜工程問題能力的培養。因此，有必要結合實踐教學改革，解決學生培養中有待解決的問題。

數字信號處理是目前電子信息專業的一門核心基礎課，是信息類及相關專業人才培養的重點課程。無論是無線通信系統的發展，還是數字消費電子市場的發展，在人工智能、模式識別等諸多方面都離不開數字信號處理技術。因此，無論是對學生今后的就業，還是繼續深造從事相關研究，學好數字信號處理這門課程都是至關重要的。通過本課程的學習，要使學生建立數字信號處理的基礎理論知識體系，掌握常用的基本分析方法和分析工具，為從事通信和信息處理等方面工作和研究打下基礎[1-3]。

然而，本課程的理論性強，原理抽象復雜，公式及推導煩瑣，令人感覺枯燥難懂，學生大多對這樣的課程興趣不高，課堂效率較低。對于這樣一門理論性和實踐性要求均較強的綜合課程，如何有效地組織課堂教學內容并適當地增加實踐環節，使學生打好理論基礎的同時提高應用型技能，實現在做中學，是值得探討和需要解決的關鍵問題。

為此，本次實踐型教學改革研究探索主要針對該課程的設置特點，參照培養目標、畢業要求和教學大綱，協調相關課程，積極進行教學內容改革，開發出既有利于夯實學生基礎，又能提高學生解決實際問題能力的教學計劃和課程教案。為提高課堂教學效率，采用多種教學方式相結合，使表現形式更加豐富、生動和直觀，以此來吸引學生的學習注意力，激發學生的學習興趣。根據課程內容和學生特點，在教案中制定具體方法步驟，增加個性化和前沿內容。同時，增加適當的專題報告，一方面作為教材內容的補充，另一方面有利于多樣化教學。在此基礎上擴大學生知識面，提高學生專業素養以及實踐能力，培養學生分析問題和處理問題的能力。增加應用型和實例型作業，開發設計與教材相配套的練習題。教師結合承擔的相關科研工作，向學生介紹該學科領域近年來取得的一些新成果、新進展及新技術，鼓勵學生參與教師科研，以此培養學生的科研能力。此外，制訂合理的考核計劃以及考核內容，建立與之相適應的評價體系和反饋機制，全面檢驗學生學習和教師講授效果，并持續改進以實現教與學的最優化。

2 教學設計改革探討

數字信號處理主要內容包括離散時間信號與系統的時域分析、頻域分析，離散傅里葉變換，快速傅里葉變換，數字濾波器的設計，數字濾波器的結構和多采樣率數字信號處理。通過該課程的學習，能夠讓學生掌握基本概念和基本分析方法，在此基礎上建立數學模型，用于解決計算機信息處理的實際問題。長期以來，本課程的課堂教學形式主要采用板書式單一教學方式。教師板書推導、講解，學生課堂上聽教師講，課后通過完成作業來鞏固課堂學習的內容。在這種學習情境下，學生的時間和精力被繁雜的計算推導所占用，而未必能理解解題背后的正真意義。此次實踐型教學改革探索的具體教學設計思路如下。endprint

通過協調相關課程，整合教學內容，拎主線、抓關鍵，去粗取精 主要闡述離散系統、頻譜分析及濾波的基本原理和方法，用實用、易懂的理論推導并講解，通過實例對數字信號處理相關的基本原理和方法進行全面介紹，增加專題講座和前沿動態介紹以及實用案例教學，從而使學生掌握離散系統和離散信號的基本特性，掌握離散信號各種變換、數字濾波的基本方法，掌握數字濾波器的設計以及數字濾波器的特點，并且能夠靈活運用這些理論知識解決實際問題。

豐富教學手段和方法 在講授過程中可采用啟發式教學、討論式教學、多媒體示范教學等方法，互相補充、揚長避短，激發學生興趣，吸引學生主動學習。對于一些公式的推導，邏輯性和推理性強，如果采用多媒體教學的話，PPT翻新太快，學生來不及思考。因此，這部分內容采用板書，把握好學生節奏，逐步推理。對于難以接受的抽象概念，學生需要形象直觀地認識。教師利用多媒體教學手段和仿真軟件進行圖形和動畫展示，在提高學生興趣的同時，使難以理解的內容通過形象化的界面給學生留下深刻印象。

此外，在整個教學過程中，如果自始至終都由教師來講，會比較枯燥，因此嘗試選擇一些較為簡單的章節讓學生來講解。學生通過準備和制作課件，加深對理論知識的了解，激發學習的興趣，也培養了表達能力。教師在此基礎上對學生所講的內容進行點評并補充。這樣一方面會調動學生的積極性，充分做好預習工作；另一方面，自己的同伴當小老師對于學生來說是新奇的，更容易激發學習興趣。

實驗與教學相互補充、相輔相成 對于一些基礎性、驗證性實驗可以穿插在教學過程中進行，以多媒體的方式展現，這樣既可以加深學生對理論知識的理解，又能節省實驗課時，騰出時間增加一些設計性、綜合性實驗，培養學生靈活應用所學知識解決實際問題的能力，以適應實踐型需求；設計一些復雜性的工程問題，通過學生組隊完成，不僅可以提高學生解決問題的能力，而且能夠培養學生的團隊合作能力。

合理布置作業與充分利用第二課堂 合理布置作業，注重完成效果，安排時間進行課外答疑與輔導工作。通過組織學生參加實踐活動，參與學術水平較高、實踐經驗豐富的專業教師的研究課題，培養學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力和創新精神；充分利用課后時間調動學生自主學習，跟蹤分析完成情況，并反饋到教學中。

3 實驗課程改革探索

數字信號處理實驗課程是對課堂教學的補充和提升。目的是通過各類實驗，加深學生對課堂所學理論知識的理解，通過案例，編寫MATLAB程序來解決信號分析和處理問題。之前所設置的實驗都是簡單單一的實驗項目，很難讓學生將理論很好地聯系到實際應用中，因此非常有必要對實驗模式進行改革，建設綜合實驗體系。根據該課程的內容特點和教學目的，科學合理地設置實驗項目，制訂基礎型、提高型、研究型三層次的實驗教學方案[4-5]。

基礎型實驗主要是一些驗證性實驗，包括時域離散信號和系統時域分析、時域離散信號和系統頻域分析、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換。每個實驗對應課程的一部分基礎理論內容，主要用于鞏固和理解數字信號處理基礎理論，用以幫助學生加深對知識點的理解，明確具體的實驗過程，這些可以在學生預習環節完成。

提高型實驗包括數字濾波器設計實驗，有IIR數字濾波器設計、FIR數字濾波器設計等。這些具體的信號處理實例能夠加強學生對濾波器基本理論的理解和實踐能力，這部分內容作為課堂驗證實驗。

基于項目的研究型實驗設計有一定的開放性，能夠讓學生對各個知識點都融會貫通，又能提高工程實踐能力和團隊合作精神，為以后就業從事相關的工作做好準備。這類實驗主要由教師課后指導，學生組隊完成。

實驗考核方式也做了相應調整，分別是基本實驗和綜合能力兩部分。基本實驗又基于實驗過程和實驗結果兩個方面進行評分：每次實驗結束前以提問的方式對實驗過程的關鍵要點進行考核，依據回答情況給出實驗過程得分；在實驗結束后，學生需完成實驗報告，分為預習報告和實驗報告，依據實驗報告的撰寫情況給出實驗結果考核分數。

綜合能力考核用于考查學生綜合應用該課程知識與方法的能力，通過項目設計和小論文兩方面進行考核。依據設計的項目和提交小論文的原創性、新穎性和現實意義等給出綜合能力分。

按照以上實驗課程改革思路實施教學改革，既可以加深學生對基礎知識的掌握和鞏固，又能培養學生對所學知識的綜合應用能力，使學生更加直觀地領會常用的基本分析、設計方法和處理結果，有利于調動學生的學習積極性和興趣，提高解決復雜工程問題的能力，培養適應社會需求的實踐型人才。

4 多層次的考核激勵與持續改進機制的建立

為提高學生的綜合素質和實際應用能力，培養創新精神，應同時建立相應的多環節綜合考核評價機制，全面檢查學生各方面綜合能力。改革本門課程原有筆試為主的考核方式，增加出勤成績、作業成績、實驗成績組成，綜合表現、第二課堂評價成績等，采用多層次評價以體現學生的綜合素質。同時，建立評價體系和反饋機制，將階段性效果反饋至教學中，對教師的授課內容、授課方式、實驗內容以及綜合設計等進行不斷總結和調整，逐步實現教與學的最優化。

5 結語

針對工程認證背景下數字信號處理課程教學過程中存在的問題與不足，提出基于實踐的教學改革思路。此改革探索以理論為基礎，優化實踐與考核方式，注重培養學生的應用能力、團隊合作能力及系統工程能力。這種教學改革模式將理論學習與實踐訓練相結合，有利于培養學生獨立思考、分析問題與解決問題的能力，加強合作和溝通技巧，促進綜合實踐與創新能力，有助于高層次工程技術人才的培養。

參考文獻

[1]熊美英，謝水珍.《數字信號處理》課程教學改革研究[J].科技資訊，2016，14（27）：70.

[2]沈希忠.數字信號處理課程的應用型教學模式探索[J].高教學刊，2016（22）：98-99.

[3]陳俊杰，周暉.數字信號處理課程教學改革初探[J].中國教育技術裝備，2016（12）：99-100.

[4]何朝霞.數字信號處理實驗教學改革的探索[J].實驗室科學，2015，18（3）：103-105.

[5]江朝抒，陳祝明，段銳.面向工程設計的數字信號處理實驗系統[J].實驗科學與技術，2015，13（5）：35-37.endprint