基于數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)實(shí)踐與探索

初萍

摘 要 針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)過(guò)程中碰到的問(wèn)題，對(duì)教學(xué)過(guò)程中采用的方法及實(shí)驗(yàn)設(shè)置進(jìn)行了改革探索，首先強(qiáng)化數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的概念，明確本課程在實(shí)際數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中的作用，其次及時(shí)對(duì)章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行梳理，能熟練抓住理論的知識(shí)點(diǎn)及相互之間的關(guān)系，并且在實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)中設(shè)置與個(gè)人相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，收到了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 數(shù)字信號(hào)處理 教學(xué)實(shí)踐 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

隨著信息、通信、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理理論得到快速的發(fā)展，它被廣泛地應(yīng)用于科技領(lǐng)域，如通信、生物、醫(yī)學(xué)、航空航天及國(guó)防軍工等，推動(dòng)了現(xiàn)代社會(huì)和科技的發(fā)展。[1]數(shù)字信號(hào)處理課程是各大院校相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，深圳大學(xué)信息工程學(xué)院將“數(shù)字信號(hào)處理”課程作為全學(xué)院各專業(yè)學(xué)生的學(xué)科專業(yè)核心課程，設(shè)置于大學(xué)三年級(jí)上學(xué)期，對(duì)前期需要微積分、復(fù)變函數(shù)、概率統(tǒng)計(jì)、信號(hào)與系統(tǒng)等課程為基礎(chǔ)，對(duì)后期是隨機(jī)過(guò)程、數(shù)字圖像處理、語(yǔ)音信號(hào)處理等課程的基礎(chǔ)課程，所以它在本學(xué)院的專業(yè)課程中起著重要的作用。

數(shù)字信號(hào)處理是一門以算法為核心的理論性很強(qiáng)的課程，由于該門課程的概念比較抽象，理論推導(dǎo)需要較深的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，學(xué)生理解和掌握這門課程具有一定的難度，而且抽象的理論學(xué)習(xí)過(guò)程碰到問(wèn)題時(shí)容易打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，為了改善學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及提高教學(xué)效果，從2015年起，本學(xué)院電子信息工程專業(yè)的數(shù)字信號(hào)處理課程在教學(xué)過(guò)程中加入了仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)以Matlab軟件為基礎(chǔ)，與教學(xué)內(nèi)容相對(duì)應(yīng)，對(duì)難以理解的理論部分設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，通過(guò)可視化的圖形來(lái)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論的理解，實(shí)驗(yàn)的設(shè)置對(duì)教學(xué)效果起到了良好的鞏固作用，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的理解，并調(diào)動(dòng)了學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)積極性。

1 教學(xué)情況及常見(jiàn)的學(xué)習(xí)問(wèn)題

針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程在教學(xué)過(guò)程中存在的理論學(xué)習(xí)難理解、較抽象的問(wèn)題，很多學(xué)校或老師采用了Matlab仿真實(shí)驗(yàn)課堂演示或是Flash演示的方法，[2]也有部分學(xué)校增加了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，[3]都收到了一定的效果，本學(xué)院的電子信息工程專業(yè)也從2015年開始增加了Matlab仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，其中的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置了七個(gè)實(shí)驗(yàn)，包括兩個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涵蓋卷積、相關(guān)運(yùn)算、LSI系統(tǒng)表征、FFT應(yīng)用、濾波器設(shè)置等數(shù)字信號(hào)處理的關(guān)鍵理論內(nèi)容。

筆者參與了所在學(xué)院電子信息工程專業(yè)的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，并且在新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置后，承擔(dān)了2015年和2016年兩個(gè)學(xué)期的教學(xué)工作，通過(guò)教學(xué)過(guò)程中的實(shí)踐情況，對(duì)現(xiàn)在教學(xué)過(guò)程中的情況進(jìn)行總結(jié)。由于Matlab仿真軟件的可視化，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，學(xué)生可以比較直觀的看到仿真圖形，驗(yàn)證課堂的理論內(nèi)容，收到了較好的實(shí)踐效果，但是實(shí)踐過(guò)程中存在的問(wèn)題有：一方面雖然Matlab軟件比較容易使用，但是對(duì)于沒(méi)有基礎(chǔ)的同學(xué)來(lái)說(shuō)剛使用Matlab軟件還需要一個(gè)過(guò)程，另外一方面，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置為固定內(nèi)容，很容易照搬其他同學(xué)的程序，還有一個(gè)問(wèn)題就是仿真結(jié)果仍然是電腦顯示的圖片等方式體現(xiàn)，不能具體實(shí)物操作，感受不到數(shù)字信號(hào)處理在實(shí)際中的技術(shù)應(yīng)用，所以在前期教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上仍需要進(jìn)一步思考數(shù)字信號(hào)處理的教學(xué)方式。

2 教學(xué)探索實(shí)施的情況

針對(duì)教學(xué)過(guò)程中碰到的問(wèn)題，對(duì)教學(xué)過(guò)程中的一些方法進(jìn)行了改進(jìn)加強(qiáng)，并且在實(shí)驗(yàn)課中設(shè)計(jì)了一些學(xué)生感興趣的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步鞏固理論知識(shí)，并且讓學(xué)生可以切身體會(huì)到數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)際系統(tǒng)中的作用。

2.1 加強(qiáng)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的概念

通常數(shù)字信號(hào)處理課程的緒論中，我們都會(huì)講解數(shù)字信號(hào)處理的系統(tǒng)框圖，如圖1，給學(xué)生介紹數(shù)字信號(hào)處理的流程，但是一般情況下緒論的內(nèi)容我們都做簡(jiǎn)單的介紹。

而實(shí)際教課過(guò)程中如果以數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)框圖為基礎(chǔ)，舉一個(gè)與每個(gè)人息息相關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理的例子，學(xué)生可以非常好地理解數(shù)字信號(hào)處理在生活中的應(yīng)用，而且能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。比現(xiàn)在手機(jī)是每個(gè)人的必備用品，尤其學(xué)生經(jīng)常玩手機(jī)，筆者就嘗試在課堂上將圖1中的數(shù)字信號(hào)處理框圖與手機(jī)收發(fā)文字信息和語(yǔ)音信息的處理過(guò)程結(jié)合，給學(xué)生講解數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程及數(shù)字信號(hào)處理課程在處理過(guò)程中的作用，課堂上收到了很好的反饋信息，通過(guò)這個(gè)方式學(xué)生很容易理解了數(shù)字信號(hào)處理的過(guò)程及作用，使得數(shù)字信號(hào)處理這門課程不再抽象，而且通過(guò)數(shù)字信息和語(yǔ)音信息的不同處理過(guò)程還可以了解不同應(yīng)用場(chǎng)合下的數(shù)字處理過(guò)程，還提升了大家對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程的好奇心。

2.2 及時(shí)整理課堂內(nèi)容

具體課程講解過(guò)程中要與系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，說(shuō)明對(duì)應(yīng)系統(tǒng)處理的作用及地位，這樣學(xué)習(xí)過(guò)程中不會(huì)將數(shù)字信號(hào)處理理論作為數(shù)字的理論來(lái)學(xué)習(xí)。本學(xué)院選用的數(shù)字信號(hào)處理教材是清華大學(xué)程佩青教授的《數(shù)字信號(hào)處理教程》，[4]課本內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容展開非常詳細(xì)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中有部分同學(xué)出現(xiàn)抓不住要點(diǎn)而去記憶一些性質(zhì)及結(jié)論，結(jié)果反而導(dǎo)致學(xué)習(xí)過(guò)程混亂，所以在講課過(guò)程中及時(shí)的對(duì)章節(jié)內(nèi)容進(jìn)行邏輯關(guān)系整理，并說(shuō)明在整個(gè)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中的位置和作用變得非常關(guān)鍵。以第1章內(nèi)容為例，簡(jiǎn)單說(shuō)明總結(jié)的方法，如圖2所示，1章結(jié)束之后對(duì)整章的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，說(shuō)明各小節(jié)之間相互的關(guān)系及每小節(jié)包含的知識(shí)要點(diǎn)，在圖2的基礎(chǔ)上還可以進(jìn)一步擴(kuò)展，這樣學(xué)生對(duì)每章的學(xué)習(xí)內(nèi)容思路就會(huì)非常清晰。

2.3 設(shè)計(jì)學(xué)生可以切身體會(huì)的實(shí)驗(yàn)

為了更好地理解鞏固理論知識(shí)，我們?cè)O(shè)置了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，其中我們?cè)O(shè)計(jì)了分析聲音信號(hào)的頻率特性的實(shí)驗(yàn)，為了激發(fā)學(xué)生的興趣，我們要求學(xué)生對(duì)自己的聲音錄音，然后使用Matlab軟件對(duì)自己的聲音信號(hào)進(jìn)行分析，分析過(guò)程中分別采用FFT的方法和CZT變換的方法。圖3和圖4是其中一組同學(xué)完成的仿真結(jié)果。其中圖3分別展示了原始錄音的信號(hào)波形及直接50000點(diǎn)的頻譜分析的結(jié)果，圖4是聲音信號(hào)50000點(diǎn)FFT的結(jié)果與1024點(diǎn)CZT變換分析的結(jié)果對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生首先通過(guò)FFT的方法得到了聲音信號(hào)的頻率范圍，并鎖定了自己聲音頻率最集中的頻率點(diǎn)大概為200Hz，接下來(lái)利用CZT變換的原理在198Hz-200Hz頻率范圍內(nèi)應(yīng)用1024點(diǎn)的CZT得到了更細(xì)節(jié)的頻率特性，鎖定更精確的個(gè)人聲音頻率集中點(diǎn)為199.4Hz。通過(guò)實(shí)驗(yàn)同學(xué)們完全掌握了FFT變換在信號(hào)頻譜分析過(guò)程中的作用，而且深刻理解了CZT在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值。

3 總結(jié)

數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)踐過(guò)程中的探索在教學(xué)的過(guò)程中收到了比較好的效果，學(xué)生能在系統(tǒng)應(yīng)用的角度上去理解數(shù)字信號(hào)處理課程的作用，設(shè)置的靈活性的實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)積極性，并且可以切身去體會(huì)數(shù)字信號(hào)處理理論在科技領(lǐng)域中的應(yīng)用與地位，使得學(xué)習(xí)過(guò)程不再是單純的理論學(xué)習(xí)，并且能更好地理解理論點(diǎn)，為本專業(yè)接下來(lái)其它課程的學(xué)習(xí)提供了良好的理論基礎(chǔ)。而且現(xiàn)在隨著現(xiàn)在通信工具的進(jìn)步，微信已經(jīng)成為大家不可缺少的一項(xiàng)通信工具，可以嘗試建立課程班級(jí)的微信群，這樣可以更實(shí)時(shí)地解決學(xué)習(xí)過(guò)程中碰到的問(wèn)題，作者本學(xué)期的課程已經(jīng)在嘗試這種方法，預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)揮比較好的作用。通過(guò)實(shí)踐中的不斷修正、探索，本文提出的方法對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程的學(xué)習(xí)具有比較好的實(shí)踐意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳俊杰，周暉.數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革初探[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2016（12）.

[2] 余穎，肖靜，劉樹博.數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革的探索和實(shí)踐[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2011.30（3）.

[3] 陳敏歌.巧用MATLAB愉悅數(shù)字信號(hào)處理課堂教學(xué)[J].科教導(dǎo)刊，2012（3）.

[4] 程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程[D].北京：清華大學(xué)出版社，2013.2.