應用轉型背景下數字信號處理教學模式的探討

留黎欽 林元模

莆田學院信息工程學院 福建莆田 351100

數字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。數字信號處理[1]是利用計算機或專用設備以數值計算的方法對信號進行采集、變換、估值、識別、濾波等加工處理，以達到提取信息和便于應用的目的的一門學科。在信息技術高速發展的當今世界，數字信號處理技術廣泛應用于圖像處理技術、語聲處理、智能化儀表、生物醫學與工程、通信、自動控制系統等許多新技術領域。所以學習和掌握數字信號處理技術已成為當今信息時代必不可少的一項重要內容。在2014年國務院發布文件引導一批普通的本科院校向應用型院校轉型后，莆田學院積極響應國家號召，把轉型作為第一要務。學校的轉型關系到院系的轉型，院系的轉型又關系到專業的轉型，專業的轉型最終決定于課程的改革。數字信號處理是通信、電子信息工程、計算機科學與技術、電氣和測控等專業的一門專業必修課，其在專業中的地位是相當重要的，因此對這門課程的應用性教學模式的探討勢在必行[2]。

1 教學模式探討方案

1.1 課程內容的改革

數字信號處理的基本理論知識及實踐應用既需要相對較深、較復雜的數學知識，又與工程實際有著密切聯系[3]。

(1)不能把數字信號處理當作數學課。對于莆田學院這樣的普通本科院校，學生的數學基礎不夠扎實，在教學中著重于講解概念和原理，而對于復雜的數學公式及推導稍微提及，但不做要求，學生在這門課程上的學習不能把它當作數學課，更應該側重于其在信息學科上概念的理解和應用。

(2)優化課程內容。數字信號處理主要講述的是離散系統情況下的系統分析方法及濾波器的設計和應用。其中離散時域系統的傅里葉變換和Z變換在先修課程信號與系統中已經涉及，面對這樣重復的內容，上課時這部分內容以回顧為主，而不做詳細介紹占用有限的學時，用更多的學時學習新的知識。還有關于離散系統的框圖結構，由于在信號與系統課程中已經詳細介紹過連續系統的流程圖，兩種系統流程圖有很多相似的地方，那么這部分內容將以學生自學為主，教師為輔助(起引導作用)，這樣又可以節省了學時，不僅發揮學生的自覺能動性，而且還讓學生更好地理解系統框圖[4]。

1.2 采用多元化教學方法和教學手段

1.2.1 多元化教學方法

多媒體和傳統的板書相結合，板書有利于學生理解相應的公式及推導，同時也可以吸引學生的注意力，跟上教師上課的節奏。單純的多媒體講授容易使學生發生思維疲勞，容易分散注意力。兩者結合有助于提高上課效率，學生掌握到更多的知識。

1.2.2 教學手段的改革

(1)著重介紹公式的含義，而非公式本身。數字信號處理中很多概念都以復雜的數學公式表示，如果單純地介紹公式及推導，學生往往記不住，還理解不了，那么就得用日常的口語進行解釋，側重介紹公式的含義幫助學生理解公式和應用。

(2)引進MatLab仿真進入課堂中[5]。MatLab是一個非常強大的數值計算軟件，同時擁有非常強大的畫圖功能。其中GUI界面設計可以讓人更為直觀地看到整個畫面因為不同情況出現不同的結果。在課堂教學中，用設計好的GUI結果來展現相應內容。這樣學生可以更好地理解公式以及信號之間的變換和處理后的結果，引起學生學習的興趣。例如設計一個模擬的高通濾波器，按照課本上的原理推導設計不夠直觀，那么課堂上結合GUI界面設計，根據相應的編程實現結果(如圖1、圖2所示)。

圖1 設計參數

圖2 濾波器設計類型

其中通過變化公式計算其最小階數N=2，任意用一個階數為5，由程序得到的巴特沃斯模擬高通濾波器的幅頻特性如圖3所示。

圖3 巴特沃斯模擬高通濾波器的幅頻特性

在相同的技術參數和階數情況下，得到的切比雪夫I型模擬高通濾波器如圖4所示。

圖4 切比雪夫I型模擬高通濾波器的幅頻特性

通過對圖3和圖4的比較，可以了解到各個模擬濾波器的特點和區別：巴特沃斯模擬高通濾波器在通帶內具有平坦的頻率特性，在0～400 Hz的頻率上較為平穩，在400～1 200 Hz時波形呈遞增向上趨勢，最后隨著頻率增大波形趨于平穩；過渡帶愈窄，傳遞函數無零點。與此同時，切比雪夫I型模擬高通濾波器的幅頻特性就是在0～800 Hz當中與巴特沃斯波形圖形差不多，當到達頻率800 Hz時，波形到達最高點，就開始波浪式上下起伏的變化。

1.3 實踐環節的改革

1.3.1 課堂實驗的改革

在數字信號處理課程教學過程中，實驗對理論教學有很大的輔助作用，它可以加深對理論知識的理解和應用。但是我校沒有專門的可進行軟硬件信號處理實驗的實驗室，沒有一定規模的現代信號處理實驗教學設備，實踐上采取軟件仿真技術，對一些編程能力較差的學生是極大的挑戰。探索從課堂教學和實驗環節入手，通過理論課講解課程的基本理論知識，實驗課利用MatLab軟件和現有的實驗箱設計相關的精品實驗，使學生通過實驗能夠提起學習的興趣，主動學習，更好地掌握理論知識。而理論課也可以運用實驗課的成果，聯系實際，運用實際的例子進行形象的教學，從而改變枯燥的理論教學和學生理論無法聯系實際的現象。實驗教學擬設置了基礎型、設計型和綜合型3個層次的實驗體系，并擬實行開放性實驗與開放性管理。

1.3.2 課程設計的改革

為了進一步提高學生感知數字信號處理的實際應用，進一步鞏固和拓展相關的概念、原理，由原來的1周的課程設計改為2周的課程設計，并更名為信號分析與信息處理課程設計。在為期2周的課程設計中，將安排音頻濾波處理和數字音樂合成兩個綜合實例使學生有效地將理論和實際緊密結合，增強學生軟件編程實現能力和解決實際問題的能力。通過這兩個綜合實例的學習，學生自主設計有關信號與信息處理方面的應用，最后以作品的形式提交，同時并提交一份相關的設計報告。

2 結語

數字信號處理是電子信息、通信等專業的一門專業基礎課，很多課程都是在這門課程基礎上的延伸。在應用轉型的號召下，這門課程的改革是一個不斷探索的過程，以實際應用為中心，結合課程內容，采用合適的教學方法，激發學生的學習興趣。將在以后的教學中不斷地總結歸納，不斷地提高教學質量。