多管齊下提高數字信號處理的教學質量

胡潔

摘? 要：數字信號處理作為通信電子類專業的專業基礎課，具有涵蓋知識面廣、內容抽象、理論性強等特點。傳統教學方法著重于知識點的講解，但缺少輔助手段，因此往往效果不盡如人意。該文通過思維導圖引導學生記憶、Matlab軟件演示加深理論理解、案例講解加強學生對實際問題的解決能力三個方面對該課程進行了教學改革的探討，達到了激發學生學習興趣、提高教學效果的目的。

關鍵詞：數字信號處理? 思維導圖? Matlab軟件? 案例講解? 教學改革

中圖分類號：TN911.72-4 ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）04（c）-0112-02

數字信號處理系統被廣泛應用于工業、農業、軍事等各個領域中，其重要性不言而喻。數字信號處理作為一門理論性和實踐性都較強的課程，學好它不僅有助于本科學生初步掌握信號處理中的概念和基本算法、培養學生應用數字信號處理分析和解決問題的能力，也為后續進一步從事數字信號處理理論研究或應用實踐打下良好基礎，有助于培養應用型、行業特色型人才。但數字信號處理課程由于其理論性強、內容抽象且覆蓋面廣，學生在學習這門課程時往往感覺枯燥、主動學習性較弱，導致最終教學效果不甚理想。這里，我們從思維導圖、Matlab輔助、案例分析3個方面入手，激發學生學習興趣，提高教學質量。

1? 思維導圖在數字信號處理中的應用

思維導圖由英國學者托尼·巴贊提出[1]，是一種有效將思維形象化的圖形思維工具。它通過樹形結構，將各級主題的關系用相互隸屬與相關的層級圖表現出來，具有直觀友好、層次清晰等特點。教師在備課時可用思維導圖制定合理的教學計劃、組織教學內容，為上好每一堂課做好準備，使課堂教學更為清晰合理。

在數字信號處理教學中，引入思維導圖有助于學生串起各個分散知識點，更好地把握各個概念、算法之間的聯系。例如，數字信號處理課程中，包含各類信號分析方法，如Z變換、DTFT（序列的傅立葉變換）、DFT（離散傅立葉變換）、FFT（快速傅立葉變換），這些信號分析方法是后續進行信號處理的基礎，具有十分重要的意義。但是這些算法公式繁多、不易記憶，彼此之間存在的關系也讓學生顧此失彼。通過引入思維導圖，不僅對每種變換有直觀地認識，而且將不同算法聯系起來，建立了各個知識點之間的聯系。

此外，在課堂以外，要求學生在每章節結束后畫出手繪思維導圖，通過對知識點的整理和歸納，反思自己的學習過程，形成清晰的知識網絡。

2? Matlab課堂演示和實驗

Matlab因其專業的信號處理工具箱、友好的編程環境、強大的數值計算和符號計算功能，在數字信號處理中得到了廣泛應用[2]。在信號處理教學中，教師也可以根據實際教學內容，編寫相關程序，通過課堂展示有助于教師更好地闡述教學內容，學生更容易理解相關知識點。例如，在信號的抽樣和恢復中，通過改變采樣序列的頻率，觀察恢復后的信號和原信號的區別，從而更好地理解采樣定理。

除了課堂理論教學加入Matlab演示之外，還增加數字信號處理的Matlab實驗作為課堂內容的補充。如FIR數字濾波器的加窗設計，如果僅僅在課堂上通過理論學習，學生會很難理解各個窗函數的區別。通過Matlab信號處理工具箱或簡單的Matlab函數，學生選擇不同的窗函數以及相應的參數，可以很直觀地看出不同的窗函數之間的差別，如圖1所示。通過自己動手編寫Matlab程序，學生不僅進一步理解了理論知識，更牢固地掌握了相關知識點，同時有助于克服對信號處理學習的畏難情緒，使數字信號處理這門課程更順暢地開展。

3? 基于問題引導的案例分析

數字信號處理在諸多領域都發揮著重要作用，因此該課程是一門理論和實踐相結合的課程。在課堂教學時通過加入案例引導學習，不僅豐富了課堂教學內容，而且提高了學生學習的積極性，培養了學生自主思考、發現和解決問題的能力[3-4]。例如，在學習了IIR和FIR濾波器的設計后，給學生演示語音消噪的案例。首先讓學生聽一段語音信號，然后在該語音信號中加入噪聲，讓學生體會兩者在聽覺、時域和頻域上的差別。接著，利用IIR濾波器和FIR濾波器對該加噪信號進行低通濾波處理，當選擇不同的參數時，同樣讓學生觀察處理后的語音信號和之前兩個語音信號的差別。在該語音信號消噪的案例的講解過程中，教師始終引導學生思考，加入噪聲后時域信號和頻譜分別產生了什么變化？IIR濾波器如何合理選擇參數？在采用FIR濾波器對加噪信號處理時，選擇不同的窗函數和階數對結果造成了什么影響等等。案例講解過程中始終圍繞問題進行，讓學生帶著問題和好奇心緊跟教師的思路，和教師積極互動，提高了對相關知識點的興趣并加深了理解。

4? 結語

數字信號處理是一門重要的專業基礎課程，其數學推導多、內容相對比較枯燥，因此很難引起學生的興趣。我們在傳統的教學方式之外，通過引入思維導圖、Matlab軟件平臺和案例講解，激發了學生的學習熱情，培養了學生思考問題、解決問題的能力，取得了較好的教學效果。

參考文獻

[1] 東尼·巴贊，巴利·巴贊.思維導圖[M].北京：中信出版社，2009.

[2] 沈再陽.精通Matlab信號處理[M].北京：清華大學出版社，2015.

[3] 陳海燕，何繼愛，藺瑩.基于問題引導的數字信號處理課程教學方法研究與實踐[J].教育教學論壇，2018（4）：173-174.

[4] 胡海東.《數字信號處理》課程教學改革探討[J].科技資訊，2012（34）：180.