數字信號處理在研究生教學中的“分層信息化”教學模式探討

徐瑩 葛亞坤 厲力華

摘要：文章主要分析了本學院研究生《數字信號處理》課程在教學過程中出現的一些問題，面向研究生教育提出“分層信息化”教育改革模式。同時，文章針對信息化和分層化兩個層面對該課程改革內容進行重點探討，對本專業研究生課《數字信號處理》的教與學進行具體研究和討論，在實踐中不斷摸索面向交叉學科背景為主的研究生更有效的多渠道教學途徑和方法。

關鍵詞：數字信號處理；研究生教育；課程改革

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）31-0137-02

《數字信號處理》是理工科非通信專業研究生學習離散信號處理的專業技術基礎課之一，目標是使學生掌握信號處理的基礎知識和基本方法，培養學生利用信號與系統概念分析問題、解決問題的基本思路與能力，為學習后繼課程打下必要的基礎。本課程涉及離散時間信號與系統、傅里葉變換、Z變換、數字濾波器設計等內容，教學內容體量大，抽象概念多，教與學的難度都很大，因此需要對知識點進行合理布局。其基本原則是：（1）避免面面俱到，重點關注基本概念、基本原理、工程背景及實現方法的闡述；（2）強化用數學理念分析問題，淡化數學運算與公式推導；（3）保證教學內容的系統性、先進性與實用性，希望通過對該課程的學習，保持學生學習的動力和新鮮感，使學生夯實所需基礎知識，為今后打下必要的基礎。[1]

數字信號處理課程在研究生教學實施過程中的難點主要有：（1）重理論，輕實踐。限于大綱和課時，本課程過于重視理論課程，上機實踐機會不多。眾所周知，信號處理課程的一個特點就是實踐性強，廣泛流傳于高校的一句口頭禪“信號處理高手都是在板子上泡出來的”，就形象地說明這個問題。實踐環節時間過少，使學生不能深入掌握所學書本知識。（2）實踐缺乏系統性，導致學生學完本課程后只能做一些支離破碎的練習，不能完成系統性、完整、合適規模的軟件設計訓練，動手能力較差。目前，通信技術發展很快，社會上的各個通信公司或相關企業急需系統性的信號處理人才，而目前高校的培養理念還停留在多年前的水平上，這樣培養出來的研究生不受社會歡迎是必然的事情。[2]

根據對國內外高校的調研結果和相關文獻查閱，國內高校在這方面大同小異，這應該是限于大綱和課時的要求；國外情況相對好一些，以加州大學伯克利分校等著名高校為例，比較重視信號處理實踐方面的訓練。但由于本課程交叉性強，可移植程度不高，需要根據國內情況具體分析。對于工科研究生與大學生來說，實踐環節是他們將所學理論知識轉換為實際應用的一個重要環節，實驗教學是實現該環節的主要形式[3]。針對“數字信號處理”課程，改革理念是“大大增加以面向專業特色和實際工程應用的實踐教學環節的比例”。其主要特點是根據專業領域和工程實踐增加實踐教學環節的比例。每個專業面向的對象不同，以作者所在的生儀學院為例，生物醫學工程專業主要面向醫院和生物制藥等企業，電子信息技術及儀器專業則面向各類需要電子信息處理技術的企業和公司。

它的總的改革目標是“遵循以學生為本，注重以互動式教學為核心的教學觀念，構建有利于增強求知欲和創造力的課程教學模式”；并且，積極推進國家研究生培養質量工程改革理念，培養具有專業領域特色、能夠基本獨立完成初級面向對象信號處理工作的工程師。

面向研究生開展“分層信息化”改革，主要包括如下內容：

1.在緒論階段，采用講座形式介紹與數字信號處理相關的國內外前沿知識，如微弱信號檢測、鎖相信號處理、平穩隨機信號的處理方式等，拓展學生視野，激發學習興趣。

2.在教學初期，采用引導式教學方法。通過典型的DSP應用案例引導學生了解算法原理在實踐中的應用，介紹新型芯片中的典型算法，充分利用學科建設優勢，讓學生時刻了解學科發展最新動向。

3.在教學實施中，采用啟發式教學法結合討論式教學法，增加師生互動，使學生積極主動地投入課堂。由于本課程是48學時，每次3學時，往往到最后一節課，學生的注意力已經分散，學習積極性已經懈怠，這時可以安排一些簡短的討論或者學生感興趣的前沿專題介紹，以重新活躍氣氛，鞏固教學效果。

舉例來說，根據研究生生源較難統一，且研究生教育“信息化”的特點，對于不同背景的學生進行分層教育。以生物醫學工程背景的學生為例：本專業實驗本著利用現有實驗設備和資源的原則，綜合考慮知識的重難點，對研究生的課外作業做出調整，以“綜合課程設計”的兩三個相互銜接的課題對原有知識背景中的實驗內容進行整合，基于學生現有實驗技能依次開展基本操作實驗、驗證性實驗、綜合設計性實驗。以微生物方向的研究生為例，他們熟悉微觀生物實驗，本科階段已掌握顯微鏡的基本操作，完成顯微測量、細胞形態觀察等實驗操作；設計驗證性實驗則包括活體染色、核酸存在部位及檢測方法、細胞膜的滲透壓及細胞吞噬作用等內容；在一系列生物實驗后，著重加強特定生物信號與相應軟件處理的結合工作，開展的課題可以為“生物醫學工程軟件設計”或“電子信息技術及儀器軟件設計”，將本科生階段獲得的一維、二維、三維實驗作為數據處理對象。以基本的動物生理學數據為例，將小雞或蛙心肌細胞經離體培養一段時間后的信號，通過實驗獲得存儲為txt數據格式，通過LabVIEW軟件進行數字信號處理。課題中教授的濾波方法，如鎖相處理編程及特定濾波處理，實現對微弱信號的分析，使學生掌握相應數字信號處理工具，對數據有更精進的認識。

4.在教學后期階段，采用研究式教學方法，注重學生綜合素質和創新能力的培養。通過布置思考題和課程小論文，如語音信號的去噪和美化處理、圖像壓縮和重建等的方式，引導學生運用DSP技術分析解決實際問題，踐行“學以致用”的理念。

在提高階段，我們嘗試由學生結合所學知識通過虛擬儀器實驗平臺自行設計傳感器實驗軟件。虛擬儀器技術是儀器智能化發展中尤為重要的一步。課程增加的實驗內容要求學生學習使用LabVIEW或VB、VC等開發軟件，設計簡潔明了的用戶交互界面。學生學習使用各種類型的傳感器，將各種形式的信號轉換為電信號，通過信號放大和濾波等調理電路的預處理，再經過數據采集卡將處理后的信號轉換為數字信號輸入計算機的虛擬儀器。學生須通過自己設計的用戶界面完成被測對象信息的實時采集、顯示、存儲和處理，輸出相應的控制信號。

總之，綜合利用多種教學方法，是為了提升教學質量和教學效果，也就是轉變教學重心，從關注教轉向關注學。在此基礎上，我們在課程網站上開展實時或非實時的教學活動，進行課下討論、答疑和交流，以英文文獻為主擴充信息化教改思路，增加對課堂理論知識的理解。[3]討論時，以學生為主體進行發言，教師負責引導、把握和厘清關鍵問題。

參考文獻：

[1]陳純鍇，關雪梅，徐妮妮，等.現代數字信號處理研究生課程[J].高師理科學刊，2018，（2）：80-83.

[2]代萌，徐燦華，夏軍營，等.本科生與研究生數字信號處理課程差異化教學模式分析[J].醫療衛生裝備，2018，（5）：87-89.

[3]孫軍偉，黃春.建設研究生課程案例庫，保障高水平應用型人才培養[J].中國電力教育，2016，（1）：78-81.