面向飛控信專業的《數字信號處理》課堂教學改革與實踐

張超 田薇 王海濤 周勇

摘 ?要：飛行器控制與信息工程（簡稱：飛控信）是教育部新增設的本科專業，具有典型的新工科特點。為適應新專業人才培養的新要求，對《數字信號處理》課堂教學的教學內容、教學方法和教學模式進行了改革，闡述了三注重、三變為和三實施的具體措施，給出了典型示例。實踐表明該改革思路為飛控信專業課開展課堂教學革命提供了有益探索。

關鍵詞：飛行器信息與控制工程;新工科;數字信號處理;課堂教學革命

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）12-0126-03

Abstract： Flight Control and Telecommunications （FCT） is a new undergraduate specialty added by the Ministry of Education and has typical characteristics of emerging engineering. In order to meet the new requirements of new specialty， the teaching content， teaching method and teaching mode of classroom teaching of Digital Signal Processing （DSP） have been reformed. The concrete measures of "Three Focuses， Three Changes" and "Three Implementation" have been elaborated， and typical examples have also been given. The practice shows that this reform idea provides a useful exploration for the classroom teaching revolution of FCT courses.

Keywords： flight control and telecommunications; emerging engineering; digital signal processing; classroom teaching revolution

一、概述

現代飛行器功能、性能以及安全性、經濟性、可靠性的提高，迫使飛行器越來越朝著信息化、綜合化和智能化方向發展。《數字信號處理》[1]曾是西北工業大學航空學院電子信息工程專業的專業基礎課，而現在是飛行器控制與信息工程新專業的重要專業課程。由于聽課學生的專業類型和新工科人才培養要求發生了重要變化[2]，該課程也必須進行調整和變化。基于這一現實需求，本文對《數字信號處理》課堂教學的教學內容、教學方法和教學模式進行了探索和嘗試，具體闡述了三注重、三變為和三實施的改革思路和實踐示例。

二、通過“三注重”更新教學內容

（一）注重各種變換之間的物理內涵關聯歸納

一般來說，《數字信號處理》先修課程有《信號與系統》和《復變函數和積分變換》，教學內容中就涉及到了大量的數學變換，具體包括：連續非周期信號的傅里葉變換（簡稱CTFT）、連續周期信號的傅里葉級數（簡稱CTFS）、離散非周期信號的傅里葉變換（簡稱DTFT）、離散周期信號的傅里葉級數（簡稱DTFS）、有限長離散信號的離散傅里葉變換（簡稱DFT）及其快速傅里葉變換（簡稱FFT）這6種頻域變換，以及連續信號的拉普拉斯變換（簡稱ST）和離散信號的Z變換（簡稱ZT）這2種復頻域變換。數學公式多，學生普遍反映學習難度大。本課程適當淡化了這些變換的數學推導，注重了各種變換之間的前后聯系及其物理內涵，如圖1所示。

（二）注重先進飛行器信號處理實際應用案例

積極將科研工作中涉及到的信號處理內容融入到課程內容中，結合飛行器控制和信息工程新本科專業的新培養要求，加強飛行器狀態信息產生、獲取、傳輸和處理的教學內容。例如，以軍民融合戰略為聚焦點，積極將航空弱磁信號測量技術和無人機空地通信方面的科研成果引入教學內容，增強學生的信號處理理解能力。通過實際案例擴展了學生視野，也增添了學習興趣。

（三）注重MATLAB數字信號處理編程內容

Matlab應該可以說是目前學習數字信號處理各種理論算法的最好編程平臺了，本課程積極將Matlab數字信號處理編程引入課程教學，專門用4次課時間集中講解和演練各類信號處理和濾波器設計編程。

三、通過“三變為”改進教學方法

（一）變“重復式全講”為“類比式略講”

信號變換在數字信號處理課程中占了很大篇幅，數學公式多，推導證明多，習題難度大。若按照“公式定義→基本性質→特點分析→具體應用”這條常規的重復式全講思路去講授每一個變換，授課效果肯定不會好，一是因學時所限每種變換無法徹底講透，二是學生上課聽講時更會被各種數學公式難住而迷失。為此，授課時積極開展類比式略講，對同一類知識點進行歸納和類比，首先精講一個知識點，然后重點分析他們的區別和聯系，最后再推廣到另一個知識點。例如，DTFT對稱性和DFT對稱性是本課程的兩個主要知識點，授課時首先重點講透DTFT對稱性，然后再通過分析DTFT和DFT關系和區別，進而就能快速地講透DFT對稱性，如圖2所示，這樣學生理解的會更快、掌握的也會更牢固。

（二）變“平鋪式講授”為“問題式啟發”

由于信號類型不同，所采用的信號變換方法也會不同，因此各種變換的適用對象和物理含義也不同[3]。若一上來就平鋪直敘地講授這些變換的公式就過于僵化了，因此本課程講授時總是花大量精力去通過問題啟發分析出“為什么”和“如何能”這兩個方面。例如，在具體講授FFT時先用1個課時通過各種小問題一步一步啟發學生去思考為什么在學習了DFT后還要學習FFT、如何能大幅度減少DFT計算量實現FFT等等，如圖3所示啟發分析透后，帶著思路再去講授也就能水到渠成。

（三）變“呈現式演示”為“啟發式演練”

Matlab數字信號處理編程知識講解不再是簡簡單單地介紹各種函數及其參數、直接給出Matlab代碼和運行結果，盡量減少這種呈現式演示。而是改為在介紹完各種函數及其參數后，再結合具體編程要求詳細和學生一起探討編程思路，鍛煉學生的編程思維，然后給出程序的總體框架，讓學生嘗試寫出關鍵代碼行，最后通過仿真來優化代碼。通過這種啟發式演練，能迅速抓住編程的關鍵。

四、通過“三實施”改革教學模式

（一）實施“重構傳統”板書

多媒體和各類信息技術的廣泛運用有效提升課堂授課效率和授課節奏，但CTFT、CTFS、DTFT、DTFS、DFT、FFT、ST、ZT這類變換若單純通過PPT等形式展現出來，學生接受和理解起來還是很吃力。因此，這門課知識點講授時采用的是“黑板板書+PPT展示”相結合的方式，對關鍵的、必不可少的數學推導回歸傳統，用粉筆在黑板上進行推導，推導過程中既體現了思路又能引導學生思考。

（二）實施“虛實結合”實驗

負責完成飛行器信號處理仿真綜合實驗平臺、cTekSmartLabTM*測試系統及SR-500電磁屏蔽室的設備建設，有效改善了課程的實驗教學條件。通過實施數字信號硬件實驗+Matlab數字信號編程實驗+飛行器機電作動筒磁凈化信號處理虛實結合實驗三種形式，鍛煉學生的實際動手能力和工程問題解決能力。

（三）實施“混合課堂”教學

積極將雨課堂教學工具和在線課程等引入課堂教學過程中，提升授課效果。本課程重點將國家級在線課程《數字信號處理》納入教學體系中，通過課前下發預習綱要、課中重點講授和關鍵問題研討、課后輔導，實現了雨課堂+在線課程+實際課堂的“混合課堂”授課形式，在授課過程中通過設置一些小問題進行研討，開展頭腦風暴進行探究式教學。

五、結束語

本文從提升課堂教學質量角度出發，探討了飛行器控制與信息工程新專業《數字信號處理》課程教學的改革思路。通過“三注重”更新教學內容、“三變為”改進教學方法和“三實施”改革教學模式，實現了該課程課堂教學的具體授課方式，體現了新工科人才培養的目標，對開展課堂革命起到了積極的探索作用。

參考文獻：

[1]高西全.數字信號處理（第四版）[M].西安電子科技大學出版社，2018.

[2]張大良.因時而動，返本開新，建設發展新工科-在工科優勢高校新工科建設研討會上的講話[J].中國大學教學，2017（4）：4-9.

[3]李敏通，趙繼政，遲茜，等.問題教學法在“數字信號處理”課程教學中的應用[J].高教學刊，2015（21）：70-71.