《數(shù)字信號(hào)處理》雙語(yǔ)教學(xué)改革研究

王嬋飛 許亞美 何繼愛(ài) 陳海燕

[摘 要] 針對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》課程理論性強(qiáng)、概念抽象的特點(diǎn)，總結(jié)認(rèn)識(shí)在教學(xué)中存在的問(wèn)題，探索并采用雙語(yǔ)教學(xué)模式，同時(shí)結(jié)合信號(hào)處理專業(yè)國(guó)內(nèi)外最新的相關(guān)研究成果，有效地提高學(xué)生的實(shí)踐能力和專業(yè)科研能力。

[關(guān)鍵詞] 《數(shù)字信號(hào)處理》;雙語(yǔ)教學(xué);實(shí)踐;科研能力

[資助項(xiàng)目] 蘭州理工大學(xué)高等教育研究項(xiàng)目（GJ2019B-13）

[作者簡(jiǎn)介] 王嬋飛，蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院教師。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）19-0154-02? ? [收稿日期] 2019-10-22

一、引言

現(xiàn)階段，教育國(guó)際化已成為高等教育的發(fā)展趨勢(shì)，雙語(yǔ)教學(xué)也成了高等教育走向國(guó)際化的必經(jīng)之路[1]。針對(duì)本科院校中的某些專業(yè)適時(shí)地推廣雙語(yǔ)教學(xué)，這不僅符合國(guó)際潮流，也是目前我國(guó)高等教育教學(xué)的重點(diǎn)。近年來(lái)，部分國(guó)內(nèi)學(xué)者在雙語(yǔ)教學(xué)方面進(jìn)行了深入的探索，取得了一定的成果[2]。《數(shù)字信號(hào)處理》課程是通信工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等工科、電類及其相關(guān)專業(yè)本科生的一門重要學(xué)科基礎(chǔ)課。該課程的教學(xué)內(nèi)容涉及數(shù)字信號(hào)和系統(tǒng)的時(shí)域、變換域分析以及數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論和算法實(shí)現(xiàn)，為學(xué)生學(xué)習(xí)圖像處理、語(yǔ)音處理、雷達(dá)信號(hào)處理、通信信號(hào)處理等更專業(yè)的信號(hào)處理知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[3]。因此，該課程的教學(xué)效果直接關(guān)系到相關(guān)專業(yè)學(xué)生的科研能力。因而我校基于通信工程專業(yè)對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》課程施行教學(xué)改革，采用雙語(yǔ)教學(xué)模式，注重對(duì)學(xué)生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)，提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

二、實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的專業(yè)課題融合

在以往的課件中加入風(fēng)格不同的教學(xué)內(nèi)容，將科研工作融入課堂教學(xué)，即教師把自己在科研過(guò)程中總結(jié)的精華與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，增加國(guó)際前沿學(xué)術(shù)論文及方法的分析環(huán)節(jié)，將學(xué)生所學(xué)知識(shí)和最新的信號(hào)處理課題相結(jié)合，篩選部分適合學(xué)生參考學(xué)習(xí)的科學(xué)研究結(jié)果。例如，在講到時(shí)頻域信號(hào)采樣定理時(shí)，可以適當(dāng)引入目標(biāo)定位與跟蹤的課題：在智能環(huán)境中，如何利用音頻信號(hào)進(jìn)行采集和高效的定位;如何通過(guò)攝像機(jī)進(jìn)行視頻信號(hào)的采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的定位與跟蹤。通過(guò)此種雙語(yǔ)教學(xué)方式將帶來(lái)如下幾方面的好處：（1）可使同學(xué)們了解到通信領(lǐng)域相關(guān)的世界前沿科研成果及方法[4]，開(kāi)闊學(xué)生視野。（2）將最新的學(xué)術(shù)前沿知識(shí)引入課堂，與學(xué)生的專業(yè)知識(shí)得以融合，會(huì)增加學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力和熱情。（3）通過(guò)查看專業(yè)相關(guān)論文，可使同學(xué)們盡早熟悉專業(yè)課題中的英文表達(dá)方式，為進(jìn)一步做好自己感興趣的科研工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、增加實(shí)際工程案例的分析

為進(jìn)一步提高課程教學(xué)質(zhì)量，在教學(xué)過(guò)程中增加與工程實(shí)際問(wèn)題緊密結(jié)合的實(shí)際案例[5]，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

案例1：在學(xué)習(xí)無(wú)線沖激響應(yīng)（IIR）數(shù)字濾波器時(shí)，針對(duì)工程中經(jīng)常碰到的問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生思考如下問(wèn)題：設(shè)計(jì)一個(gè)IIR數(shù)字低通濾波系統(tǒng)，對(duì)一段含有高頻噪聲的音樂(lè)信號(hào)濾波去噪。在這種情況下如何有效去除高頻噪聲？該問(wèn)題的解決重點(diǎn)是讓同學(xué)們開(kāi)動(dòng)腦筋，利用Matlab編程設(shè)計(jì)一個(gè)IIR濾波器，通過(guò)濾波去除高頻噪聲。將含噪音樂(lè)信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜儀通過(guò)濾波器濾除高頻干擾后的音樂(lè)信號(hào)時(shí)域波形和頻譜進(jìn)行對(duì)比，得出有效的結(jié)論。

案例2：在提到“相關(guān)”運(yùn)算的概念時(shí)，引入相關(guān)在信號(hào)檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用。例如，由信號(hào)y的波形很難直接判斷信號(hào)y中是否存在周期性信號(hào)x，這時(shí)可以分別計(jì)算并畫(huà)出信號(hào)y和信號(hào)x的相關(guān)函數(shù)。通過(guò)觀察“相關(guān)”運(yùn)算后的結(jié)果，即可判斷y中是否存在周期信號(hào)x。

案例3：在討論滑動(dòng)平均的系統(tǒng)去噪問(wèn)題時(shí)，假設(shè)原始信號(hào)為：s[k]=5+2cos（0.02πk）+（2k）0.9，經(jīng)噪聲干擾的信號(hào)為：x[k]=s[k]+n[k]，其中n[k]為噪聲信號(hào)。這時(shí)即可利用M點(diǎn)滑動(dòng)平均系統(tǒng)進(jìn)行去噪，其輸入—輸出關(guān)系為：y[k]=x[k-n]。利用M點(diǎn)滑動(dòng)平均系統(tǒng)去噪的效果如上圖所示。相關(guān)的Matlab代碼如下：% Signal Smoothing by Moving Average Filter，N = 201;n = 1.0*rand（1，N）-0.5;k=0：N-1;s=2*k.*（0.9.^k）+2.0*cos（0.02*pi*k）+5.0;x=s+n;subplot（2，1，1）;plot（k，n，'k-'，k，s，'b--'，k，x，'m-'）;xlabel（'Time index k'）; legend（'n[k]'，'s[k]'，' x[k]'）;M =5;b = ones（M，1）/M; a =[1];y = filter（b，a，x）;subplot（2，1，2）;plot（k，s，'b-'，k，y，'r-'）;xlabel（'Time index k'）;legend（'s[k]'，'y[k]'）;根據(jù)此類工程案例的特點(diǎn)，不斷地從實(shí)際問(wèn)題中進(jìn)行歸納總結(jié)，選擇合理的技術(shù)措施正確地解決問(wèn)題，這不僅可以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐動(dòng)手能力，還可進(jìn)一步激發(fā)他們解決實(shí)際工程問(wèn)題的興趣。

四、選擇經(jīng)典英文教材

本次教改的目的之一是要提高學(xué)生的科研能力。目前在《數(shù)字信號(hào)處理》教材選擇方面，有幾個(gè)版本的英文教材非常經(jīng)典，值得推廣。在這里，以傅立葉變換和濾波器的設(shè)計(jì)為主推薦其中的兩本。

1.由Steven W.Smith主編的Digital Signal Processing：A Practical Guide for Engineers and Scientists， 此書(shū)淺顯易懂，對(duì)相關(guān)概念的物理意義描述很清晰，公式推導(dǎo)很少，對(duì)數(shù)學(xué)功底的要求較低，非常適合零基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者，是入門者的不二選擇。同時(shí)，對(duì)有一定數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的讀者也會(huì)有很大的啟發(fā)。

2.由John G.Proakis主編的Digital Signal Processing，該書(shū)內(nèi)容非常豐富，大致包括了數(shù)字信號(hào)處理課程本科和研究生階段的全部?jī)?nèi)容，數(shù)學(xué)推導(dǎo)很嚴(yán)謹(jǐn)，適合于有一定數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)的研究者。以上兩本書(shū)風(fēng)格不同，但在數(shù)字信號(hào)處理類圖書(shū)中都是堪稱經(jīng)典的教材。由Smith主編的教材不屬于學(xué)院派的風(fēng)格，但布局獨(dú)特，內(nèi)容通俗易懂，適合自學(xué)。由Proakis主編的教材，是從系統(tǒng)性的角度介紹數(shù)字信號(hào)處理的基本概念和基礎(chǔ)理論，將通俗化與嚴(yán)謹(jǐn)性進(jìn)行了很好的結(jié)合。同學(xué)們可針對(duì)自己的實(shí)際情況選擇適合自己的參考書(shū)。

五、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》課程理論性強(qiáng)、概念抽象的特點(diǎn)，總結(jié)認(rèn)識(shí)在以往教學(xué)中存在的問(wèn)題，探索并采用雙語(yǔ)教學(xué)模式，選擇經(jīng)典英文教材的同時(shí)，結(jié)合信號(hào)處理專業(yè)國(guó)內(nèi)外最新的相關(guān)研究成果，增加對(duì)實(shí)際工程案例的分析，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效地提高學(xué)生的實(shí)踐能力和專業(yè)科研能力。

參考文獻(xiàn)

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Research on the Bilingual Teaching Reform of "Digital Signal Processing"

WANG Chan-fei， XU Ya-mei， HE Ji-ai， CHEN Hai-yan

（School of Computer and Communication， Lanzhou University of Technology，

Lanzhou， Gansu 730050， China）

Abstract：Aiming at the characteristics of complex theory and abstract concept of "Digital Signal Processing"， this paper discusses the problems in the teaching and explores the bilingual education mode combined with the latest relevant research results of signal processing profession，thereby effectively improving students' practical ability and professional scientific research ability.

Key words："Digital Signal Processing"; bilingual education; practice; research capabilities