數字信號處理課程教學改革模式探討

洛陽理工學院計算機學院 董漢磊 劉 鈞 呂治國

針對目前高等院校“數字信號處理”課程的教學情況和存在問題，根據學情特點研究了“數字信號處理”課程教學過程的結構、教學內容的設置，明確提出了就教學環節、教學方法、實踐教學法和考核方式的改革方案；通過一系列的實驗證明，這些措施可以激發學生的學習興趣，提高研究和創新能力，以達到改善教學效果的目的。

1 課程定位和特點

“數字信號處理”是高等學校電氣信息技術類專業的重要理論課程。學生學完該課程后，進而可以學習一些更為專業的后續課程，例如視頻信號和語音信號處理。講授該課程時應注意與后續課程的對接，不僅要防止重復過多，而且要保持課程的一致性。由于該課程涉及很多的數學思維方法，而且一些學生對它的基礎課程“信號與系統”掌握的不佳，這導致許多學生害怕學習它，進而厭倦學習該課程。在這種情況下，我們對“數字信號處理”課程進行教學研究和改革，以便更好地適應該課程的發展就顯得十分必要。

2 數字信號處理課程的教學現狀

在傳統的數字信號課程中，大多數只討論優化算法的基本理論和計算，很少涉及完成方法和相關的軟硬件技術，這與科學技術領域和行業的規定相去甚遠。學生學過課程后，對具體硬件了解極少，無法適應DSP硬件電路開發和應用的工作要求。由于課程內容的高度抽象性，不少學生對相關的概念和理論知識存在畏懼和厭煩心理，獲得相關專業知識的方法相對較少，這導致許多學生害怕學習本課程，甚至一直處于厭倦學習的狀態。當學生學習數字信號課程時，他們會認為課本中的許多定義都是抽象的，很難理解其中的基本理論，對一些題目的分析方法更是難于掌握。

因此，全世界的學術界都在尋找改革和創新的方法。目前，主要是沿著兩條途徑。一種是使用MATLAB等軟件工具對數據信號處理的優化算法進行仿真。另一種是介紹電子行業中常用的DSP組件，并具體指導學生完成數據信號處理的優化算法，尤其是實時（Real Time）完成。在對世界名校的社會發展要求和教育改革方法進行調查分析的基礎上，對數字信號處理課程進行了重大的改革和創新。

3 課程知識體系化

數據信號處理過程中有很多知識點，而數學過程中的計算非常復雜。根據對這門課程的深入分析，比較知識要點，找到一條圍繞課程的路線，在課程教學中只需要掌握這條路線，復雜的數學計算就可以變得更加清晰和容易記住。課程內容分為兩個控制模塊：轉換域的知識結構和數字濾波器的知識結構。

變換域的知識結構是課程的第一個控制模塊結構。首先介紹頻域離散可變信號和系統，然后根據頻域采樣定理對脈沖信號進行采樣，對離散可變時間數據信號（編碼序列）的內容進行討論。其次講述DTFT、DFS、ZT（IZT）、DFT變換的定義、性質和定理。數字濾波器的知識結構是課程的第二個主要控制模塊結構。關鍵是討論數字濾波器網絡的架構和設計方法。數字濾波器的網絡結構分為：IIR網絡結構和FIR網絡結構。從整體上看這門課程，就會發現內容沒有想象中的那樣繁瑣，抓住了課程的主線，由主線再到枝葉知識點，學習就變得容易多了。

4 教學方法改革

傳統的教學方式是一種枯燥的灌輸式課堂教學，長期以來一直無法適應當今課堂教學的發展趨勢。多媒體設備、實訓室等多種綜合教學方法，不斷提高了學生的積極性，增強合作學習能力，使課堂教學更加生動有趣。教學情境引入的環節要求教師教學的基本理論內容由淺到深，然后逐步正確指導，一步一步引導學生深入到知識的核心內容。一般的基本原理需要和實際案例緊密結合，抽象的基本原理專業知識，通過可視化的方式呈現，使學生更容易接受。為了使學生從被動學習轉變為獨立思考，必須對基礎理論定義進行仔細的劃分。探究式學習是以“培養學生發現，提出和解決困難的能力”為課程目標；使用各種主題或項目設計，設計培訓方案等；在分析問題的基礎上，解決難題的過程中，訓練學生學習科學的研究方法，從多方面獲得豐富多樣的專業知識，加強對基礎知識的理解和掌握。

5 評價體系改革

在當前階段，社會發展的趨勢提倡鼓勵式的互動課堂教學，因為不同的評價可能會對學生日后的學習和實習培訓等造成影響。因此，設計一套科學的評價體系在課堂教學改革中顯得非常重要。傳統的教學評估管理系統以期末考試成績為最終結果。現在，課堂教學的內容已經包括課堂教學，實踐教學，課程設計和生產實習等。所以評價體系也要做相應的調整。科學的評價體系應包括正常課堂表現，完成作業情況，期末考試成績，實驗表現，課程設計效果等。優秀的課堂表現一方面是上課率，另一方面是聽課質量，包括課堂教學中提出問題的回答情況和課堂教學討論的情況。根據家庭作業的布置安排，檢查專業知識的學習狀況，并注意作業中是否存在抄襲。老師可以將學生分為若干個工作小組，不同的小組具有不同的問題類型。

例如在課堂教學中，需要學生完成一項較為繁瑣的工作，可以按照每組8人進行分組。要求學生編寫信號處理優化算法程序、要求每個小組根據期刊論文的格式提交報告，以及進行論文宣講和答辯，并回答其他同學們的問題。這樣可以讓學生們更積極主動的進行學習，培養學生們的相互合作精神以及表述能力。

6 線上教學資源建設

計算機網絡的發展和應用趨勢已經顯示出其強大的優勢，因此充分利用網絡發展現代遠程教育是基礎教育改革與發展的大趨勢。僅靠課堂教學是無法解決所有問題的，因此課堂教學之外應該有相應的學習和培訓資源。這樣，教學和在線教育資源就相互補充在一起。在現階段，高校已經廣泛建立了校園寬帶，因此可以創建一個具有交互通信和靜態數據教學資源的教學網絡平臺。在這個平臺上，每個學生都可以下載或學習在線教學課件等教學內容，并且可以在家、在宿舍里隨時隨地上課。學生也可以發布討論帖，提出學習疑問和難以解決的問題。根據服務平臺上的討論帖，老師可以掌握學生學習和培訓的難點，進行有目的的講解，并隨時掌握每個學生的學習狀況。

利用當代網絡技術，學生可以瀏覽國外著名大學的相關數字信號課程的網站。通過對比研究和培訓，發現差距并立即迎頭趕上，使學生能夠了解世界其它國家課堂教學的不同之處。此外，學習和培訓海外課程的考核機制，鼓勵學生掌握數字信號處理發展趨勢的新影響，并撰寫有關數字信號處理技術的最新論文。進一步培養學生的創造力和綜合運用能力并使它達到一個新的高度。

7 加強實踐教學

實踐教學的成功進行可以促進課堂理論教學和專業知識的學習。因此，當需要增加課時來提高教學效果時，應首先增加實踐教學課時。實踐教學課時選擇的原則是：盡量減少演示和認證類型的內容，增加設計和分析類型的內容，或者增加某些經常要使用到的基礎實驗，例如系統響應及系統穩定性；時域采樣與頻域采樣；用FFT對信號作頻譜分析；IIR數字濾波器設計及軟件實現；FIR數字濾波器設計與軟件實現等試驗。在實驗課堂中，同學們可以互相討論共同參與齊力完成一些有難度的設計類實驗，經過一段時間的訓練，同學們的動手能力將會有所提高，為今后的生產實習、畢業設計等打下良好的基礎。

8 課程改革輔助措施

建立一流的師資隊伍是課程改革和創新的必要條件。講課老師應該熱愛課堂教學，具有課堂教學的熱情和更好的語言表達能力，熱愛學生并與學生進行更好的溝通。為了更好地實現這一目標，在教學過程中，我們積極研究和討論改進教學方法，以及互相學習和總結歸納；多和學生互動交流，掌握他們對教學改革的意見與建議；課程結束后，對他們進行問卷調查，分析問卷調查的統計結果，并及時將結果反饋給授課教師，以便教師對該課程進行總結，從而確保課堂教學水平和教學質量持續提高。學校和院系對課程改革給予必要的支持，對教師付出的勞動給予合適的鼓勵，都對課程改革的順利進行起到了積極的推動作用。

結束語：在“數字信號處理”課堂教學中，課程的教學內容應進行創新改革，重點應為基于最新可編程DSP芯片的硬件結構、軟件結構和開發環境。并進行實驗方法的自主創新，所有示例和實驗都應更改為應用于MATLAB軟件平臺和DSP硬件平臺來完成。設置相關實驗內容和實習內容，創建具有輔助設施的課堂教學實驗服務平臺，使學生不僅可以在PC上模擬每個實驗，它還可以應用DSP硬件系統來完成在數字信號處理過程中學習的關鍵優化算法，例如FFT，FIR濾波器，IIR濾波器等。只有進行上述改革，“數字信號處理”課程才能承擔起它在電氣信息技術類專業教學中承上啟下的作用。