數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革模式探討

洛陽(yáng)理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院 董漢磊 劉 鈞 呂治國(guó)

針對(duì)目前高等院校“數(shù)字信號(hào)處理”課程的教學(xué)情況和存在問(wèn)題，根據(jù)學(xué)情特點(diǎn)研究了“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)過(guò)程的結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置，明確提出了就教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)法和考核方式的改革方案；通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)證明，這些措施可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高研究和創(chuàng)新能力，以達(dá)到改善教學(xué)效果的目的。

1 課程定位和特點(diǎn)

“數(shù)字信號(hào)處理”是高等學(xué)校電氣信息技術(shù)類(lèi)專(zhuān)業(yè)的重要理論課程。學(xué)生學(xué)完該課程后，進(jìn)而可以學(xué)習(xí)一些更為專(zhuān)業(yè)的后續(xù)課程，例如視頻信號(hào)和語(yǔ)音信號(hào)處理。講授該課程時(shí)應(yīng)注意與后續(xù)課程的對(duì)接，不僅要防止重復(fù)過(guò)多，而且要保持課程的一致性。由于該課程涉及很多的數(shù)學(xué)思維方法，而且一些學(xué)生對(duì)它的基礎(chǔ)課程“信號(hào)與系統(tǒng)”掌握的不佳，這導(dǎo)致許多學(xué)生害怕學(xué)習(xí)它，進(jìn)而厭倦學(xué)習(xí)該課程。在這種情況下，我們對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程進(jìn)行教學(xué)研究和改革，以便更好地適應(yīng)該課程的發(fā)展就顯得十分必要。

2 數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)課程中，大多數(shù)只討論優(yōu)化算法的基本理論和計(jì)算，很少涉及完成方法和相關(guān)的軟硬件技術(shù)，這與科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和行業(yè)的規(guī)定相去甚遠(yuǎn)。學(xué)生學(xué)過(guò)課程后，對(duì)具體硬件了解極少，無(wú)法適應(yīng)DSP硬件電路開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的工作要求。由于課程內(nèi)容的高度抽象性，不少學(xué)生對(duì)相關(guān)的概念和理論知識(shí)存在畏懼和厭煩心理，獲得相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的方法相對(duì)較少，這導(dǎo)致許多學(xué)生害怕學(xué)習(xí)本課程，甚至一直處于厭倦學(xué)習(xí)的狀態(tài)。當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)課程時(shí)，他們會(huì)認(rèn)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(duì)一些題目的分析方法更是難于掌握。

因此，全世界的學(xué)術(shù)界都在尋找改革和創(chuàng)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(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)處理的優(yōu)化算法進(jìn)行仿真。另一種是介紹電子行業(yè)中常用的DSP組件，并具體指導(dǎo)學(xué)生完成數(shù)據(jù)信號(hào)處理的優(yōu)化算法，尤其是實(shí)時(shí)（Real Time）完成。在對(duì)世界名校的社會(huì)發(fā)展要求和教育改革方法進(jìn)行調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程進(jìn)行了重大的改革和創(chuàng)新。

3 課程知識(shí)體系化

數(shù)據(jù)信號(hào)處理過(guò)程中有很多知識(shí)點(diǎn)，而數(shù)學(xué)過(guò)程中的計(jì)算非常復(fù)雜。根據(jù)對(duì)這門(mén)課程的深入分析，比較知識(shí)要點(diǎn)，找到一條圍繞課程的路線，在課程教學(xué)中只需要掌握這條路線，復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算就可以變得更加清晰和容易記住。課程內(nèi)容分為兩個(gè)控制模塊：轉(zhuǎn)換域的知識(shí)結(jié)構(gòu)和數(shù)字濾波器的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

變換域的知識(shí)結(jié)構(gòu)是課程的第一個(gè)控制模塊結(jié)構(gòu)。首先介紹頻域離散可變信號(hào)和系統(tǒng)，然后根據(jù)頻域采樣定理對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣，對(duì)離散可變時(shí)間數(shù)據(jù)信號(hào)（編碼序列）的內(nèi)容進(jìn)行討論。其次講述DTFT、DFS、ZT（IZT）、DFT變換的定義、性質(zhì)和定理。數(shù)字濾波器的知識(shí)結(jié)構(gòu)是課程的第二個(gè)主要控制模塊結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵是討論數(shù)字濾波器網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。數(shù)字濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為：IIR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和FIR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從整體上看這門(mén)課程，就會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)容沒(méi)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(shí)點(diǎn)，學(xué)習(xí)就變得容易多了。

4 教學(xué)方法改革

傳統(tǒng)的教學(xué)方式是一種枯燥的灌輸式課堂教學(xué)，長(zhǎng)期以來(lái)一直無(wú)法適應(yīng)當(dāng)今課堂教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。多媒體設(shè)備、實(shí)訓(xùn)室等多種綜合教學(xué)方法，不斷提高了學(xué)生的積極性，增強(qiáng)合作學(xué)習(xí)能力，使課堂教學(xué)更加生動(dòng)有趣。教學(xué)情境引入的環(huán)節(jié)要求教師教學(xué)的基本理論內(nèi)容由淺到深，然后逐步正確指導(dǎo)，一步一步引導(dǎo)學(xué)生深入到知識(shí)的核心內(nèi)容。一般的基本原理需要和實(shí)際案例緊密結(jié)合，抽象的基本原理專(zhuān)業(yè)知識(shí)，通過(guò)可視化的方式呈現(xiàn)，使學(xué)生更容易接受。為了使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)楠?dú)立思考，必須對(duì)基礎(chǔ)理論定義進(jìn)行仔細(xì)的劃分。探究式學(xué)習(xí)是以“培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)，提出和解決困難的能力”為課程目標(biāo)；使用各種主題或項(xiàng)目設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)培訓(xùn)方案等；在分析問(wèn)題的基礎(chǔ)上，解決難題的過(guò)程中，訓(xùn)練學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的研究方法，從多方面獲得豐富多樣的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解和掌握。

5 評(píng)價(jià)體系改革

在當(dāng)前階段，社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)提倡鼓勵(lì)式的互動(dòng)課堂教學(xué)，因?yàn)椴煌脑u(píng)價(jià)可能會(huì)對(duì)學(xué)生日后的學(xué)習(xí)和實(shí)習(xí)培訓(xùn)等造成影響。因此，設(shè)計(jì)一套科學(xué)的評(píng)價(jià)體系在課堂教學(xué)改革中顯得非常重要。傳統(tǒng)的教學(xué)評(píng)估管理系統(tǒng)以期末考試成績(jī)?yōu)樽罱K結(jié)果。現(xiàn)在，課堂教學(xué)的內(nèi)容已經(jīng)包括課堂教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)，課程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)等。所以評(píng)價(jià)體系也要做相應(yīng)的調(diào)整。科學(xué)的評(píng)價(jià)體系應(yīng)包括正常課堂表現(xiàn)，完成作業(yè)情況，期末考試成績(jī)，實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，課程設(shè)計(jì)效果等。優(yōu)秀的課堂表現(xiàn)一方面是上課率，另一方面是聽(tīng)課質(zhì)量，包括課堂教學(xué)中提出問(wèn)題的回答情況和課堂教學(xué)討論的情況。根據(jù)家庭作業(yè)的布置安排，檢查專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)狀況，并注意作業(yè)中是否存在抄襲。老師可以將學(xué)生分為若干個(gè)工作小組，不同的小組具有不同的問(wèn)題類(lèi)型。

例如在課堂教學(xué)中，需要學(xué)生完成一項(xiàng)較為繁瑣的工作，可以按照每組8人進(jìn)行分組。要求學(xué)生編寫(xiě)信號(hào)處理優(yōu)化算法程序、要求每個(gè)小組根據(jù)期刊論文的格式提交報(bào)告，以及進(jìn)行論文宣講和答辯，并回答其他同學(xué)們的問(wèn)題。這樣可以讓學(xué)生們更積極主動(dòng)的進(jìn)行學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生們的相互合作精神以及表述能力。

6 線上教學(xué)資源建設(shè)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)已經(jīng)顯示出其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，因此充分利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育是基礎(chǔ)教育改革與發(fā)展的大趨勢(shì)。僅靠課堂教學(xué)是無(wú)法解決所有問(wèn)題的，因此課堂教學(xué)之外應(yīng)該有相應(yīng)的學(xué)習(xí)和培訓(xùn)資源。這樣，教學(xué)和在線教育資源就相互補(bǔ)充在一起。在現(xiàn)階段，高校已經(jīng)廣泛建立了校園寬帶，因此可以創(chuàng)建一個(gè)具有交互通信和靜態(tài)數(shù)據(jù)教學(xué)資源的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上，每個(gè)學(xué)生都可以下載或?qū)W習(xí)在線教學(xué)課件等教學(xué)內(nèi)容，并且可以在家、在宿舍里隨時(shí)隨地上課。學(xué)生也可以發(fā)布討論帖，提出學(xué)習(xí)疑問(wèn)和難以解決的問(wèn)題。根據(jù)服務(wù)平臺(tái)上的討論帖，老師可以掌握學(xué)生學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的難點(diǎn)，進(jìn)行有目的的講解，并隨時(shí)掌握每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。

利用當(dāng)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，學(xué)生可以瀏覽國(guó)外著名大學(xué)的相關(guān)數(shù)字信號(hào)課程的網(wǎng)站。通過(guò)對(duì)比研究和培訓(xùn)，發(fā)現(xiàn)差距并立即迎頭趕上，使學(xué)生能夠了解世界其它國(guó)家課堂教學(xué)的不同之處。此外，學(xué)習(xí)和培訓(xùn)海外課程的考核機(jī)制，鼓勵(lì)學(xué)生掌握數(shù)字信號(hào)處理發(fā)展趨勢(shì)的新影響，并撰寫(xiě)有關(guān)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的最新論文。進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和綜合運(yùn)用能力并使它達(dá)到一個(gè)新的高度。

7 加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)

實(shí)踐教學(xué)的成功進(jìn)行可以促進(jìn)課堂理論教學(xué)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)。因此，當(dāng)需要增加課時(shí)來(lái)提高教學(xué)效果時(shí)，應(yīng)首先增加實(shí)踐教學(xué)課時(shí)。實(shí)踐教學(xué)課時(shí)選擇的原則是：盡量減少演示和認(rèn)證類(lèi)型的內(nèi)容，增加設(shè)計(jì)和分析類(lèi)型的內(nèi)容，或者增加某些經(jīng)常要使用到的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，例如系統(tǒng)響應(yīng)及系統(tǒng)穩(wěn)定性；時(shí)域采樣與頻域采樣；用FFT對(duì)信號(hào)作頻譜分析；IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)；FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)等試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)課堂中，同學(xué)們可以互相討論共同參與齊力完成一些有難度的設(shè)計(jì)類(lèi)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的訓(xùn)練，同學(xué)們的動(dòng)手能力將會(huì)有所提高，為今后的生產(chǎn)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等打下良好的基礎(chǔ)。

8 課程改革輔助措施

建立一流的師資隊(duì)伍是課程改革和創(chuàng)新的必要條件。講課老師應(yīng)該熱愛(ài)課堂教學(xué)，具有課堂教學(xué)的熱情和更好的語(yǔ)言表達(dá)能力，熱愛(ài)學(xué)生并與學(xué)生進(jìn)行更好的溝通。為了更好地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在教學(xué)過(guò)程中，我們積極研究和討論改進(jìn)教學(xué)方法，以及互相學(xué)習(xí)和總結(jié)歸納；多和學(xué)生互動(dòng)交流，掌握他們對(duì)教學(xué)改革的意見(jiàn)與建議；課程結(jié)束后，對(duì)他們進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，分析問(wèn)卷調(diào)查的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并及時(shí)將結(jié)果反饋給授課教師，以便教師對(duì)該課程進(jìn)行總結(jié)，從而確保課堂教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量持續(xù)提高。學(xué)校和院系對(duì)課程改革給予必要的支持，對(duì)教師付出的勞動(dòng)給予合適的鼓勵(lì)，都對(duì)課程改革的順利進(jìn)行起到了積極的推動(dòng)作用。

結(jié)束語(yǔ)：在“數(shù)字信號(hào)處理”課堂教學(xué)中，課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)進(jìn)行創(chuàng)新改革，重點(diǎn)應(yīng)為基于最新可編程DSP芯片的硬件結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)環(huán)境。并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方法的自主創(chuàng)新，所有示例和實(shí)驗(yàn)都應(yīng)更改為應(yīng)用于MATLAB軟件平臺(tái)和DSP硬件平臺(tái)來(lái)完成。設(shè)置相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)習(xí)內(nèi)容，創(chuàng)建具有輔助設(shè)施的課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)服務(wù)平臺(tái)，使學(xué)生不僅可以在PC上模擬每個(gè)實(shí)驗(yàn)，它還可以應(yīng)用DSP硬件系統(tǒng)來(lái)完成在數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中學(xué)習(xí)的關(guān)鍵優(yōu)化算法，例如FFT，F(xiàn)IR濾波器，IIR濾波器等。只有進(jìn)行上述改革，“數(shù)字信號(hào)處理”課程才能承擔(dān)起它在電氣信息技術(shù)類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)中承上啟下的作用。