數字信號處理課程的混合式教學方法探討

李永全 王圓妹 胡 林

（長江大學（東校區）電子信息學院 湖北·荊州 434023）

0 引言

數字信號處理是電子信息類的專業核心課程，具有很強的工程性和實踐性。數字信號處理已經廣泛應用于無線通信、雷達、自動控制、人工智能、模式識別、航空航天、地球探測、生物醫學等幾乎所有的工程領域。因此，無論是對學生今后的就業，還是繼續深造從事相關研究，學好數字信號處理這門課程都是至關重要的。通過本課程學習，學生能夠掌握信號與系統的時間域分析和頻率域分析、離散傅里葉變換、數字濾波器網絡結構的基本概念、基本理論，使學生了解IIR濾波器和FIR濾波器的設計原理和方法，具備根據信號處理目標確定濾波器系統的設計指標并進行系統設計與實現、最終達到信號處理目標的能力，為從事通信和信息處理等方面工作和研究打下基礎。

1 數字信號處理課程教學現狀

然而，本課程中大量的抽象概念以及離散傅里葉變換、時頻域分析、濾波器設計等復雜理論和公式推導，令人感覺枯燥難懂，學生大多對這樣的課程興趣不高，課堂效率較低?！皵底中盘柼幚怼闭n程以往主要采用傳統教學模式，數字信號處理教學中存在以下問題：

（1）以教師教學為中心，導致學生缺乏主觀能動性。理論教學多采用教師上課教、學生下面聽的“滿堂灌”模式；實驗教學多為驗證性實驗，為知識傳授服務。教學活動中師生互動性不強，學生參與度不高，難以激發學生的學習興趣和主動性。

（2）以高等數學為基礎，使得學生難以理解透徹。課程內容豐富、概念抽象，其中傅里葉級數、傅里葉變換、Z變換等內容都有大量公式推導，很多學生面對繁雜抽象的數學公式會望而卻步，失去學習動力。

（3）以軟件編程為輔助，要求學生具有較強的動手能力。課程中的傅里葉變換、時域和頻域分析、濾波器設計等重點內容，通過軟件仿真能夠更好地幫助學生理解并應用，因此，需要學生掌握C、MATLAB、Java或Python等編程語言，而計算機編程能力也往往阻礙了一些同學的實踐應用。

（4）以知識傳授為主導，對于學生創新實踐能力培養不足。在教學中知識被簡單地分割為一個個小單元，學生知識點學得多，系統概念少。脫離了整體任務和工程問題，學生不知為什么要學這些知識，工程實踐能力弱、缺乏創新意識和創新能力。

由此可知，如何提高學生的學習興趣和主動性，如何幫助學生融會貫通課程中的基本原理、概念、分析與設計方法，針對上述問題，作者精心設計教學內容，嘗試采用混合式教學方法，在教學中體現學生的主體地位，它不僅能激發學生的學習積極性和主動性，還能培養學生的學習能力、實踐能力、合作能力和分析問題解決問題的能力，以達到提高學生的積極性和提升教學質量的目的。

2 數字信號處理教學內容設計

（1）融入思政元素，引領價值導向。依據本課程的教學規律和專業特點，對思政目標與知識技能目標進行設計與融合，滲入思政元素。以工程應用中平凡人的偉大、計算思維理念和簡約思維方法論，引導學生樹立正確的價值觀，培養學生科學思維和科學方法，培養良好的學習態度和積極向上的科學創新精神。

（2）引入前沿技術，激發學習興趣。隨著電子技術以及計算機技術的迅猛發展，科學研究中DSP的新理論和新技術層出不窮，如人工智能、5G技術和星際探測等技術都是DSP的具體應用。及時將這些前沿技術融入課堂，既豐富和拓展了教學內容，也讓學生掌握了如何將所學的理論知識應用于實際，激發學生的學習興趣，培養創新思維。

（3）重塑教學內容，淡化理論推導。以培養高素質創新創業型人才為核心，對教學內容進行了重塑：精簡與先修課程聯系緊密的章節，簡化難以理解的理論內容和數學推導過程，側重講解物理意義和實際應用，理清數學模型之間的邏輯內涵。

（4）科研教學互融，理論聯系實際。以工程應用為導向，提煉科研成果為工程案例，搭建抽象理論與工程應用的橋梁；將科研方法納入課堂，按照項目開發方式設計綜合性實驗項目；利用導師制、大創項目及畢業設計等，引導學生進入信息處理的科研領域，指導學生采用科學研究的方法和手段開展科學研究。

3 數字信號處理混合式教學方法改革實踐

混合式教學將課堂教學的核心由知識傳授轉換為知識獲取，將教學的主體由教師轉換為學生?；旌鲜浇虒W是教師知識傳遞和學生主動學習的混合，也是學生自主探究和協作互助的混合，既體現了教師的主導作用，也突出了學生的主體地位。采用多種教學法相結合的方式，針對不同的教學內容采用不同的教學方法，引導學生積極參與課堂內學習活動，主動開展課堂外拓展學習，積極開展理論驗證和創新實踐，從而真正實現對應用型人才的培養，構建知識和技能的統一。

3.1 采用鼓勵式教學法

自信在學習中起到重要作用，自信能增強學生的學習興趣、激發主動學習和自主學習能力。對“數字信號處理”這門抽象難懂的課程而言，幫助學生建立對本門課程學習的自信尤為重要，因此在教學過程中采用鼓勵式教學法。

（1）建立課堂教學中理論部分的聽課自信。在緒論中分析為什么學DSP、學什么內容、課程的應用及發展前景等，使學生明確課程的優越性，進而喜愛這門課程。

（2）進階式提問，幫助學生建立學習自信。在課堂提問時，根據學生的基礎和能力，把握所提問題由易到難的“度”。在問題由易到難、學生運用課程所學方法解決問題的過程中，讓學生體驗到克服困難、解決問題的成就感。

3.2 采用對比式教學法

在加強事物認識和理解的過程中，對比是一種非常有效的教學方法。

（1）與“信號與系統”知識進行對比，提高學習效率。課程中時域離散信號與系統的時域與頻域分析，與“信號與系統”課程中的時域連續信號與系統的時域與頻域分析幾乎是一一對應的，因此在講解這些知識點的時候，可以采用對比教學，幫助學生快速理解掌握。

（2）與課程前后知識進行對比，構建知識體系圖。課程中內容多，且有大量容易混淆的相關概念，在授課過程中重視前后知識的比對和歸納總結，根據教學內容和教學進度，逐步建立知識體系圖，使學生了解各知識點之間的關聯，深挖基本概念、定理和性質的內涵，掌握其分析方法和工程意義。

3.3 采用參與式教學法

本課程內容枯燥，概念抽象，學生難以長時間集中注意力。課程組在設計案例時盡量讓學生能夠多參與其中，從而提高學生的學習興趣以及學習效果。例如，在DFT章節設計了一個“語音信號識別”案例，采集學生自己的語音信號進行處理，讓學生非常有代入感，學習積極性高，對知識點的理解也更深入。

3.4 采用啟發式教學法

教師在課堂上將知識的重點和難點講清講透，將一些相對簡單的內容留給學生自學，并設置問題供學生思考。學生帶著問題進行學習，既能提高自學能力，也能加深對所學知識的理解，從而提高利用DSP的方法分析和解決問題的能力。例如，在所設計的“語音信號處理系統”案例中，設置的問題與對應的知識點如表1所示。

表1：“語音信號處理系統”案例中問題設置

3.5 采用探究式教學法

一方面，教師在授課過程中引入學科前沿知識，以5G技術和無人駕駛為例，引導學生思考新經濟、新技術、新產業、新業態和新商業模式的發展過程，啟發學生獨立提出、思考并試圖解決其中面臨的問題。另一方面，教師在授課過程中引入自己的科研項目，總結當下研究較多的科研問題并設定對應題目，讓學生依據興趣進行選擇，并結合已經學習的知識嘗試進行解決，鼓勵學生不拘泥于課堂學習的內容，開闊學生解決問題的思路。在這個過程中，學生的自學能力和分析問題解決問題能力得到了很好的鍛煉，并激發了他們對于信號處理領域的探索欲和求知欲，同時有助于鍛煉學生文獻查閱總結等能力，培養學生科學研究能力和創新能力。

4 結束語

數字信號處理課程一直以來因其內容抽象、復雜、枯燥等原因，其教學效果一直不太理想。作者從本校學生的實際情況出發，探索運用案例式、討論式、引導式、項目驅動式等教學方法，創造有利于師生雙向交流，教學相長的教學氣氛；合理運用雨課堂、MOOC等現代信息技術等教學手段，將課堂講解、課堂討論、網絡課堂、師生、生生互評等教學方式協調整合，培養學生學習和研究的習慣，形成新的教學評價方法。同時注意培養學生的良好學習習慣，提升學生學習的參與度和主動性，增加學生學習熱情和積極性，培養學生自主學習能力和團結合作精神，激發其潛能和創新精神。實踐表明，基于混合式教學方法實踐在調動學生的學習積極性、主動性方面發揮了積極的作用，也更有利于培養學生的分析問題、解決問題的能力。