漸進式學習下的“數(shù)字信號處理”實驗教學研究

魏洪峰

摘要：為了適應當前社會對電子通信等專業(yè)人才的需求，文章結合學科的發(fā)展和課程的特點，探析了“數(shù)字信號處理”課程實驗教學的改革，主要表現(xiàn)在整合教學內容、豐富教學手段、運用多樣化等漸進式學習的實踐教學，注重培養(yǎng)學生的動手能力和解決問題的能力。

關鍵詞：漸進式學習；“數(shù)字信號處理”；實驗教學

中圖分類號：G642.0

文獻標志碼：A

0 引言

隨著信息技術的發(fā)展，數(shù)字技術的應用越來越廣泛，“數(shù)字信號處理”課程的重要性日益突出。“數(shù)字信號處理”課程理論性強，概念抽象，知識點難于理解和掌握，學生在學習過程中缺乏主觀能動性，學習興趣不高。為了適應市場對應用型人才的需求，改變教學實踐環(huán)節(jié)與人才能力的培養(yǎng)嚴重脫節(jié)的現(xiàn)象，改進實驗教學方法、教學手段和教學內容等勢在必行。根據學科的特點，教師應對實驗教學模式做出適當?shù)母母铮捎眠m合學生實際的實驗教學方法，增強實驗教學效果，使學生能學以致用、學有所得，提高課堂的教學效率。

1 “數(shù)字信號處理”課程實驗面臨的問題

“數(shù)字信號處理”作為高等院校電子信息類專業(yè)的主干課程之一，具有技術更新快、理論和實踐并重的特點，但是實驗課不易開展，即使開設了實驗課，驗證類的實驗課居多，而系統(tǒng)仿真類的實驗課幾乎沒有。在課程教學中，教學方法盲目照搬，應用和理論劃分不清，沒有自己的特色；學生動手能力欠缺，不具備一定的分析問題和解決問題的能力；教學內容存在理論驗證過多，綜合性與設計性內容較少的主要問題，借助MATLAB軟件編程驗證理論結論過多，圖像演示、模型設計、濾波器分析等過少，綜合性與設計性的內容欠缺，不利于學生知識結構的全面發(fā)展和分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)^［1-2］。

1.1 教學過程中，與其他學科的銜接較少

“數(shù)字信號處理”課程在電子專業(yè)各教學環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用，前修課程為“信號與系統(tǒng)”，后續(xù)課程有“通信原理”“移動通信”和“DSP技術”等。“數(shù)字信號處理”課程和“信號與系統(tǒng)”課程在數(shù)字篇有很大的重復性，“信號與系統(tǒng)”課程的重點是連續(xù)信號與系統(tǒng)的分析和處理，強調基本概念、變換和方法的學習，主抓思維模式和研究方法，數(shù)字部分的研究很少；而“數(shù)字信號處理”課程則著重離散信號與系統(tǒng)的分析和處理，強化工程應用和系統(tǒng)設計，與“信號與系統(tǒng)”課程既有聯(lián)系又有本質的區(qū)別^［3-4］。另外，實驗課程教學為后續(xù)課程的鋪墊很少，基本圍繞本課程的知識體系進行教授，不能與其他課程做好銜接，不能把電路設計、PCB制版等聯(lián)系在一起。

1.2 教學的目的性不強，教學效率不高

“數(shù)字信號處理”課程教學一般只是圍繞課本的基礎知識點進行驗證，不能借助MATLAB軟件和DSP硬件平臺實現(xiàn)“數(shù)字信號處理”課程的設計，只是利用MATLAB軟件做了一些簡單的原理和方法的驗證，設計類、仿真類和系統(tǒng)綜合類的實驗基本沒有涉及，所學知識不能有機結合，也不能很好地利用教學資源，教學效果和教學效率很低^［5-6］。

1.3 教師指導性強，學生的主觀能動性差

教學方法上，教師不關心學生的個體差異，教師唱主角，一味地知識灌輸，違背了“因材施教”的教學理念；學生常常處于被動的學習狀態(tài)，缺少學習的主動性和原動力；課堂上缺少學生的積極參與，教師只讓學生完成設定的任務，學生的主觀能動性不好，不利于學生自主學習和獨立能力的培養(yǎng)，造成學生對實際問題的分析和解決能力欠缺，對學生就業(yè)上崗等不利，也達不到實驗的預期效果。

2 實驗教學改革具體實施內容

如何幫助學生提高解決實際問題的能力，以適應人才培養(yǎng)的需要，是“數(shù)字信號處理”課程的實踐教學所要解決的關鍵問題。優(yōu)化該課程體系、豐富教學手段、運用多樣化的實踐教學、改革考核方法等環(huán)節(jié)都會影響課程教學效果，只有對各環(huán)節(jié)總體規(guī)劃、協(xié)調建設和改革，才能取得更好的教學效果，增強學生學習本課程的熱情和興趣，提高學習質量。

2.1 強化理論知識模塊，掌握課程知識體系

通過課程的理論知識講解，使學生掌握課程的理論內容，在深入分析課程理論內容及組成結構的基礎上，培養(yǎng)學生探索創(chuàng)新能力，提升學生的學科知識掌握和運用能力。

以“信號的運算”知識點為例，實現(xiàn)兩個不等長的有限長序列的加法運算，對應程序如下，結果如圖1所示。

程序：

n1=1：4;

x10=［1 0.7 0.4 0.1］;

n2=3：8;

x20=［0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1］;

n=1：8

x1=［x10 zeros（1，8-length（n1））］;

x2=［zeros（1，8-length（n2）） x20］;

x=x1+x2;

subplot（3，1，1）; stem（n，x1）;

subplot（3，1，2）

stem（n，x2）;

subplot（3，1，3）; stem（n，x）;

通過編程仿真，學生能對所學的知識點加深理解和掌握，能修正學習中遇到的問題，提升學生的學科知識掌握和運用能力。

2.2 促進學生的自主學習能力，掌握軟件語言編程

根據“以學生的能力培養(yǎng)為目標”的教學理念，發(fā)揮學生的主觀能動性，讓學生運用學過的C語言程序設計和MATLAB語言程序設計知識，根據實驗大綱里給出的實驗內容進行自主編程設計，可以了解語言編程在本課程軟件設計實驗中的應用，也可以加深對語言程序設計的掌握和運用，了解MATLAB軟件仿真過程，并通過驗證性的基礎實驗加深對課程知識的理解和掌握。

以離散傅立葉變換的知識點為例，利用MATLAB語言進行編程實現(xiàn)。例如：實現(xiàn)N=16的有限序列x（n）=sin（nπ/4）+sin（nπ/8）的DFT，對應程序如下，結果如圖2所示。

程序：

N=16;

n=0：1：N-1;

xn=sin（n×pi/8）+sin（n×pi/4）;

k=0：1：N-1;

WN=exp（-j×2×pi/N）;

nk=n-×k;

WNnk=WN.^nk;

Xk=xn×WNnk;

subplot（2，1，1）

stem（n，xn）;

subplot（2，1，2）

stem（k，abs（Xk））

通過編程仿真，學生既掌握了MATLAB語言程序編程的要點，又鞏固了對應的知識點，加深了對課程知識的理解和掌握。

2.3 多門課程相綜合，拓寬知識體系

將“數(shù)字信號處理”課程群多門課程的知識綜合在一起，制定綜合性設計實驗。把DSP硬件模塊與之相結合，開展綜合設計實驗，突出MATLAB軟件仿真和DSP硬件設計的兩種設計方案，培養(yǎng)學生軟件編程和硬件開發(fā)的能力，再拓展學生的創(chuàng)新能力。

以可調電壓的單電源供電的電源電路設計為例來實現(xiàn)硬件電路設計。TPS7301提供了可調節(jié)的輸出電壓，其調節(jié)范圍為1.2～9.75 V，可改變兩個外接電阻阻值實現(xiàn)可調電壓的單電源供電的電源電路設計，具體電路如圖3所示。

通過硬件設計，學生掌握了多門課程的關聯(lián)知識，其創(chuàng)新能力得以拓展，硬件開發(fā)能力得以提升。

2.4 通過建模仿真，奠定學生科學研究的基礎

在實驗中設定模型仿真環(huán)節(jié)，可以把“數(shù)字信號處理”課程群多門課程的知識進行綜合，使學生建立系統(tǒng)整體設計的理念，加強學生對專業(yè)應用能力、自主學習能力和解決問題能力的培養(yǎng)。

建模仿真是以MATLAB為平臺，利用DSP Builder完成的。DSP Builder是Altera推出的一個開發(fā)工具，可以在Simulink中進行圖形化設計和仿真，利用DSP Builder進行設計的流程如圖4所示。

DSP Builder設計流程的第一步是在MATLAB的Simulink環(huán)境中建立一個mdl模型文件，用圖形方式調用Altera DSP Builder和其他Simulink庫中的圖形模塊（Block），構成系統(tǒng)級或算法級設計框圖（或稱Simulink設計模型）；第二步是利用Simulink強大的圖形化仿真、分析功能，分析此設計模型的正確性，完成模型仿真。

利用DSP Builder，以3階FIR濾波器模型為例仿真的圖形和結果如圖5—6所示。

通過建模仿真，可以把多門課程的知識進行綜合，使學生建立系統(tǒng)整體設計的理念，奠定學生科學研究的基礎，加強學生對專業(yè)應用能力、自主學習能力和解決問題能力的培養(yǎng)。

2.5 完善教學質量監(jiān)督體系，加強實驗教學管理

所有實驗教學手段的目的都是希望提高教學質量，全方位、多元化的考核體系有助于激發(fā)學生的實驗興趣和加強實驗教學的規(guī)范化管理。實驗教學中，保證實驗學時完滿、實驗內容充足、學生的出勤率高、保證學生的實驗設計方案正確可行、實驗中學生操作規(guī)范、課后的實驗報告撰寫要滿足要求等，采用多元化考核辦法進行綜合評定，注重考評方式的多樣化和考評指標的規(guī)范化，以保證學生實驗成績和教師教學

效果檢驗的客觀公正性，使學生更加重視實驗實踐教學環(huán)節(jié)，由被動學習轉向主動學習。

3 結語

教師通過整合教學內容、豐富教學手段、運用多樣化等漸進式學習的實驗教學，改變了傳統(tǒng)的實驗實踐教學方法。教師在教學過程中，注重培養(yǎng)學生的動手能力和解決問題能力，學生由被動學習轉向主動學習，學生的綜合素質有了很大的提升，教學效果良好。

參考文獻

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［3］羅軼.信號與系統(tǒng)與數(shù)字信號處理課程整合的研究與實踐［J］.吉首大學學報（自然科學版），2011（32）：117-119.

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［6］孫業(yè)國.數(shù)字信號處理課程教學研究初探［J］.淮南師范學院學報，2011（3）：118-119.

（編輯 王雪芬）

Research on experimental teaching of “Digital Signal Processing” under progressive learningWei Hongfeng

（College of Physical Science and Technology， Bohai University， Jinzhou 121013， China）

Abstract： In order to meet the current demand for professionals in electronic communication and other fields in society， the article explores the reform of experimental teaching in the course of “Digital Signal Processing” based on the development of the subject and the characteristics of the curriculum. The main manifestations are the integration of teaching content， enrichment of teaching methods， and the use of diversified practical teaching methods， which gradually improve students hands-on ability and problem-solving ability.

Key words： progressive learning; “Digital Signal Processing”; experimental teaching