數字信號處理課程教學改革路徑分析

【摘" 要】 文章分析了數字信號處理課程教學的展開現狀以及存在著的共性問題，在此基礎上，著重闡述了數字信號處理課程教學的改革探索與優(yōu)化思路，從合理設置教學目標、優(yōu)化課程內容體系、更新課堂教學方法、引入課程思政理念、重視理論聯(lián)系實際、完善課程考核方式這幾方面入手，對相應課程教學的改革策略與實施要點進行了說明，以期實現數字信號處理課程教學的升級。

【關鍵詞】 數字信號處理；課程教學；教學改革

一、數字信號處理課程教學的現狀分析

國內多所理工科院校均已開設數字信號處理課程，同時也有很多教學團隊就課程教學改革和創(chuàng)新開展了研究。不同學者從不同的角度入手取得了不同的研究成果。電子科技大學的多位教授從教學方法、教學內容等方面入手對數字信號處理課程進行了相對全面的探索和研究，降低了學生對課程內容的理解難度。解放軍信息工程大學的多位教師研究和探索了數字信號處理課程中涉及的各種處理方式方法所形成的背景，并追本溯源，從成因和背景的角度向學生介紹了數字信號處理這門課程的內容，幫助學生從工科思維的角度進一步理解相關知識的應用范疇。有教師基于問題探究的角度研究了數字信號處理課程的教學方法，提出了互動式教學模式。部分教師改革教學實踐，將實際案例應用到了課程教學中，致力于提高學生的知識轉化能力和實踐應用能力。

總的來說，在眾多學者教師的不斷努力下，數字信號處理課程建設取得了一定的成績，但與時代發(fā)展對人才提出的要求仍存在差距。所以在當前仍然需要持續(xù)展開數字信號處理課程建設改革，推動教學內容創(chuàng)新，引導學生開展探究式學習和自主學習，以培養(yǎng)出時代所需的理工科人才。

二、數字信號處理課程教學的共性問題分析

數字信號處理課程存在“難教難學”的特點，其原因在于：第一，數字信號處理課程與數學理論有交叉，對數學基礎薄弱的學生而言，數字信號處理課程的學習難度較大。數字信號處理課程是理工類學科中專業(yè)性較強的課程，包含一定量的抽象概念和理論知識，其中，部分知識理論的推演需要有數學理論知識為支撐，包括“高等數學”等課程內容，對學生的數學素養(yǎng)和基礎要求相對較高。第二，實踐性較強。數字信號處理課程與數學課程交叉的內容很多，且該課程實踐性較強，包括大量的科研、工程內容，需要學生在具有扎實理論知識的基礎上完成對應專業(yè)課程的學習，并提高實踐能力。

除了課程本身的特點外，教學內容、教學方法等方面也存在一些共性問題影響著課程建設改革。第一，數學知識內容與數字信號處理內容之間缺乏關聯(lián)性，造成了綜合能力的培養(yǎng)存在一定的困難。第二，被動式、淺顯化記憶造成學生涉及的數學理論知識記憶不牢。將理論教學看作重點的教學模式不利于創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。第三，知識零散，資源相對較少；實踐性課程缺乏實踐性，不利于學生自主能力的培養(yǎng)。第四，理論知識同工程案例相脫節(jié)，不利于知識轉化。

三、數字信號處理課程教學改革路徑探究

（一）合理設置教學目標

數字信號處理課程的教學目標可以細化為兩部分，具體如下：

第一，學生在學習過程中要理解時間離散系統(tǒng)的基本原理、離散時間傅里葉變換、Z變換、DFT、FFT、時域采樣定理以及頻域采樣定理等工程基礎知識，并能夠利用相應基礎知識分析、解決物聯(lián)網領域的復雜工程問題。教師需要對學生追求真理、探索未知、勇攀科學高峰的使命感與責任感進行培養(yǎng)；推動學生逐步形成正確的價值觀念，落實對學生科學精神、工程思維、思辨能力的培養(yǎng)。

第二，明確使用DFT對模擬信號展開譜分析的過程以及誤差，了解各類網絡的結構特點并可以準確區(qū)分；可以結合文獻研究內容以及窗函數法的應用，完成對具備線性相位的FIR數字濾波器的設計，能夠對影響物聯(lián)網領域復雜工程問題解決的因素進行分析與確定，培養(yǎng)學生獲取有效結論的能力；對學生精益求精、工匠精神進行培養(yǎng)，調動學生科技報國的情懷與使命擔當。

（二）優(yōu)化課程內容體系

提煉數字信號處理課程中的重點知識模塊，包括離散時間信號與系統(tǒng)的時域分析、離散時間信號與系統(tǒng)的頻域分析、設計數字濾波器、處理多抽樣率信號，以此為參考進行對課程教學內容體系的優(yōu)化，完成知識圖譜的構建，具體有：在工程應用層面，包含頻譜分析、時域濾波；在設計方法層面，包含DIT-FFT、DIF-FFT、IFFT、窗函數法FIR-DF設計、頻率采樣法FIR-DF設計、脈沖響應不變法IIR-DF設計、雙線性變換法IIR-DF設計；在知識要素層面，包含Z變換、DFS、DTFT、DFT、線性卷積、循環(huán)卷積、抽取濾波、插值濾波；在理論支撐層面，包含時域采樣定理、頻域采樣定理。

同時，對重疊、過時的內容進行刪減，著重對頻譜分析、數字濾波的應用落實凸顯，并加入更多的工程案例，以此為基礎落實對基于學生綜合應用能力培養(yǎng)的數字信號處理課程內容體系構建。在此過程中，加強橫向關聯(lián)，促使各個知識模塊之間的內在聯(lián)系得以強化。例如，在頻譜分析相關知識內容中，使用“Z變換—離散時間傅里葉變換—周期序列離散傅里葉級數—離散傅里葉變換”這樣的教學流程，促使學生能夠完成對多種變換的深入理解與對比分析。另外，還要強調縱向落實，著重凸顯從理論到實踐的綜合應用，設定并使用“理論支撐—知識要素—設計方法—工程應用”這樣的綜合能力培養(yǎng)路徑，讓學生在完成學習后能夠靈活應用相關知識點完成實際工程問題的處理。

（三）更新課堂教學方法

第一，鼓勵合作學習。鼓勵學生使用社交軟件完成學習社區(qū)的搭建，并結合教師布置的任務展開分工合作、小組討論，最終形成結論。同時，對于一些進階的辨析主題，引導學生在完成合作學習與小組討論后，結合組內各個成員特長的不同，分別進行理論推導與仿真驗證，提升學習效果，激發(fā)學生自主學習熱情。

第二，優(yōu)化線上學習，實施“線上+線下”混合教學。在安排一定比例的學時展開線下教學的基礎上，開設線上教學環(huán)節(jié)，并將其納入總體課程的課時分配方案。實踐中，需要切實參考不同教學內容、知識點難度等方面的不同，合理設定充足的線上與線下教學課時。例如，針對時域離散信號與系統(tǒng)相關教學內容，可以設定6學時的線下理論教學以及6學時的線上教學；針對時域離散信號與系統(tǒng)的傅里葉變換分析方法相關教學內容，可以設定12學時的線下理論教學以及1學時的線上教學；針對DFT相關教學內容，可以設定12學時的線下理論教學以及2學時的線上教學；針對FFT相關教學內容，可以設定8學時的線下理論教學以及2學時的線上教學；針對時域系統(tǒng)的基本網絡結構相關教學內容，可以設定2學時的線下理論教學以及2學時的線上教學；針對IIR數字濾波器設計相關教學內容，可以設定5學時的線下理論教學以及2學時的線上教學；針對FIR數字濾波器設計相關教學內容，可以設定3學時的線下理論教學以及1學時的線上教學。

（四）引入課程思政理念

堅持立德樹人，著重在課堂教學期間突出科學思維、科學方法，加入我國在數字信號處理領域中取得的一系列成就，實現對學生科學精神、愛國主義精神、創(chuàng)新精神等的有效培養(yǎng)。為實現這一目標，要細化章節(jié)內容與知識點，提煉其中包含著的思政元素，并結合互聯(lián)網查找相關素材，豐富課堂教學內容，踐行課程思政。

以“數字信號處理的概念及學習方法”的相關內容教學為例，課堂教學期間，介紹過去一些在數字信號處理方面工作突出的科研人員、校友的學習方法與研究案例；展望國際，引用國際上知名大學的電子與信息工程專業(yè)教授對本門課程不同角度的觀點；鼓勵學生敢于挑戰(zhàn)，為國家在未來的科技任務中貢獻自己的力量。此時可以引入的思政元素包括敢于想象、調研與跨界學習；堅持不懈；工匠精神；在實踐中提升專業(yè)能力等。在課后復習與練習階段，鼓勵學生思考在目前的國際形勢下，怎么突破關鍵數字信號處理設備的研制。例如，大飛機控制系統(tǒng)、高鐵控制系統(tǒng)、彈道導彈控制系統(tǒng)等。鼓勵學生求真務實、不畏艱難、敢為人先。依托課程思政的展開，能夠更好引導學生利用實踐鞏固知識，并實現對學生綜合素養(yǎng)的更好培養(yǎng)。

（五）重視理論聯(lián)系實際

現階段，可以結合信息化技術的應用，搭建并在教學中應用典型工程案例庫，其中所包含著的內容（部分）設定如下：

雙音多頻信號檢測，可以使用的實驗平臺為Matlab以及eZdsp平臺，該案例中包含著的理論知識點為離散時間系統(tǒng)、DFT分析原理，設定的能力目標為以工程實現的視角對比分析使用DFT、FFT展開信號譜分析的優(yōu)缺點，對學生的系統(tǒng)設計思維進行培養(yǎng)；軟件無線電中的插值以及抽取過程實現，可以使用的實驗平臺為Matlab以及eZdsp平臺，該案例中包含著的理論知識點為窗函數法設計FIR濾波器、采樣率轉換的實時實現，設定的能力目標為對比分析基于不同窗函數的濾波性能，對學生的辯證思維進行培養(yǎng)；基于FFT的實時快速卷積，可以使用的實驗平臺為Matlab以及eZdsp平臺，該案例中包含著的理論知識點為離散傅里葉變換快速計算視域卷積的理論，設定的能力目標為利用實驗對比分析直接視域卷積以及頻域變換這兩種方法的運算量，對學生使用變換域解決問題的思維、能力、習慣進行培養(yǎng)。

依托相應典型工程案例庫的構建與使用，能夠結合實際案例，將難以理解的知識點轉換為實驗題目，利用實驗啟發(fā)學生思考，并鼓勵學生利用實驗平臺進行仿真驗證，從而達到切實提高學生工程實踐能力的效果。

（六）完善課程考核方式

為提升考核的全面性與客觀性，在實踐中，可以將學生獲取到的總成績細化為兩部分，即平時成績以及期末考試成績，設定各部分成績占比為：

總成績=平時成績*50%+期末考試成績*50%

其中：平時成績=課后作業(yè)*25%+課堂表現*30%+隨堂測試*10%+線上考試20%+討論5%+線上視頻學習10%

在展開對數字信號處理課程的考核期間，要求切實參考前期設定的課程目標完成考核方案的設定，具體如下：針對課程目標1，在平時成績中，設定平時作業(yè)的權重比例為70%，設定課堂表現的權重比例為70%，隨堂測試的權重比例為70%，線上考試的權重比例為70%，討論的權重比例為70%，線上視頻學習的權重比例為70%；在期末考試中，設定期末考試成績的權重比例為70%；課程目標1的總體成績比例設定為70%。

針對課程目標2，在平時成績中，設定平時作業(yè)的權重比例為30%，設定課堂表現的權重比例為30%，隨堂測試的權重比例為30%，線上考試的權重比例為30%，討論的權重比例為30%，線上視頻學習的權重比例為30%；在期末考試中，設定期末考試成績的權重比例為30%；課程目標2的總體成績比例設定為30%。

依托這種考核內容與標準的細化設計，能夠實現對學生實際學習情況以及個人能力提升情況的綜合考核，讓教師、學生更為清晰地掌握在學習方面的不足，以此為參考完成“查缺補漏”。

四、結語

綜上所述，數字信號處理課程建設在當前已然取得了一定的成績，但與時代發(fā)展對人才提出的要求仍存在差距，所以仍然需要持續(xù)展開對數字信號處理課程的教學改革，合理設置教學目標，推動教學內容創(chuàng)新，引導學生開展探究式學習和自主學習，引入課程思政理念并強化實踐教學，更新課程考核方法，實現教學升級，切實培養(yǎng)出時代所需的理工科人才。

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