“數字信號處理”課程教學改革探索

摘要：隨著國內各產業的現代化推進發展，相關人才的需求日益增加。為了適應產業的發展及相應專業人才的培養需求，滿足學科的發展和社會對課程知識的需要，文章對“數字信號處理”課程的教學改革進行了探析，主要表現在教學內容的優化整合、教學方法多樣化、多種教學手段并用、創新實踐教學、完善合理的教學考核制度幾個方面，注重培養學生分析問題、解決問題及設計能力。通過實踐，課程教學改革后提高了學生的工程實踐能力和創新能力，改善了教學效果。

關鍵詞：數字信號處理；課程教學；改革

中圖分類號：G642.0" 文獻標志碼：A

0 引言

信號處理是應用極其廣泛的一門學科，適用于計算機、電子、通信、自動化、醫療等眾多領域。“數字信號處理”課程作為其中的一門核心學科課程，知識體系龐雜且規律性不強。如何在學時少內容多的情況下把基本知識傳授給學生、激發學生的學習興趣，把課堂教學與實驗環節相結合，讓學生掌握理論知識的同時，能獨自分析問題、解決實際應用，從而避免傳統教學的弊端，課程教學改革勢在必行。

1 課程教學的現狀分析

通過對“數字信號處理”課程的實踐教學，發現傳統教學存在以下弊端：

（1）課程講授內容和實驗設計知識老舊，不適合學科發展，不能適應社會需求。

（2）課程內容邏輯思維抽象、數學公式推導多，學生對課程知識難學、難懂，不能靈活運用［1-2］。

（3）學生對工程概念薄弱、掌握的數學知識不足、理論與實際脫軌。

（4）實驗內容驗證性居多，而設計與應用型較少，使得學生缺乏獨立思考精神，學習興趣不高，導致教學效果較差［3］。

（5）教學的整體規劃方面有所欠缺。教學過程中理論教學和實驗教學分離，分別由理論課教師和實驗課教師獨立授課，理論課教師進行單一的理論講授，學生的實踐情況不能及時了解與掌握，而實驗課教師在實驗教學改進方面也有所滯后。整個教學過程協調性和溝通性不好，不能充分利用各種教育資源［4］。

（6）教師授課時多以電子教案的方式授課，而用板書講授的過程較少，學生的輔助學習手段欠缺［5］。

鑒于以上原因，為了更好地滿足社會現狀對課程的知識需要，對“數字信號處理”課程進行教學改革勢在必行。

2 教學改革具體實施內容

2.1 整合優化教學內容

“數字信號處理”課程講授之前，已經學習過“信號與系統”課程，這2門課程在教學內容上承前啟后、密不可分。“信號與系統”課程在教學內容上體現為：2種系統——連續時間系統和離散時間系統；2類分析方法——時域分析和頻域分析；3種變換——傅立葉變換、拉普拉斯變換和Z變換。“信號與系統”課程主要講解的是基本概念、公式及性質、數學計算等，主要學習線性時不變系統前提條件下的確定性信號的時域和頻域分析，研究時域連續系統和離散系統。而“數字信號處理”課程教學內容只研究時域離散系統，主要講解時域離散信號與系統的2大問題：一個是頻域分析（FT、ZT）、離散傅里葉變換（DFT、FFT）；另一個是數字濾波器的分析與設計，包括IIR數字濾波器的設計和FIR數字濾波器的設計。以高西全主編、西安電子科技大學出版社出版的《數字信號處理》為主講教材，具體內容安排如圖1所示［2］。

為了追求自身課程體系的完整性，2門課程在內容上重復嚴重。“信號與系統”課程已對離散系統時域、頻域、復頻域等內容進行了詳細的講解，與“數字信號處理”課程中對應的知識點相重疊。從課程的延續性來講，“數字信號處理”課程應該略講離散信號的傅立葉變換和Z變換的定義、性質等，重點講解數字信號與系統的頻域分析，保留離散傅立葉變換理論、算法及應用。為了追求自身課程體系的完整性，在教學內容設置方面圍繞信號的離散傅里葉變換（DFT、FFT）和數字濾波器的設計為2大主線進行講授，對時域離散信號與系統的特性與分類和頻域分析作概括總結。整合后，課程內容更加連貫，在授課內容上避免了重復性，冗余環節減少，更好地改善了教學效果。

講授課程理論知識時，突出教學的重點和難點，精簡課程內容，要重視基本原理的闡述，要深入淺出，改善傳統的教學方法弊端，不要一味地由教師在課堂上講解知識點的變換原理、過程，還要從生產生活的實踐應用做出引導，把抽象的數學概念以實例的形式進行講解，便于學生接受和理解。

第3期2024年2月無線互聯科技·研究創新No.3February，2024

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2.2 轉變教學方式方法，豐富教學手段

2.2.1 教學方法多樣化

在教學中，教師應采用啟發式、討論式、案例式的教學方法，突出課程的重點與難點，以學生為中心，加強教師和學生的互動［2］。

教師在教學過程中，可以采用啟發式教學法引導學生，從學生關注的熱點、疑難點提出問題，激發學生的學習興趣，主動探求知識，調動學生學習的積極性與主動性。以2個序列相加為例，提出“2個序列x1（n）和x2（n），長度分別為N1、N2（起點和終點各不相同），其加法運算如何進行？和代數運算中的加法有什么不同？”的問題后，讓學生先思考代數中的加法運算規則，被提問學生做出回答，然后教師講解序列的加法運算規則：2個序列進行相加，對應為進行代數加法運算，序列缺位的數值填0補位進行運算，每位結果不進位，得出的數值就是2個序列相加后得到的新序列值。采用這種方式，把問題的疑難點和易混淆處闡析清楚，消除學生的理解誤區，能更容易地理解所學內容。

為了體現學生的主體地位，采用討論式教學環節。當課程內容講授到一定階段、學生掌握了相關的基礎知識后，教師提出討論的主題，讓學生課后查閱、收集和整理相關資料，并在課堂上進行討論、做出歸納總結。以序列的圓周卷積為例，在掌握了線性卷積的知識基礎上，設置“序列的圓周卷積是如何完成的？線性卷積和圓周卷積有何聯系？”的討論主題，讓學生查閱資料完成討論主題的內容，并在討論課堂上做出回答，教師再給出問題的最終結論：以簡單的2個序列為例，先構造長度均為L長的序列，即將2個序列x1（n）和x2（n）補零點；然后再對它們進行周期延拓，利用周期卷積公式推導出結果，得出結論為“周期卷積為線性卷積的周期延拓，其周期為L（L為線性卷積長度）；而線性卷積進行周期延拓后（周期為L），圓周卷積是其延拓結果的主值序列”。采用這種方式，教師不再單純講授知識，討論中教師與學生地位平等，能很好地體現學生的主體地位。

2.2.2 多種教學手段并用

在課程教學中，采用以課堂板書與多媒體教學相結合、網絡教學相輔助的教學手段。

高校教師進行課堂教學多數以多媒體為主。課堂教學中使用多媒體教學，通過圖示舉例、仿真演示等方式直觀生動地教授學生，便于學生接受和理解抽象難懂的知識，同時減少了教師授課時列寫板書花費的時間，極大地提高了教學效率。

針對“數字信號處理”課程，推導和證明一些極其重要的基本原理、基本公式，仍然采用課堂板書進行授課，便于學生跟上教師的思路，保證了學生思考問題的時間，也利于鞏固其他學習過的相關學科知識。例如講解傅里葉變換和Z變換的性質時可采用板書形式，運用學過的知識加以推導和證明，既復習了已學的知識點，又促進了學生對知識的掌握和理解。

涉及圖形復雜、公式推導過程麻煩且不重要的內容，可以以多媒體課件為主、板書講解為輔的多媒體與板書相結合的教學模式。例如在講授基-2FFT算法的計算量時，利用板書推導出計算公式，結合多媒體課件上給出的基-2FFT算法結構來驗證計算公式的正確性。板書與多媒體教學相結合，既調動了學生的學習思維，又加深了學生對知識的掌握度。

為了使抽象問題具象化、提高教學的直觀性，可根據給定的條件和指標，采用MATLAB語言進行仿真演示。例如：在受噪聲污染的信號x（t）=sin（200πt）+sin（400πt）中，使用頻譜分析方法鑒別出有用的信號。由給定信號可知，在100 Hz、200 Hz 2個頻率處有信號，可利用MATLAB進行編程，實現受噪聲污染信號的離散傅立葉變換，便可得到該信號的成分分析結果。如圖2所示，上方圖形為受噪聲污染的時域信號x（t）=sin（200πt）+sin（400πt）的波形，從波形圖中可以看出由于噪聲干擾已經看不出信號的特征。圖2下方圖形為其頻譜，從頻域信號可見在100 Hz、200 Hz 2個頻率上有信號特征。通過編程演示，加深了學生對DFT的應用理解，使抽象問題直觀化。

為了滿足學生多樣化的學習要求，方便學生課下復習和自學，進一步提高課程的教學效果，在學習通學習平臺上建立課程網站，上傳教學大綱、電子教案、教學要求、習題解答等，在線答疑、在線交流，避免了教學中因學生人數過多而帶來的困擾，增加了師生溝通渠道，學生主動學習的積極性得到加強。

3 實踐環節的改革

對信號進行分析、變換、處理等是“數字信號處理”課程主要研究的對象，本門課程給出了基本理論和方法。本課程的理論與實際緊密結合，實驗教學環節必不可少。實驗課為18學時，占總學時的25%，實驗內容基本覆蓋了理論課的主要內容。實驗目的是使學生有效地鞏固課程的基本理論和分析方法，加強學生對課程理論知識的掌握和理解，培養學生軟件編程、仿真實現、硬件開發等能力，利于知識的綜合運用，提高學生的創新能力。

實驗內容分2種方式進行。一種方式是利用MATLAB軟件平臺，根據給定的指標要求，進行語言編程設計和建立模型進行模型仿真；另一種方式是利用DSP技術實驗箱進行硬件開發，把DSP Builder鏈接安裝到MATLAB平臺的Simulink中擴充模型仿真模塊。實驗內容包括“數字信號處理”的基礎知識、離散傅里葉變換及其應用、IIR DF和FIR DF的設計、模型設計與仿真、DSP硬件設計等。實驗類型包含驗證型和綜合設計型，驗證型實驗是要求學生利用MATLAB語言進行軟件編程來驗證課程的相關理論基礎知識，以加深學生對理論內容知識點的理解與應用；綜合設計型實驗要求學生根據教師給定的實驗內容，獨立完成實驗設計。例如使用DSP Builder設計FIR數字濾波器的實驗中，在給出濾波器的參數指標后，要求學生自行選擇不同的窗函數、階次等，并對濾波器進行分析。通過實驗設計，學生能對所學知識有很好的理解，并能掌握各種方法的優劣。

4 建立完善合理的教學考核制度

為提高學生的綜合素質，采用多種成績綜合評定的方式進行教學考核，考核成績的形式為：總評成績構成（100%）=平時成績（30%）+期末考試（70%）；其中，平時成績由出勤（10%）+作業（10%）+實驗（10%）組成。出勤主要檢驗學生曠課及學生上課回答問題情況，根據學生的表現給予成績；通過作業的完成情況來檢驗學生對課程知識的學習和掌握情況，根據學生的完成情況給予成績；實驗成績由實驗出勤、實驗報告、實驗操作3部分組成，其中實驗出勤與實驗報告各占實驗成績的20%、實驗操作占實驗成績的60%，各項成績根據學生的表現和完成情況給予。期末考試成績占70%，試卷命題以課程教學大綱為基準，突出重點與難點，基本覆蓋課程的知識點，根據學生期末試卷的答題情況給予成績，試卷滿分100分，折合實際分值為70分，學生根據所得分數按比例進行折合。課程考核分層化、具體化、內容全面化，能綜合評價學生對本課程的達成度，促進學生綜合素質的全面發展。

5 結語

針對專業的定位及課程的特點，本文從教學內容的優化整合、教學方法多樣化、多種教學手段并用、創新實踐教學、完善合理的教學考核制度幾個方面進行課程教學改革研究。通過實踐，教學中以學生為中心，注重理論聯系實際，學生的分析能力、創新能力得以提高，改善了教學效果。

參考文獻

［1］張學敏.“數字信號處理”課程教學改革實踐［J］.中國電力教育，2009（3）：140-141.

［2］曹建玲，朱聯祥，劉煥淋.“數字信號處理”課程教學改革與實踐［J］.中國電力教育，2011（20）：75-76.

［3］鄭展恒.“數字信號處理”實驗課程的教學改革與探索［J］.無線互聯科技，2011（8）：69-71.

［4］殷海雙，王永安.“數字信號處理”課程教學改革與探索［J］.中國電力教育，2011（7）：75-76.

［5］彭啟琮.“數字信號處理”課程雙語教學的初步實踐與探討［J］.電氣電子教學學報，2003（25）：12-14.

Exploration on teaching reform of “Digital Signal Processing” course

Abstract： With the modernization of various domestic industries， the demand for related talents is increasing. In order to adapt to the development of industry and the training needs of corresponding professionals， to meet the development of disciplines and the needs of society for curriculum knowledge， this paper analyzes the teaching reform of “Digital Signal Processing” course. Teaching reform is mainly manifested in the optimization and integration of teaching content， the diversification of teaching methods， the use of multiple teaching methods， the innovation of practical teaching， the improvement of reasonable teaching assessment system， and the cultivation of students’ ability to analyze problems， solve problems and design. Through practice， the teaching reform improves the students’ engineering practice ability and innovation ability， and improves the teaching effect.

Key words： “Digital Signal Processing”; curriculum teaching; reform