數(shù)字信號處理課程教學(xué)方法改革與實踐

[摘要]針對“數(shù)字信號處理”課程理論性和實踐性強但概念抽象等特點，結(jié)合江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院學(xué)生和課程教學(xué)的實際情況，對課程教學(xué)進行了改革。實踐證明，通過改革增強了教學(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字信號處理，教學(xué)改革，多媒體教學(xué)，MATLAB。

[中圖分類號]TN911.72[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634(2008)03-0237-03

“數(shù)字信號處理”是國內(nèi)外許多大學(xué)電子信息類專業(yè)的必修專業(yè)基礎(chǔ)課程。數(shù)字信號處理包含了很多抽象的概念和理論，很多結(jié)論的推導(dǎo)涉及到大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，學(xué)生聽起來枯燥無味，理解和掌握起來有一定難度。結(jié)合江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院實際教學(xué)的特點，筆者在教學(xué)實踐基礎(chǔ)上，對教學(xué)方法做了一定的改革和探討。

1教材選擇與教學(xué)內(nèi)容改革

1.1教材選擇

目前“數(shù)字信號處理”的教材很多，筆者教學(xué)一直選用由程佩青編著、清華大學(xué)出版社出版的教材《數(shù)字信號處理教程》（第二版）。該書對信號處理的基礎(chǔ)理論和基本算法進行了充分的論述與討論，條理清楚，深入淺出，有利于學(xué)生更牢固地掌握數(shù)字信號處理的基本概念及基本理論。同時將丁玉美編的《數(shù)字信號處理》作為參考書，該書的特點是簡練易懂，配有習(xí)題，便于學(xué)生通過作業(yè)的訓(xùn)練來了解各個知識點。此外，對學(xué)習(xí)能力比較強的學(xué)生，還推薦其參閱由Avtar Singh（美國）和 S.Srinivasan（印度）編著、蔣曉穎譯，清華大學(xué)出版社出版的國外經(jīng)典教材《數(shù)字信號處理》一書，該書不僅介紹了數(shù)字信號處理的基本知識，還對數(shù)字信號處理器DSP的體系結(jié)構(gòu)、編程方法作了介紹，便于學(xué)生作進一步學(xué)習(xí)。

1.2教學(xué)內(nèi)容改革

數(shù)字信號處理的理論性比較強，內(nèi)容涉及到大量公式的推導(dǎo)，前幾屆學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)起來枯燥無味。為了改變這種狀況，讓學(xué)生在有限的學(xué)時（共64學(xué)時，含16學(xué)時實驗）內(nèi)更好地掌握數(shù)字信號處理的基本知識點，筆者對數(shù)字信號處理的授課內(nèi)容進行了精心安排和選擇，精簡了部分內(nèi)容，重點講授基本概念和關(guān)鍵結(jié)論，避免大量冗長復(fù)雜的公式推導(dǎo)。

筆者把數(shù)字信號處理的基本內(nèi)容分成三大部分（見表1）：數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)理論、數(shù)字信號處理的核心內(nèi)容、數(shù)字信號處理的擴展知識。其中，第一部分關(guān)于離散信號與系統(tǒng)的時域分析、z變換等在“信號與系統(tǒng)”課程中已學(xué)習(xí)過，可作簡單的回顧和復(fù)習(xí)，重點講解DTFT變換、DFT變換的算法原理，以及DFT的快速實現(xiàn)算法FFT，同時要理清各種變換之間的關(guān)系，便于學(xué)生系統(tǒng)的掌握知識；第二部分內(nèi)容是本課程的核心和難點，可通過深入詳細地分析其內(nèi)涵、特點及與其它知識點之間的相互關(guān)系，使學(xué)生真正理解和掌握數(shù)字濾波器的設(shè)計方法；而第三部分內(nèi)容，只作簡單的介紹，主要采取學(xué)生自學(xué)的方式來完成。

2多媒體輔助教學(xué)

基于本課程的特點，在教學(xué)過程中，宜采用板書和多媒體教學(xué)相結(jié)合的授課方式，且以板書為主，多媒體為輔。針對一些基本原理和基本方法的推導(dǎo)和證明的需要，仍然采用課堂板書的授課方式，這種授課方式易控、靈活、互動性強，可以讓學(xué)生跟隨教師的思路來領(lǐng)會課堂知識；而對于一些需要形象理解、圖示舉例以及動畫演示的部分，則可采用多媒體教學(xué)方式，充分利用聲音、圖像、視頻、動畫等多種形式進行互動教學(xué)。

例如，可以利用flash動畫來演示連續(xù)時間信號的抽樣、DTFT、DFT之間的關(guān)系（見圖1）。通過flash的動畫效果，演示從上至下，從左至右，讓內(nèi)容依次出現(xiàn)，并配合教師的講解，從而讓學(xué)生形象的理解模擬信號抽樣與頻譜的關(guān)系，以及各種信號傅里葉變換之間的關(guān)系，達到對該知識點的真正融會和貫通。

又例如，在講授序列的傅里葉變換（DTFT）和離散傅里葉變換（DFT）時，學(xué)生理解和區(qū)分起來就很困難：都是序列的傅里葉變換，為什么有兩種形式呢？實際上，DTFT和DFT都是從頻譜分析的角度來分析一個序列。對于DTFT，只要該序列滿足絕對可和的條件，則它的傅里葉變換一定存在且連續(xù)，由于其一個域是連續(xù)的，因而不適合在計算機上運算。而DFT是專門針對序列“有限長”的特點而提出的，其頻譜也是離散的，因而適于在計算機上運算，并且可以通過快速傅里葉變換（FFT）實現(xiàn)。為了讓學(xué)生不產(chǎn)生混淆，在教學(xué)過程中，可以利用MATLAB進行現(xiàn)場仿真，讓學(xué)生通過仿真結(jié)果直觀掌握二者的關(guān)系和區(qū)別（見圖2）。實驗中，采用矩形序列。其中a圖是序列的波形圖及其DTFT變換的連續(xù)譜，周期為，圖中顯示的為主值區(qū)間（）頻譜。b圖是通過16點和32點FFT來實現(xiàn)的序列DFT變換，其中虛線所示的包絡(luò)為信號的DTFT連續(xù)譜，從中明顯可以看出，DFT實際上是對主值區(qū)間上的DTFT連續(xù)譜在頻域進行抽樣，抽樣點數(shù)即FFT變換的點數(shù)。通過這樣的現(xiàn)場仿真分析，學(xué)生很容易掌握和理解DTFT和DFT的關(guān)系和區(qū)別。

3實驗教學(xué)與理論教學(xué)同步進行

數(shù)字信號處理是一門理論與實踐緊密聯(lián)系的課程，僅通過課堂的理論教學(xué)和適量的課外作業(yè)，學(xué)生還是完全停留在對理論的膚淺認識上。為此，加大了實驗教學(xué)的力度（共16學(xué)時），讓實驗教學(xué)與理論教學(xué)同步進行，以及時有效的加深學(xué)生對理論知識的鞏固和理解。筆者汲取先進的實驗教學(xué)理念和思想，結(jié)合江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院學(xué)生的實際特點，對實驗教學(xué)進行了改革和實踐，編寫了《數(shù)字信號處理實驗指導(dǎo)書》，以充分培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。該實驗指導(dǎo)書以MATLAB語言為基礎(chǔ)，將“信號與系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”兩門課程的基本知識融合在一起，分段實施，逐步深入，讓學(xué)生對數(shù)字信號處理的基本知識達到真正的融會貫通。該實驗指導(dǎo)書共設(shè)置了6個實驗（見表2），每個實驗除包含實驗?zāi)康摹嶒瀮?nèi)容和實驗步驟外，還對本實驗涉及的基本知識進行了簡單的回顧，同時對實驗中用到MATLAB函數(shù)進行了介紹，對難以理解的復(fù)雜函數(shù)給出了具體的實例程序，以對學(xué)生自己動手編程起到拋磚引玉的作用。此外還要求學(xué)生根據(jù)實驗報告的要求，對比實驗結(jié)果和課堂所學(xué)的理論知識，對結(jié)論進行總結(jié)和分析，寫出實驗報告。

通過“數(shù)字信號處理”課程的教學(xué)研究和改革，從與學(xué)生的交談和考試成績來看，江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院2004級學(xué)生對該課程的理解和掌握程度比前幾屆普遍要好。實踐證明，對于“數(shù)字信號處理”等理論性、實踐性都很強的課程，必須在教學(xué)內(nèi)容、課堂教學(xué)和實踐教學(xué)方面進行不斷的探索和嘗試。今后在教學(xué)過程中，筆者將會繼續(xù)進行教學(xué)研究，不斷完善教學(xué)過程，提高教學(xué)質(zhì)量，為社會培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才。

參考文獻

1任治剛.“數(shù)字信號處理”多媒體教學(xué)方法初探[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2006，(12).

2 張志涌.精通MATLAB6.5版[M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.