計(jì)算機(jī)專業(yè)“數(shù)字信號(hào)處理”課程研究性教學(xué)改革

摘要：本文從教學(xué)內(nèi)容改革、實(shí)踐環(huán)節(jié)改革、多媒體教學(xué)改革、課程網(wǎng)站建設(shè)等方面探討了“數(shù)字信號(hào)處理”課程研究性教學(xué)的改革探索與教學(xué)實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；研究性教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1引言

“數(shù)字信號(hào)處理”是電子信息類專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，概念抽象，對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，教和學(xué)均有一定難度。以往的教學(xué)多以“教材+板書(shū)+課堂講授”這一傳統(tǒng)形式，不直觀、不生動(dòng)，不利于激發(fā)學(xué)生的興趣，也不利于學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的消化理解，有必要對(duì)該課程實(shí)施改革，采用研究性教學(xué)方法。

研究性教學(xué)方法是由美國(guó)教育學(xué)家杜威提出倡導(dǎo)的，特別是他的“反省思維”理論。杜威認(rèn)為“反省思維”源起于對(duì)“不確定”的困惑。典型的反省思維包含五個(gè)序列不固定的階段，即問(wèn)題、觀察、假設(shè)、推理、檢驗(yàn)。學(xué)生在自主解決這些問(wèn)題的過(guò)程中進(jìn)行探究、實(shí)驗(yàn)、整合和積累專門(mén)化的科學(xué)知識(shí)，從而培養(yǎng)反省思維。我們按此思路對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程進(jìn)行了研究性教學(xué)方法的改革，涉及到教學(xué)內(nèi)容改革、實(shí)踐環(huán)節(jié)改革、多媒體教學(xué)改革、課程網(wǎng)站建設(shè)等方面。

2改革教學(xué)內(nèi)容，突出計(jì)算機(jī)專業(yè)特色

“數(shù)字信號(hào)處理”課程主要講解數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本分析方法和處理技術(shù)，主要討論離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、離散傅立葉變換DFT理論及其快速算法FFT、IIR和FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)以及有限字長(zhǎng)效應(yīng)。學(xué)生學(xué)習(xí)這門(mén)課，可掌握利用DFT理論對(duì)信號(hào)進(jìn)行譜分析，以及數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)有關(guān)圖像處理、語(yǔ)音信號(hào)處理等方面的課程打下良好的理論基礎(chǔ)。這門(mén)課程的先修課程有高等數(shù)學(xué)、信號(hào)與系統(tǒng)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等，后續(xù)課程有數(shù)字圖像處理、語(yǔ)音信號(hào)處理等。數(shù)字信號(hào)處理課程對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求比較高，如級(jí)數(shù)、傅里葉變換、拉普拉斯變換等。

數(shù)字信號(hào)處理課程在我院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)作為任意選修課開(kāi)設(shè)，教學(xué)內(nèi)容基本是其它電子信息類專業(yè)的子集，有著濃重的電子工程與通信工程的專業(yè)色彩，而缺乏計(jì)算機(jī)專業(yè)的特色，學(xué)生在學(xué)習(xí)這門(mén)課程時(shí)，普遍感到數(shù)字信號(hào)處理的概念抽象，對(duì)其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握，甚至有“隔行”的感覺(jué)。學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的缺失，不利于研究性教學(xué)的實(shí)施。

為了有助于學(xué)生理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，我們根據(jù)計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，著重突出“離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論”和“DFT理論及FFT算法”，兼顧“IIR和FIR”?？紤]到計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生沒(méi)有學(xué)過(guò)信號(hào)與系統(tǒng)這門(mén)前修課，“離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論”這部分內(nèi)容側(cè)重講概念，考慮到計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生不熟悉電子工程和通信工程領(lǐng)域，“DFT理論及FFT算法”這部分內(nèi)容注意與學(xué)生較熟悉的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用(如圖像處理、語(yǔ)音信號(hào)處理等)相結(jié)合，而對(duì)于“IIR和FIR”這部分內(nèi)容，由于與計(jì)算機(jī)專業(yè)“距離”相對(duì)較遠(yuǎn)，并不作為重點(diǎn)，只是講授基本思想，為學(xué)生自學(xué)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用關(guān)系緊密的現(xiàn)代濾波器(如卡爾曼濾波)奠定基礎(chǔ)。

3加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，引入MATLAB軟件，實(shí)施研究性教學(xué)

MATLAB的Signal Processing Toolbox提供了大量的模型，用于表示多種信號(hào)和線性時(shí)變系統(tǒng)，包括傳遞函數(shù)、狀態(tài)空間和零極點(diǎn)增益以及信號(hào)表示形式的轉(zhuǎn)換函數(shù)，提供了一套完整的有限脈沖響應(yīng)(FIR)和無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR) 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法。這些方法支持快速低通、高通、帶通、帶阻和多頻帶濾波器的設(shè)計(jì)與分析。濾波器類型包括：Butterworth濾波器、Chebyshev 濾波器、elliptic濾波器、Yele-Walker 濾波器、基于窗的濾波器、最小二乘法和Parks-McClellan 濾波器(實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù))。濾波器結(jié)構(gòu)包括直接Ⅰ型、直接Ⅱ型，Lattice、lattice-ladder和二階節(jié)型。Signal Processing Toolbox還提供了計(jì)算多種變換的工具，包括離散傅立葉變換，離散余弦變換，Hilbert 變換和Goertzel變換。利用圖形用戶界面GUI工具，學(xué)生可以交互地查看和檢測(cè)信號(hào)，設(shè)計(jì)濾波器，進(jìn)行譜分析，并同時(shí)觀察參數(shù)及方法的影響，這些工具非常有利于時(shí)間序列，零極點(diǎn)位置的可視化。GUI工具包括：FDATool，F(xiàn)VTool，SPTool，WINTool等。

將MATLAB應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

(1) 在課堂上將理論教學(xué)與MATLAB圖形演示結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生在接受枯燥理論知識(shí)的同時(shí)，可以看到相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的驗(yàn)證演示，理解各種變換的計(jì)算過(guò)程，從而使課堂教學(xué)更加直觀、生動(dòng)和緊湊。圖1給出一個(gè)用于課堂教學(xué)的實(shí)例，該實(shí)例來(lái)自MATLAB 6.5自帶的Demo，可以非常生動(dòng)地演示離散傅里葉變換。該例中，通過(guò)用鼠標(biāo)拖動(dòng)波形曲線(上部子窗口)，可以實(shí)時(shí)地觀察到離散傅里葉變換結(jié)果的變化。圖1(a)是頻率較低的正弦信號(hào)的變換，圖1(b)是頻率較高的正弦信號(hào)的變換，非常直觀的顯示了離散傅里葉變換的物理意義。此外，還可以通過(guò)Signal下拉列表框選擇正弦波、方波、鋸齒波等不同波形、通過(guò)Window下拉列表框選擇矩形窗、三角形窗、Chebyshev窗、Kaiser窗等不同窗函數(shù)來(lái)演示各種的變換結(jié)果。教學(xué)過(guò)程中，還可以根據(jù)需要修改程序，實(shí)現(xiàn)更豐富的功能。

圖1 離散傅里葉變換演示

(2) 針對(duì)課堂教學(xué)中涉及的重點(diǎn)、難點(diǎn)適當(dāng)布置課外實(shí)踐題目，讓學(xué)生利用MATLAB軟件對(duì)某一專題進(jìn)行自主研究，完成平時(shí)以書(shū)面形式難以完成的題目，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，提高學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

4改革教學(xué)手段，推進(jìn)多媒體教學(xué)

數(shù)字信號(hào)處理課堂教學(xué)過(guò)程中，涉及到大量的信號(hào)變換與分析圖譜，僅靠板書(shū)畫(huà)圖，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不精確，不生動(dòng)。教學(xué)實(shí)踐表明，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式單一，連續(xù)不斷的講解常常令教師疲憊不堪，學(xué)生也因單調(diào)乏味而產(chǎn)生厭煩心理，致使教學(xué)目的難以達(dá)到，教學(xué)質(zhì)量難以保證。而多媒體作為一種新型的教學(xué)手段，以其鮮明的圖像、生動(dòng)的畫(huà)面、靈活多變的動(dòng)畫(huà)及聲音效果，克服了傳統(tǒng)教學(xué)模式的諸多不足，受到師生的認(rèn)可與好評(píng)。多媒體教學(xué)是指在教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)對(duì)象的特點(diǎn)，通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)，合理選擇和運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)媒體，并與傳統(tǒng)教學(xué)手段有機(jī)組合，共同參與教學(xué)全過(guò)程，以多種媒體信息作用于學(xué)生，形成合理的教學(xué)過(guò)程結(jié)構(gòu)，達(dá)到最優(yōu)化的教學(xué)效果。

我們綜合了現(xiàn)有各種教材的配套課件，根據(jù)我們的教學(xué)內(nèi)容開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的多媒體課件(如圖2)，尤其注重信號(hào)變換的圖解演示。多媒體教學(xué)的應(yīng)用，不僅增加了課堂的生動(dòng)性，同時(shí)增加了課堂的信息量，適當(dāng)引入了數(shù)字信號(hào)處理的典型產(chǎn)品圖片、有代表性的學(xué)者照片及相關(guān)的科學(xué)故事，提高了學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)積極性，也培養(yǎng)了學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的精神，在教書(shū)的同時(shí)，融入了育人理念。

圖2 數(shù)字信號(hào)處理多媒體課件

5建設(shè)課程網(wǎng)站，提供課外研究交流平臺(tái)

課堂教學(xué)的時(shí)間畢竟是有限的，隨著課時(shí)的不斷壓縮，課堂講授的內(nèi)容也必須不斷精簡(jiǎn)，而且還有留出更多的時(shí)間進(jìn)行課堂研討，一些內(nèi)容沒(méi)有充足的時(shí)間在課堂上展開(kāi)。為了有效地拓展課外學(xué)習(xí)、研究和交流的空間，我們基于學(xué)校的Blackboard Academic Suite系統(tǒng)建設(shè)了數(shù)字信號(hào)處理課程網(wǎng)站(圖3)，開(kāi)辟了課程信息、教師信息、教學(xué)資源、課程論壇、學(xué)科動(dòng)態(tài)、趣味知識(shí)、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、測(cè)測(cè)自己、作業(yè)收發(fā)等板塊，尤其教學(xué)資源板塊，分門(mén)別類地提供了教學(xué)課件、電子教材、實(shí)用軟件、外部資源等大量豐富資源，這些資源，有的是自行開(kāi)發(fā)的，有的是來(lái)自Internet的，極大地彌補(bǔ)了課堂教學(xué)的不足，為學(xué)生課外研究交流提供了平臺(tái)。

圖3 數(shù)字信號(hào)處理課程網(wǎng)站

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