現代數字信號處理課程的教學改革與實踐

摘要：針對現代數字信號處理的課程特點，開展課程的教學改革與實踐，建立基于MATLAB實現的教學示例，并應用于課堂與實踐教學，有助于提高教學質量，培養學生的研究能力和創新能力，且促進課程由傳統課堂教學向研究型教學轉化。

關鍵詞：現代數字信號處理；教學；MATLAB；教學示例

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）06-0093-02

隨著計算機和微處理器技術的迅速發展，學科間的交叉與融合，數字信號處理技術得到了飛速發展，出現了以現代濾波器技術、現代譜分析理論、智能信息處理方法等為標志的現代數字信號處理理論及技術，并廣泛應用于現代通信、新型雷達、精確遙測、醫療等眾多領域。目前，現代數字信號處理課程主要面向研究生層次學生開設。由于該課程的理論性和實踐性都很強，且其基本原理和方法已廣泛應用于各領域，因此教師教好和學生學好該課程都很重要。

一、課程特點及傳統教學中存在的困難

現代數字信號處理課程具有數學理論推導較多、內容廣泛、概念抽象等特點。由于工科研究生的數學理論水平普遍不高，同時課程的學時有限，若教學方法不當，學生一方面在學習過程中常感到枯燥乏味，難以理解和掌握；另一方面易造成學生畏懼學習的心理，失去學習興趣。現代數字信號處理同時是一門以算法為核心，實踐性很強的課程，其算法的應用實現主要基于計算機的數值計算。如果教師采用傳統的教學方式，主要講授基礎理論和算法的推導，學生則主要利用大量的公式、算法及推導進行學習和解題，而忽視讓學生采用計算機動手設計、調試和分析課程中大量的、應用性較強的內容，會使得學生感覺該課程是一門數學理論課，不利于他們深層次理解數學概念中所蘊含的物理和工程意義，從而造成課后實踐受到很大限制，不利于學生以后從事有關信號處理領域的研究工作。因此，如何提高學生學習的興趣和主動性，增強他們對知識的理解和掌握，培養學生綜合應用所學知識解決實際問題的實踐能力是本課程教學所要解決的關鍵問題。

二、課程的教學改革與實踐

我校的控制理論與控制工程專業（以下簡稱雙控專業）碩士研究生開設了現代數字信號處理課程，該課程是學位專業課，共32個學時。目前，針對該門課程教學中所遇到的問題，我們以提高教學質量為目的，加強課程建設，從課堂教學和實踐環節入手，精選和強化與學科方向有關的教學內容，建設MATLAB實現的教學示例，并將教學示例引入到課堂教學和實踐教學當中，改進教學方法，積極開展教學探索與實踐；在教學過程中注重學生“知識-能力-素質”的全面發展，以及注重培養學生的研究能力與創新能力，通過近兩年的教學改革與嘗試，取得了一定成效。

（一）精選教學內容

目前經典的數字信號處理具有比較完善的課程體系，而現代信號處理的課程體系呈多樣化特點，不同的教材在主體內容上相差很大。在選擇教學內容時，結合控制科學與工程學科的實際需求，并考慮我校雙控專業生源大都來自地方性院校，學生的專業背景，知識結構、理論基礎、理解能力、實踐能力等方面存在較大差異。選擇的課程內容一方面側重基礎性、完整性、系統性和應用性，另一方面體現雙控專業研究生的培養目標，具有確保后續課程（如《系統辨識》、《數字圖像處理》、《DSP技術原理及開發應用》）學習所具備的理論知識基礎。因此，本課程選擇的教學內容包括基礎知識簡介、最佳線性濾波理論（維納濾波和卡爾曼濾波）、自適應信號處理和現代譜估計理論等部分。

（二）選擇恰當的教材

教材是一門課程的基礎，我們根據教學需求，通過調研及教材對比，并結合雙控專業學生的使用效果反饋，主要采用姚天任教授主編的《現代數字信號處理》作為課程教材。該教材一直是華中科技大學、武漢理工大學等重點高校碩士或博士研究生教材用書，教材的系統性、知識性特點適于雙控專業研究生教學。在教學過程中推薦張賢達教授的《現代信號處理（第二版）》、高西全等著的《數字信號處理——原理實現及應用》、郭仕劍等編著的《MATLAB7.X數字信號處理》作為知識補充和利用MATLAB開展實踐學習的參考用書。

（三）建設MALAB實現的教學示例用于課堂教學

現代數字信號處理課程內容抽象、較難理解，同時作業也具有較多計算量，單純的筆算較為繁瑣，因此仿真教學環節非常重要。同時，該課程的實踐性強，因此將實際工程問題以教學示例的形式引入到授課過程也很有必要。MATLAB軟件具有強大的計算分析和繪圖能力，可以將繁瑣的推導過程形象化，用仿真手段直接得出重要結論，可大幅度降低理解問題的難度，提高學習效率。因此，筆者把知識內容進行學科方向強化，將理論知識與具體工程問題相結合，建立了“信號有效記錄長度對信號頻譜分析的影響”、“維納濾波器對檢測信號的降噪應用”、“卡爾曼濾波器在直流伺服電機系統位置控制中的應用”、“卡爾曼濾波器在雷達目標跟蹤中的應用”、“IP電話回聲自適應抵消器的設計”、“自適應工頻陷波器的設計”，“現代譜分析理論在系統辨識中的應用”等十余個教學示例。示例的知識點較為全面，涵蓋教學大綱的所有教學內容部分。在教學中結合專業特點，選擇恰當的工程問題建立教學示例，并在課堂中講授工程問題的解決過程和演示MATLAB仿真結果，有助于學生理解數學概念中的物理及工程意義，使得復雜問題簡單化，抽象問題可視化、生動化，讓學生理解和掌握知識更為直觀和輕松，從而達到提高課堂教學質量，擴展學生知識面，培養起學生學習興趣的目的。同時，教學示例的引入有助于促使學生初步掌握科研實踐規律，增加理解知識的深度和廣度，增強學生的工程實踐意識，從而達到“為我所學”和“學以致用”的目的。

（四）改進教學方法和手段

《現代信號處理》內容抽象，數學含量較大且學時較少。我們在教學中充分利用板書教學和幻燈片教學的各自優勢。板書教學用于相對簡單、邏輯嚴密的推導證明過程，可以給學生相對充足的思考時間。幻燈片教學主要用于非重點內容、拓展知識部分或直接展示部分，它利用形象思維方式提高授課效率。這兩種教學方法相互補充，有效地解決了學時不多的問題，提高了教師教與學生學的效率。在教學過程中，將教學課件、習題集及解答、教學實例的設計過程和MATLAB實現的程序源代碼與學生共享，這不僅便于學生課后的教學內容重現，提高學習效率，又可為科研工作擴展思路。

（五）精心設計基于MATLAB實現的課程作業，實施實踐教學

基于掌握重點、突破難點、解決疑點、結合實際的原則設計MATLAB實現的課程作業。作業題涵蓋常用數字濾波器、維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應信號處理和現代譜估計等內容。布置的作業均給出具體任務要求，學生通過查閱相關參考文獻，并利用MATLAB編程語言實現。實驗性的課程作業已在2009~2010級雙控專業學生中，以小組合作學習方式實施。為了檢查學生的實踐性作業的完成情況，我們在課程教學的結束階段，各小組選出代表，進行求解過程講解、程序演示和問題答辯，小組的參與所有成員均參與答辯環節。這種實踐教學方式作為學生成績的考核依據之一。從實踐效果看，設計性的課程作業不僅可以彌補課程內容概念抽象、難以理解的不足，充分發揮學生的主動性和創造性，使學生得到良好訓練的同時，理論知識得以深化和鞏固，提高學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，而且培養了學生的創新意識，以及嚴謹、有序、科學的工作作風，團結協作的科研精神，為學生進入研究階段的學習打下基礎。

提高教學質量是高校教育教學改革的永恒主題。結合現代數字信號處理的課程特點和學生的專業特點，精選教學內容和教材，建立與實際工程問題相關的、MATLAB程序實現的教學示例，并將示例用于課堂教學，同時開展設計性課程作業的實踐教學，這不僅起到了克服傳統教學困難、豐富教學內容、提高教學效果的作用，另一方面有助于充分發揮學生的主動性和創造性，使學生的理論知識得到深化和鞏固，實踐能力、創新意識得以培養和提高。

參考文獻：

[1]姚天任，孫洪.現代數字信號處理[M].武漢：華中科技大學出版社，1999.

[2]張賢達.現代信號處理（第二版）[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3]高西全，丁玉美，闊永紅.數字信號處理——原理、實現及應用[M].北京：電子工業出版社，2009.

[4]郭仕劍，等.MATLAB7.X數字信號處理[M].北京：人民郵電出版社，2006.

基金項目：廣西工學院研究生課程建設項目資助（201010594YKJ04）