數字信號處理課程教學改革的探索

平頂山學院電氣信息工程學院 李 寧 薛亞許

數字信號處理課程教學改革的探索

平頂山學院電氣信息工程學院 李 寧 薛亞許

本文針對數字信號處理課程理論性強、抽象概念多等特點，結合我校該課程實際教學情況，從課程體系、教學模式、實驗教學和考核方式四個方面進行改革、研究。通過多媒體教學和試驗教學的結合，收到了較好的教學效果。

數字信號處理；教學改革；教學方法

一、引言

數字信號處理作為高等院校電子信息類專業的一門專業必修課，隨著全球信息化的飛速發展，其應用日益廣泛。在本課程的教與學的過程中，普遍反映該課程理論性很強，抽象概念多，難以理解和掌握。尤其是對三本學生來說，學生數學基礎相對薄弱，且未開設實驗課，學習本課程有一定困難，導致學生怕學、厭學、學不懂、學習興趣不高。因此如何幫助學生理解與掌握該課程的基本理論、并能夠綜合運用相關知識解決實際問題是本課程的首要任務。本文結合平頂山學院電氣信息工程學院數字信號處理的教學現狀，對課程體系、課堂教學模式、實踐教學和考核方式進行積極探索。

二、課程體系的優化

數字信號處理課程作為信號處理學科一門重要的專業基礎課，覆蓋我院電子信息工程和測控技術與儀器兩個專業，通過幾屆授課及與學生的課堂交流發現存在以下問題：學生在接收到相關課程的學習時僅能理解和掌握每一門課程中的一些理論知識，而且都是分散、凌亂的，甚至一部分學生僅僅為了期末考試過關，無法形成一個完成的課程體系，提高自身的分析問題、解決問題的能力，導致學生被動學習、目標不明確，缺乏積極性，從此惡性循環。針對這些問題，入學時教師的引導十分重要，這就要求每一門課程的授課老師不僅對自身專業領域非常熟悉，還需要站在信號處理這門學科的角度去考慮，做到自然銜接，讓學生能逐漸建立自己的知識體系，提高學習積極性和信心。同時需要進行合理的課程結構設置，整合教學內容，優化課程體系。使幾門相關的課程組成一個結構合理、層次清晰、相互連接的課程群體[1]，進而獲得整體優勢。

數字信號處理課程其先修課程有信號與系統，高等數學、矩陣分析、MATLAB應用等。后續課程有DSP技術及應用、通信原理等。就目前我院相關專業的開設情況進行分析。

其一在課程內容的選擇上無法實現很好的銜接，比如高等數學中的傅里葉級數，不管是對連續信號還是離散信號的分析，都具有很重要的地位，但是目前我院電子與測控兩個專業所開設的高等數學課程中竟然把傅里葉級數這一章節刪掉不講。造成同學們對信號分解這部分的概念理解非常困難。高等數學工科專業上的第一門基礎課，學習目的是為了以后能在相關專業課程中有所應用，目前我校基礎課課程的內容選擇上無法以專業課為導向，不能把相關知識應用到專業課中去，造成學習基礎課時感覺枯燥、難懂；學習專業基礎課時重要的知識點沒有學到或者十分生疏，不利于后續課程的開展。針對這種情況應該通過相關學科教師之間進行交流，通過對內容調整使基礎課與專業課都能達到很好的教學效果。

圖1 頻域采樣定理的驗證

其二在課程的安排順序上需要進行調整。MATLAB是一種仿真軟件，在數字信號處理課程中應用很廣泛，無論是對信號進行譜分析還是濾波器的設計都采用該軟件進行實現，作為一種功能強大的計算工具，學生需要掌握MATLAB軟件的應用來處理專業課中所遇到的問題。目前我院MATLAB課程作為考查課在大四上學期開設，而考研的同學卻沒法在這學期投入較多的精力去學習，在某種程度上也影響到其他專業課程相關知識點的展開，如果能把該軟件的學習作為一門基礎課開設在大二上學期，則能使教育資源得到更好的利用。在數字信號處理這門課程的學習中得心應手，游刃有余。

三、教學模式的更新

數字信號處理存在概念多、不直觀且非常抽象、公式推導繁瑣等問題。在學習這門課程時，學生普遍感到數字信號處理的概念抽象，對其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握。因此，如何幫助學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用所學知識解決實際問題的能力，是數字信號處理課程教學所要解決的關鍵問題。

首先，要轉變教學思想。在教學過程中，強調基本內容的深刻理解和基本概念的建立，淡化公式的推導和解題技巧，強化所學知識的綜合應用與創新能力的培養[2]；以培養學生的能力為核心，打破理論教學與實踐教學的界限，在多媒體教室將課堂教學與上機實驗融為一體，邊理論教學邊上機實驗，從而實現理論與實踐的有機結合。

其次，教師必須不斷地更新教學手段。“數字信號處理”課程中有許多抽象的數學概念，可以通過MATLAB演示實驗[3]，揭示其物理概念，幫助學生理解與掌握，從而提高學生的學習效率與學習積極性，利用啟發式的教學方法和個性化教學方法使學生有更多的發現問題、思考問題和解決問題的空間。下面舉例說明MATLAB在頻域采樣理論驗證中的應用。

例：長度為26的三角形序列x(n)，分別對序列x(n)進行16點32點的離散傅里葉變換(DFT)，分別對16點和32點頻域采樣進行離散傅里葉反變換(IDFT)，并繪制波形圖驗證頻域采樣理論[4]。

% 頻域采樣理論驗證

運行結果如圖1所示，由圖1可知：當采樣點數(DFT變換的點數)N=16<26(序列的長度)時，存在時域混疊失真(d)，x16(n)≠x(n);當采樣點數(DFT變換的點數)N=32>26時，無時域混疊失真(f)，x32(n)=x(n)。此結果與頻域率采樣理論的內容相符。

將MATLAB軟件引入數字信號處理教學中，不僅將枯燥難懂的數字信號處理課程變得有趣、易解，而且使學生能直觀地領會和理解分析方法和處理結果，這對推動學生靈活深入地掌握基本概念，激發學生的學習興趣，提高教學質量有著至關重要的作用。

四、實踐教學的改革

數字信號處理課程雖然理論性較強、但與實踐關系密切，如果僅利用課堂時間對理論知識進行講解，難以使學生有比較透徹的理解，無法應用到實踐。目前我院在該課程的開設上還未加入相應的實驗課，以致學生對相關知識的掌握相對膚淺。加入實驗課程，不僅能夠讓學生學會利用軟件分析問題、解決問題，同時也加深會所學知識的理解。

實驗項目的設置力求科學合理，根據課程內容的進展設計不同層次的實驗教學方案：驗證型(基礎型)、提高型、拓展型[5]。驗證型實驗主要是針對相關理論、算法進行驗證、分析，如信號的譜分析與頻域采樣定理的驗證等；提高型實驗主要是根據響應指標對實際系統進行設計，如數字濾波器的設計。拓展型實驗是根據相關理論和算法對實際系統的進行分析與改進，并結合其他相關專業課如DSP硬件技術進行硬件實驗。如可以對一段錄制聲音信號或者圖像信號進行去噪處理的MATLAB仿真與DSP實現。通過三個不同層次的實驗教學，不僅學生對該課程中的理論知識掌握得更加扎實，同時也更好的鍛煉和提升專業實踐能力和專業創新能力，極大地提高該課程的教學水平。

五、考核方式的多樣化

考試是影響學生學習的一個主要因素，而目前考核形式還是圍繞著公式的套用、基本數學運算等，考核結果也無法反映學生實際的掌握程度，甚至有些同學以考試過關為目的，具體收獲了什么知識、提高了哪些能力根本不關心，這勢必造成了考試帶來的過多負面影響，無法讓同學們在該課程的學習中提高自身的專業素養與實踐能力。隨著計算機軟件的發展與應用，對學生的要求也有所改變，不再像以前那樣重視單純的計算能力，而是利用所學基本原理和基本方法去學習新知識和解決實際問題的能力。因此，在新的歷史發展環境下，需要對當前的考核方法及考核內容進行改革。

從考核內容上，改變過去重理論輕實踐、重知識輕能力、重運算輕應用的考核方式，對學生知識和能力進行綜合考核[6]。從考核方式上，改變過去學生靠死記硬背公式去應付考試的現象，考試采取半開卷的方式，加強應用能力的培養。不再單純靠期末考試成績確定最終成績，考核內容包括平時學習、實踐環節、期末考試等，提高學生在每個環節中的積極性。

六、結論

在我院近幾屆電子信息工程專業和測控技術與儀器專業的教學中，進行多方面的改革嘗試，采用多媒體教學與試驗教學結合的教學模式，取得了較好的效果。隨著電子技術的快速發展和輔助軟件的應用，數字信號處理課程理論教學內容也在不斷地豐富和完善，教學方式還需要不斷地改進和優化，需要我們繼續學習和探索。

[1]李天倩,陽小明.信號處理相關課程結構探討[J].高等教育研究,2009,26(1):87-89.

[2]陳厚金,胡鍵,薛鍵,徐錕,郝曉莉.信號與系統和數字信號處理課程教學改革[J].電氣電子教學學報,1999.21(4):4-6.

[3]聶小燕,魯才.數字信號處理教學改革的探索[J].實驗科學與技術,2008,6(6):125-127.

[4]高西全,丁玉美.數字信號處理[M].西安電子科技大學出版社,2008:89.

[5]朱金秀,張卓,朱昌平.數字信號處理課程實驗教學研究與實踐[J].實驗室研究與探討,2008,27(5):96-98.

[6]余穎,肖靜,劉樹博.數字信號處理課程教學改革的探索和實踐[J].東華理工大學學報,2011,30(3):294-296.

[7]李力利.數字信號處理教學過程中的探索與體會[J].電氣電子教學學報,2003,25(2):86-89.

[8]高軍萍,王霞,李琦,閆林.數字信號處理課程教學改革的探索與體會[J].電氣電子教學學報,2007,29(2):19-21.

[9]李軍,周亞訓.基于MATLAB和DSP的數字信號處理課程實驗設計[J].實驗室研究與探索,2007,26(1):26-30.

The Investigation of Teaching Innovationfor the Curricula Digital Signal Processing

LI Ning，Xue Ya-xu
（College of Physics & Electric-Information Engineering，Pingdingshan University Pingdingshan 467000，China）

According to the characteristic of the Digital Signal Processing course，such as abundance in theory and uneasy to understand in concept.we have made some innovations and researches in curriculum system，teaching mode，experimental teaching and examination method combined with the teaching practice of our school.Multimedia teaching and experimental teaching are brought forward to achieve prominent effects.

Digital Signal Processing；Teaching Innovation；Teaching Effect

李寧（1983—），女，河南開封人，碩士研究生，主要從事基于傳感器陣列的氣體檢測系統方面的研究。