高等院校《數(shù)字信號處理》新教學(xué)方法探究

摘要：《數(shù)字信號處理》課程理論知識很強，內(nèi)容復(fù)雜繁多，針對目前教與學(xué)中存在的問題，從教學(xué)手段、實踐教學(xué)、多媒體教學(xué)以及課程考核等方面進行了一些改進和探索。

關(guān)鍵詞：《數(shù)字信號處理》；教學(xué)方法；Matlab；多媒體教學(xué)

中圖分類號：G642.41 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）37-0057-03

《數(shù)字信號處理》是電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)。它的任務(wù)是使學(xué)生獲得數(shù)字信號處理方面的基礎(chǔ)理論、基本算法和DSP軟硬件開發(fā)的基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

《數(shù)字信號處理》一般是在大三的第一個學(xué)期或第二學(xué)期開課，它的先修課程是信號與系統(tǒng)，學(xué)生掌握了連續(xù)信號與系統(tǒng)的時域、頻域及復(fù)頻域分析方法，進一步掌握和了解數(shù)字信號與系統(tǒng)的分析方法，特別是數(shù)字濾波的設(shè)計以及在MATLAB中的實現(xiàn)。教師在教學(xué)過程中，需要把凝聚在課本上的知識、方法、技能深入淺出地傳授給學(xué)生。同時，為了提高教學(xué)效果，教師需要善于抓重點，知識結(jié)構(gòu)層次要分明，對不同的學(xué)生，要因材施教。針對這門課程的應(yīng)用性、創(chuàng)新性、實踐性等特點，以及數(shù)字信號處理本身的飛速發(fā)展，需要對教學(xué)大綱的內(nèi)容進行修改和完善，在不動搖基本理論、基本概念、以及基本分析和設(shè)計方法的前提下，優(yōu)化理論知識結(jié)構(gòu)，加強實驗操作技能訓(xùn)練，特別是諸如數(shù)字濾波器設(shè)計等綜合能力的訓(xùn)練。

另外，利用多媒體教學(xué)手段和校園網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化平臺的建設(shè)為教學(xué)提供新的活力，從而使課堂教學(xué)內(nèi)容更加豐富，增加上課信息量的傳遞。在課時不斷壓縮的情況下，提高學(xué)生的主觀積極性，從而使教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率得以提高。具體可從以下幾個方面進行改進。

一、多種教學(xué)手段結(jié)合使用

1.《數(shù)字信號處理》是一門實踐性和理論性都很強的專業(yè)課，在教學(xué)過程中，為提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，采取理論教學(xué)和實驗實訓(xùn)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)方法，使學(xué)生真正做到學(xué)以致用。傳統(tǒng)的理論教學(xué)，是以灌輸式方法為主要方式進行教學(xué)的，為了趕學(xué)習(xí)進度，老師整堂課都是不斷地講解，這樣使學(xué)生的積極性得不到充分發(fā)揮。為充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，應(yīng)采用啟發(fā)式教學(xué)方式，即老師講解只占課堂時間的40%，學(xué)生和老師的互動（如例題與習(xí)題的解答）占30%，課堂上現(xiàn)場實驗操作與仿真占30%。通過對基本原理知識的講解、習(xí)題的解答、以及實物仿真操作訓(xùn)練，使學(xué)生在掌握基本理論知識的基礎(chǔ)上，學(xué)會分析和解決問題的方法、能力，同時也調(diào)動同學(xué)的主動參與意識，讓學(xué)生親自享受到自己的學(xué)習(xí)成果，真正發(fā)揮教學(xué)相長優(yōu)勢。

2.開展黑板板書、網(wǎng)絡(luò)資源共享和多媒體課件教學(xué)相結(jié)合的多形式授課方式。對《數(shù)字信號處理》中一些基本定理和基本結(jié)論，如DFT的性質(zhì)，F(xiàn)FT算法原理等，需要利用黑板板書進行推導(dǎo)和證明，讓學(xué)生一步步沿著老師的思路得以理解和說明；而對于一些需要圖示舉例、演示、以及形象理解的知識點，如循環(huán)移位、循環(huán)卷積等，可通過多媒體（聲音、圖像、視頻、動畫等多種形式）形象生動的教學(xué)方式進行互動教學(xué)；而對于課后的習(xí)題、相關(guān)背景知識的介紹以及課堂內(nèi)容的擴展部分，則充分利用校園網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，建立《數(shù)字信號處理》課程的主頁，上傳相關(guān)課程資源，建立答疑和討論空間。

3.將數(shù)字信號處理、Matlab語言以及DSP技術(shù)有機地結(jié)合起來，使同學(xué)們在學(xué)習(xí)了有關(guān)信號處理的理論知識后，通過算法語言進行軟件仿真，并在DSP硬件平臺上得以實現(xiàn)。這樣，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能將所學(xué)的知識融會貫通，并將基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課有機地關(guān)聯(lián)起來，使學(xué)生擺脫大學(xué)各課程獨立性的錯誤觀念，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

二、理論算法與工程實踐緊密結(jié)合

1.實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際，提高自身基本操作技能的重要手段，是培養(yǎng)與就業(yè)結(jié)合的適用型人才不可缺少的重要部分。在完成了課堂的理論教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后，要想真正做到學(xué)以致用，學(xué)生就必須進行實驗學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，把課本中學(xué)到的知識用到實際的設(shè)計和工程中。實驗項目是以工程案例為背景，如：用FFT對信號作頻譜分析、人體心電圖信號的噪聲處理、數(shù)字信號處理在雙音多頻撥號系統(tǒng)中的應(yīng)用等，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。實驗訓(xùn)練可加深學(xué)生對所學(xué)課本知識及原理的理解，同時也培養(yǎng)了學(xué)生獨立分析問題能力，提高編程設(shè)計和調(diào)試的基本技能，增強學(xué)生的動手能力。

2.加強課程設(shè)計中數(shù)字信號處理與DSP技術(shù)的緊密結(jié)合。學(xué)生靈活運用所學(xué)的數(shù)字信號課程知識，通過對一個較小的數(shù)字信號處理去應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，如語音信號的濾波、語音信號頻譜分析、電力系統(tǒng)的諧波分析等。在課程設(shè)計尾聲階段，教師現(xiàn)場檢查學(xué)生設(shè)計的硬件和軟件調(diào)試結(jié)果，根據(jù)學(xué)生完成課程設(shè)計任務(wù)的情況，以評分細則依據(jù)公平、客觀地評價學(xué)生成績。學(xué)生通過某個工程案例的設(shè)計、調(diào)試和撰寫設(shè)計報告，掌握信號處理算法設(shè)計和DSP軟硬件設(shè)計的完整過程，學(xué)會Matlab和DSP開發(fā)壞境的操作、程序編寫與調(diào)試。對學(xué)生進行信號處理方面的工程綜合訓(xùn)練，訓(xùn)練學(xué)生的綜合設(shè)計能力、程序設(shè)計及調(diào)試能力和產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)的理論知識獨立地解決實際問題的能力。為學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造思維能力、解決實際問題提供了廣闊的設(shè)計舞臺。

3.著力培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力。進行基于DSP處理器的信號處理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計培訓(xùn)，并與全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神及工程設(shè)計實踐能力。課程由教師講授、學(xué)生課外自學(xué)、競賽實戰(zhàn)題目制作、論文寫作、題目測試點評等環(huán)節(jié)組成。

三、現(xiàn)代教育技術(shù)的應(yīng)用

1.讓學(xué)生通過先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)習(xí)國外著名大學(xué)的相關(guān)數(shù)字信號處理課程的一些相關(guān)知識，同時學(xué)習(xí)國外課程綜合大作業(yè)的考核方式，鼓勵同學(xué)利用業(yè)余時間選擇合適的課題，利用所學(xué)的知識提出問題、分析問題并解決問題，最后寫出綜合報告，真正做到學(xué)以致用。

2.設(shè)置不同理論層次和不同知識模塊的課程班。在基本要求不降低的條件下，把Matlab仿真語言引入課程中，使學(xué)生以一種生動形象的方式練習(xí)學(xué)到的理論知識，深刻領(lǐng)會基本概念和基本原理。實踐課上，分別開設(shè)了軟件實驗項目（以Matlab語言仿真為主的軟件實驗）、硬件實驗項目（以DSP開發(fā)為主的硬件實驗）以及軟硬結(jié)合的綜合實驗（Matlab語軟件仿真和DSP硬件開發(fā)）等幾個層次，保證不同基礎(chǔ)的同學(xué)能有更好的選擇。

四、改革課程的考核方式

改革課程考核方式中的單一性以及先教授再考核的傳統(tǒng)方式，變筆試考核為理論考核和設(shè)計實踐考核的結(jié)合，采取邊教授邊考核的辦法。

《數(shù)字信號處理》課程教學(xué)內(nèi)容多、時間短，除離散信號與系統(tǒng)的時域、頻域、復(fù)頻域分析外，還重點闡述了數(shù)字濾波器設(shè)計等綜合性知識，這些都需要學(xué)生了解、掌握并能利用MATLAB進行仿真試驗。要在課堂教學(xué)中完成教學(xué)大綱要求的基本知識點的訓(xùn)練和應(yīng)用有一定難度，教學(xué)任務(wù)很重。如何在有限的教學(xué)時間內(nèi)完成基本教學(xué)內(nèi)容，又兼顧該門課程的專業(yè)性、綜合性及工程實踐性，同時又能考核學(xué)生對專業(yè)難點、橫縱向知識點的邏輯掌握是核心關(guān)鍵的問題。為解決課程教學(xué)中的矛盾，在課程考核中，帶領(lǐng)學(xué)生把部分課堂搬到具體的實際設(shè)計中，讓學(xué)生親歷課程中的理論內(nèi)容和實際的結(jié)合，由此輕松記憶教學(xué)中的難點和重點。再從學(xué)生“教”和“學(xué)”的過程中，解決教學(xué)中專業(yè)性、綜合性及實踐性的問題，同時亦可解決時間短、教學(xué)內(nèi)容多的問題。《數(shù)字信號處理》是綜合性和理論知識特別是數(shù)學(xué)知識很強的課程，該課程前小半部分的內(nèi)容已在前修的《信號與系統(tǒng)》中涉及過。但《數(shù)字信號處理》是以時域離散信號為處理對象，與連續(xù)信號與系統(tǒng)中的計算方法大相徑庭。例如，《信號與系統(tǒng)》中大量用到了積分，而在數(shù)字信號處理中就是迭分（累加求和），信號與系統(tǒng)中的微分，在數(shù)字信號處理中就變?yōu)椴罘值龋芏鄬W(xué)生很難一下子轉(zhuǎn)變觀念。此外，《數(shù)字信號處理》中的DFT、DTFT、FFT三者變換之間的聯(lián)系和區(qū)別更是難中之難。

該課程傳統(tǒng)的考核辦法常常是先講授所有的知識點再統(tǒng)一綜合考核——閉卷考試。這種方法雖能在最后的考試成績中反映學(xué)生對該課程某些難點和重點知識的掌握，卻忽略了《數(shù)字信號處理》知識多樣性的特點，特別是實際設(shè)計部分。因此，在考核時，只顧及所謂的“重點、難點”而舍棄“綜合性、多樣性”是不夠完善的。我們應(yīng)該每講解一個獨立知識點就進行及時的考核檢驗，這種邊講授邊考核的方式既能更好地檢驗每位學(xué)生對小知識點掌握的深度，又不影響該知識點與整個課程的聯(lián)系。

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