數(shù)字信號處理課程分類和分層教學(xué)模式探索

王 典，劉 財，劉 洋，鹿 琪，馮 晅

（吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130026）

隨著科學(xué)技術(shù)和計算技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號處理的理論和技術(shù)取得了飛躍的進展，已經(jīng)滲透到生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，成為目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛、成效最顯著的新興學(xué)科之一[1]。相應(yīng)的“數(shù)字信號處理”課程已經(jīng)不僅僅是電子信息類專業(yè)的課程，也是非電子信息類相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。

吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院有多個不同專業(yè)、不同層次的班級：勘查技術(shù)與工程專業(yè)普通班（以下簡稱“工科普通班”）、教育部“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗計劃”（又稱“珠峰計劃”）支持的李四光地球物理實驗班（以下簡稱“理科實驗班”）、勘查技術(shù)與工程專業(yè)國家“卓越工程師計劃”實驗班（以下簡稱“卓越工程師班”）等。這3個不同類型的班級，培養(yǎng)目標不同，對學(xué)生的要求不同。勘查技術(shù)與工程專業(yè)為國家級一類專業(yè)，“工科普通班”是以培養(yǎng)該專業(yè)應(yīng)用地球物理方向的本科生為目標，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實際工作能力以及具有在本領(lǐng)域內(nèi)進行科學(xué)研究的初步能力。“理科實驗班”是中央專項撥款“珠峰計劃”提供支持、培養(yǎng)創(chuàng)新型領(lǐng)軍人才為目標的實驗班。勘查技術(shù)與工程專業(yè)國家“卓越工程師班”是為了培養(yǎng)造就創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才。

針對不同層次的教學(xué)對象和不同的培養(yǎng)方案，如何調(diào)整“數(shù)字信號處理”課程的教學(xué)內(nèi)容使其適應(yīng)不同的培養(yǎng)目標，如何采取有效的教學(xué)手段提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，這是專業(yè)基礎(chǔ)課教師所面臨的重要課題[2]。我們以此為目標，采取課程分類、教學(xué)分層的模式，突破“一鍋出”的教學(xué)弊端，旨在提高不同類型班級“數(shù)字信號處理”課程的教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的各類人才服務(wù)。

1 教材的分類選擇

“數(shù)字信號處理”這門課程的教材很多，選擇適合培養(yǎng)目標的教材是提高教學(xué)效果的前提。對于工科普通班的學(xué)生來說，需選擇內(nèi)容簡潔、取材精煉的經(jīng)典教材。西安電子科技大學(xué)出版社出版、高西全主編的《數(shù)字信號處理》（第3版）[3]已經(jīng)得到了全國多數(shù)非電子和通信類專業(yè)的認可，作為主要授課教材使用。

“理科實驗班”以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為主要目標，在教材選擇上，要充分發(fā)揮學(xué)生的自主意識，著重培養(yǎng)和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。在以西安電子科技大學(xué)出版社出版、高西全主編的《數(shù)字信號處理》（第3版）作為教材的基礎(chǔ)上，以北京大學(xué)出版社出版、程乾生著的《數(shù)字信號處理》[4]作為輔助教材。

“卓越工程師班”采取以目標為先導(dǎo)，“多教材整合、課外教材輔助”的原則。以北京大學(xué)出版社出版、程乾生著的《數(shù)字信號處理》和西安電子科技大學(xué)出版社出版、高西全主編的《數(shù)字信號處理》（第3版）作為主要授課教材，同時選擇OPPENHEIM的經(jīng)典教材DISCRETE-TIME SIGNAL PROCESSING和程佩青的《數(shù)字信號處理教程》作為課外輔助教材，經(jīng)典課外教材的輔助閱讀能夠培養(yǎng)學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)能力，擴大視野，提高專業(yè)英語的水平。

2 教學(xué)內(nèi)容的分層設(shè)置

“工科普通班”以培養(yǎng)學(xué)生實際工作能力為目標，在教學(xué)內(nèi)容的選擇上注重知識的連貫性和實際應(yīng)用性。從時域離散信號的產(chǎn)生和簡單運算、時域離散系統(tǒng)分析、Z變換及傅里葉變換的各種形式，最后到濾波器的設(shè)計，清晰的課程講授脈絡(luò)對于學(xué)生把握知識的整體性和連貫性十分重要。同時，在把握整體方向的基礎(chǔ)上，關(guān)注細節(jié)才是知識延續(xù)的關(guān)鍵。

“理科實驗班”的課程在設(shè)置上要更著重于基礎(chǔ)理論教學(xué)，同時培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力。在教學(xué)內(nèi)容的選擇和設(shè)置上，緊密結(jié)合后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，增加相關(guān)分析、希爾伯特變換、最小相位信號等內(nèi)容的講解，加強基礎(chǔ)理論的發(fā)展歷程、發(fā)展動態(tài)等方面的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生對科學(xué)發(fā)展軌跡有縱向的認識[5]，從而激發(fā)學(xué)習(xí)動力，增強學(xué)生對基礎(chǔ)科學(xué)理論研究的興趣和信心。

“卓越工程師班”的教學(xué)必須堅持“基礎(chǔ)理論和工程實踐并重”的原則，增大實驗教學(xué)學(xué)時的比重，設(shè)計多個綜合性和創(chuàng)新性的實驗項目，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動力和興趣，提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力。理論教學(xué)學(xué)時的壓縮需要整體調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，如將采樣和量化問題進行壓縮，添加到模擬信號數(shù)字處理一節(jié)中講解，時域離散信號的簡單運算、信號的時域采樣和頻域采樣等問題，可以在實驗教學(xué)中實現(xiàn)，既節(jié)省了理論教學(xué)時間，又增加了教學(xué)的生動性，易于學(xué)生理解。

3 教學(xué)方法的合理運用

多媒體教學(xué)和板書教學(xué)相結(jié)合。多媒體教學(xué)作為目前廣泛應(yīng)用的教學(xué)手段，可以使教學(xué)內(nèi)容形象化、直觀化[6]，提高教學(xué)效率。但是過多地采用多媒體教學(xué)，會使課堂信息量過大，縮減了學(xué)生的思考空間，特別是“數(shù)字信號處理”涉及的數(shù)學(xué)理論和公式繁多，選擇部分公式利用板書教學(xué)進行詳細的公式推導(dǎo)，可以吸引學(xué)生的注意力，使學(xué)生關(guān)注推導(dǎo)的細節(jié)，記憶更牢固，同時可以增加師生間的互動，鼓勵學(xué)生積極參與課程學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的主體地位。合理地使用板書教學(xué)、關(guān)注細節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生基礎(chǔ)科學(xué)研究能力的重要手段之一。

Matlab語言輔助課堂教學(xué)和實驗教學(xué)相結(jié)合[7]。Matlab語言具有強大的科學(xué)計算和可視化功能，作為數(shù)字信號處理的有力助手，成為教學(xué)的重要部分。利用Matlab輔助課堂教學(xué)演示和進行設(shè)計綜合性實驗，前者可提高課程教學(xué)效果，后者是檢驗理論知識綜合運用能力和體現(xiàn)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力的有效手段。例如，講授離散信號的褶積運算、離散信號的頻域分析等問題時，學(xué)生容易感到抽象難懂，采用理論講解和Matlab仿真工具相結(jié)合方式，通過參數(shù)調(diào)節(jié)和形象展示，增加感性認識，加深對理論知識的理解[8]。在實驗教學(xué)中，學(xué)生親自動手參與仿真實驗，進行參數(shù)調(diào)節(jié)、結(jié)果演示，分析解決實際應(yīng)用問題，激發(fā)了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力[9]。對于“卓越工程師班”的學(xué)生來說，利用Matlab進行實驗已成為必不可少的重要手段。

研究性教學(xué)是提高學(xué)生實踐能力的新型教學(xué)模式。類似于以科學(xué)研究的方式組織和引導(dǎo)學(xué)生獲取和運用知識[10]，是一種基于案例、問題的學(xué)習(xí)方法，旨在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維和分析解決問題的能力。例如，給定通帶范圍、阻帶范圍、通帶最大衰減和阻帶最小衰減，設(shè)計巴特沃斯低通濾波器。通過解決這些開放性的問題，樹立以學(xué)生為主體的教學(xué)觀，引導(dǎo)學(xué)生以問題為先導(dǎo)，發(fā)揮主觀能動性，克服單純模仿的弊端，提高學(xué)生提出新問題、發(fā)現(xiàn)新問題和解決新問題的能力[11－12]，增強學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣，加深對基礎(chǔ)知識的理解。

4 結(jié)束語

“工科普通班”的教學(xué)重實際工作能力，“理科實驗班”的教學(xué)重基礎(chǔ)科學(xué)研究能力，“卓越工程師班”的教學(xué)重創(chuàng)新和實踐能力。例如，“工科普通班”旨在學(xué)習(xí)如何根據(jù)各種技術(shù)指標設(shè)計濾波器；“理科實驗班”要求學(xué)生對濾波器設(shè)計過程中的某一個環(huán)節(jié)進行理論的改進、提升；對于“卓越工程師班”的要求則是把這個經(jīng)過改進的濾波器應(yīng)用到實際的生產(chǎn)中。針對這些不同專業(yè)和培養(yǎng)方案，“數(shù)字信號處理”這門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，必須進行課程的分類和教學(xué)的分層設(shè)置、多種教學(xué)方法的合理調(diào)整和綜合運用，建立以基礎(chǔ)學(xué)習(xí)、提高學(xué)習(xí)、興趣學(xué)習(xí)[13]為目標的教學(xué)模式，是提高教學(xué)質(zhì)量、增強學(xué)生對知識的綜合運用能力和解決實際問題能力的關(guān)鍵。

（References）

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