“數字信號處理”課程的分層教學模式改革與實踐

摘要：在對“數字信號處理”課程教學改革的實踐中，采用分層教學模式對學生進行全方位的課程內容訓練，有機地結合了理論和實踐部分的內容，探索出更加符合學生們接受知識和應用知識學習規律的教學方法，提高了學生的創造能力、分析和解決問題的能力，效果良好。

關鍵詞：數字信號處理；MATLAB仿真；教學改革

作者簡介：李磊（1981-），男，河南南陽人，鄭州大學物理工程學院，講師；楊潔（1983-），女，河南商丘人，鄭州大學物理工程學院，講師。（河南 鄭州 450001）

基金項目：本文系2012年度教育部大學生創新創業訓練計劃課題（項目編號：1210459084）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0056-02

“數字信號處理”課程是電子信息、通信工程、自動化工程及相近專業必修的專業課，在電氣工程、測控技術、計算機技術等領域得到了廣泛應用。[1]當前國家越來越重視大學生的創新意識和實踐能力的培養。通過實施教育部大學生創新創業訓練計劃和卓越工程師計劃，促進高等學校轉變教育思想觀念，改革人才培養模式，強化創新創業能力訓練，增強高校學生的創新能力和在創新基礎上的工程實踐能力，培養適應創新型國家建設需要的高水平創新人才。為了提高學生的創新意識和應用知識解決實際問題的工程實踐能力，需要調整“數字信號處理”課程的教學內容，引入新的教學手段和教學方法來提高學生學習的積極性，這是專業基礎課教師所面臨的重要課題。筆者介紹了一種針對本科生教學的分層教學模式，突破單一的理論灌輸的教學弊端，顯著提高學生們學以致用的能力，并運用實例介紹了這種分層教學模式。

一、“數字信號處理”課程教學現狀

數字信號處理是一門理論性很強的課程，內容抽象，公式繁多，課程內容涉及很多數學推導與計算。目前，傳統的教學模式主要存在以下問題：[2，3]

1.教學內容過度重視理論推導，不注重理論和實踐相結合

國內大學的很多任課老師往往注重講授公式性質、定理的由來，注重理論的嚴謹與正確性，這勢必大大占據有限的授課時間。這種教學思路使課程陷于數學推導和計算，而使學生感到枯燥乏味，抓不住重點，教學效果大打折扣。

2.課程實驗內容單一，與工程實踐還有距離

課程實驗內容一般都以MATLAB軟件作為仿真平臺，對課程中的時域離散信號、系統的時頻域理論和數字濾波器設計理論進行仿真實驗。誠然，MATLAB仿真軟件作為信號處理的實驗手段，具有信息量大、形象直觀的特點，在很大程度上補充了單一的理論教學模式。但是仿真手段畢竟是理論的數學編程，還是脫離了工程應用的實際背景。仿真不能完全取代本課程的實驗和實踐內容。算法仿真內容過于形式化、過于簡單，只能作為工程實踐的前期階段設計內容。

二、分層教學法原則與內容

傳統的數字信號處理課程大多只討論算法的理論及其推導，較少涉及工程實現方法及相應的軟硬件技術。大學的教學應是理論教學、實踐教學和科學研究為一體的，實踐教學作為理論和科學研究的橋梁，是現有理論的源頭，也是未來科研開拓的基礎。理論課程應實現教學形式的多樣化，包括多種實驗、課程設計、科技競賽和創新活動等。數字信號處理課程可以分為理論學習，算法仿真，數字信號處理工程應用平臺實驗，課題為導向的數字信號處理課程工程實踐拓展訓練四個層次。[4]

1.第1層：理論學習

廣義來說，數字信號處理是研究用數字方法對信號進行分析、變換、濾波、檢測、調制、解調以及快速算法的一門技術學科。目前本科生只是學習經典的數字信號處理理論，主要包括有關數字濾波技術、離散變換快速算法和譜分析方法。因為教學時間有限，現代信號處理或者數字圖像處理的內容只能根據項目需求有針對性進行學習和研究。教師可以鼓勵學生去搜索相關文獻，查找資料，激發他們的自學熱情和能力。

2.第2層：算法仿真

算法仿真往往是電子信息工程實施以前必經的重要階段。MATLAB語言具有強大的科學計算和可視化功能。它作為數字信號處理的有力助手，成為教學的重要部分。其以矩陣運算為基礎，具有豐富的數值計算功能，強大的繪圖功能，更重要的是具有完備的數字信號處理函數工具箱。比如FIR濾波器的設計，包含三種方法：程序設計法、FDATool設計法和SPTool設計法。其中FDATool（Filter Design Analysis Tool）是MATLAB信號處理工具箱專用的濾波器設計分析工具，操作簡單、靈活，可以采用多種方法設計FIR和IIR濾波器。在MATLAB命令窗口輸入FDATool后回車就會彈出FDATool界面。SPTool是MATLAB信號處理工具箱中自帶的交互式圖形用戶界面工具，它包含了信號處理工具箱中的大部分函數，可以方便快捷地對信號、濾波器及頻譜進行分析、設計和瀏覽。學生可以采用MATLAB進行電子工程中算法的前期仿真，然后將MATLAB程序轉換成C語言移植到硬件平臺上。

3.第3層：數字信號處理工程應用平臺實驗

數字信號處理算法需要借助特有的硬件平臺實現工程應用，采用的編程語言一般是C語言。目前數字信號處理系統的硬件實現方式一般有三種：（1）利用通用可編程DSP芯片進行開發的方式。由于是采用基于C語言進行編程，算法實現過程簡單，但資源受到限制，并行度差。（2）采用專用集成電路ASIC方式進行開發。雖然效率高，但開發流程長，成本高，開發出來的系統不能更改。（3）采用FPGA芯片進行開發。可以提供高效率和高質量的數字系統。在實際硬件平臺選型中，使學生能夠對單片機、ARM、DSP、FPGA的應用領域加以區分，從而更加深刻認識到DSP和FPGA實現數字信號處理的巨大優勢。

4.第4層：課題為導向的“數字信號處理”課程工程實踐拓展訓練

課題為導向的教學模式是提高學生實踐能力的新型教學模式。它以大學生創新實驗項目為平臺，以基于案例為教學模式，以科學研究的方式組織和引導學生獲取和運用知識，培養學生創新性思維和分析解決問題的能力。這種方式克服了教學和實驗中單純模仿的弊端，發揮學生的主觀能動性，拓展學生的眼界，引導學生解決開放性問題，促使學生不斷提出新問題、發現新問題和解決新問題。

以上這四個層次并不是單一的順序遞進關系，而是不斷交互的關系。比如工程實際問題的解決過程往往促使學生回歸理論學習層次去深入研究，反過來能夠更好地去解決工程實踐中遇到的技術難題。算法仿真采用的MATLAB語言需要轉換成數字信號處理工程應用平臺實驗使用的C語言進行移植，這也需要第二層和第三層內容的不斷交互。

三、教學實例

為了實現對學生實踐能力的綜合培養、潛力開發和工程創新精神的激勵，學校積極為學生們搭建工程實驗平臺，為學生參加“全國電子設計競賽”、全國挑戰杯、大學生創新實驗計劃項目等活動奠定基礎。下面基于教育部大學生創新實驗課題“基于麥克風陣列聲源定位的動態視頻跟蹤系統”來例證“數字信號處理”課程的分層教學模式。[5]

首先，學生們經過調研確定項目需求，選取合適的算法模型進行研究。基于課題驅動的教學模式促使學生從需求這個工程項目源頭進行考慮。經過廣泛的調研，學生們發現在日常生活中，常規的攝像頭監控系統的攝像頭安裝是固定的，監控方位是靜態的，只能監控有限的方位區間。這樣的監控系統監控方位區間狹窄，難免存在很大的監控盲區，無法很好地實現監控功能。由人類的耳朵和眼睛協調工作的仿生原理得到啟發，人類的耳朵相當于一個二元聲音傳感器陣列，捕捉到聲源信息，通過大腦判斷，得到聲源的方位信息。然后驅動我們的脖子扭轉到聲源方向，我們的眼睛就可以實時看到聲源目標，做出視覺的判斷。為此，學生們用微型麥克風陣列來代替人耳，用一個步進電機來代替脖子，用攝像頭代替眼睛，用DSP處理器來代替人腦實現信號的運算處理和控制功能，從而實現一個基于麥克風陣列聲源定位的動態視頻跟蹤系統，如圖1所示。這樣，該視頻監控系統通過麥克風陣列進行多傳感器聯合信號處理，可以首先根據聲源的聲音有無來判斷是否啟動監控，再通過聲源的方位可以驅動步進電機，自動轉動攝像頭跟蹤實時運動的目標，實現無盲區、全角度實時自動監控。

算法模型的確定促使學生廣泛閱讀文獻，最終找到了陣列信號處理理論作為麥克風陣列數學建模的理論基礎。通過MATLAB仿真分別分析了仿真的寬帶音頻信號和實驗采集的音頻信號，驗證理論模型和實驗結果能夠很好地匹配。該本科生研發團隊把寬頻聲音信號的特點和傳統的遠場聲源方位估計算法相結合，依據到達時間差的聲源定位原理，提出了一種頻域波束形成算法，系統框圖如圖2所示。系統上電后，多路麥克風分別接收音頻信號，并進行采樣緩存，送入DSP處理器中進行端點檢測，如當前信號為噪聲或無用信號，則丟掉已采集的信號幀數據；如檢測到有用信號，則對其進行頻域波束形成和進一步處理，最后采用基于能量值的譜搜索算法計算出聲源的方位，從而控制步進電機驅動攝像頭轉向聲源所在方位，使聲源出現在攝像頭視野范圍內。該課題針對當前智能視頻監控存在的監控盲區的問題，提出并實現了一種基于麥克風陣列的寬頻聲源定位系統。通過采用頻域波束形成和基于能量值的譜搜索算法，實現了二維空間聲源的快速準確定位。經驗證該系統在室內及室外對各種聲源的實時響應表現良好，在現代視頻監控中具有一定的工程實用意義。通過該課題學生們申請了實用新型專利和發明專利各一項，學術期刊論文2篇，了解了電子信息工程設計的步驟和培養了科學研究的基本素養。

四、結語

按照上述的分層次遞進教學模式，使學生按照基礎理論實驗、仿真實驗和DSP工程實現理論和實踐的交互學習。這一體系從簡單到復雜，從理論到實踐，循序漸進，逐步提高。經過工程實踐的訓練，激發了學生們學習“數字信號處理”課程的熱情，鞏固了課本上的知識，拓展了工程實踐的視野。同時，大大提高了學生們獨立解決問題的能力和工程實踐創新能力。學生在專利申請和論文撰寫的訓練中，實踐了科學研究的方法，為將來的科學研究奠定基礎。通過上述的教學實踐，取得了良好的教學效果，得到了廣大師生的認可。

參考文獻：

[1]程佩青.數字信號處理教程[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2]王典.數字信號處理課程分類和分層教學模式探索[J].實驗技術與管理，2013，（2）：31-32.

[3]魏強，等.課題驅動式教學在《數字信號處理》課程中的探索與實踐[J].教育教學論壇，2012，（20）：212-213.

[4]楊述斌，等.數字信號處理實踐教學的層次設計[J].實驗室研究與探索，2009，28（2）：123-125.

[5]李磊等.基于labview的聲學相控陣視頻監控系統[J].電子測量技術，2013，（4）：11-14.

（責任編輯：劉輝）