數字信號處理課程教學改革探討

李莉

（華僑大學 廈門工學院 電子信息工程系，福建 廈門 361000）

數字信號處理課程教學改革探討

李莉

（華僑大學 廈門工學院 電子信息工程系，福建 廈門 361000）

《數字信號處理》課程理論性強，學生普遍反映較難理解且無法將所學知識在實際中運用。針對此情況，本文分別通過課堂教學以及實踐教學改革進行討論，注重理論教學與實踐教學的有機結合，激發學生的學習興趣，促進學生動手能力和創新能力的提高。

數字信號處理；教學輔助；CDIO；工程實踐

一、引言

隨著計算機和信息技術的飛速發展，數字信號處理[1-2]在現代科技中的地位越來越重要，在電子信息、通信等各個領域，都具有廣泛的應用?！稊底中盘柼幚怼芬殉蔀閲鴥韧飧咝殡娮有畔ⅰ⑼ㄐ诺葘I學生開設的專業基礎課。通過該課程的學習旨在讓學生正確的掌握數字信號處理的基本原理及分析方法，為今后從事信號處理工作打下良好的基礎。

該課程理論性較強，原理抽象，公式及推導煩瑣，學生普遍反映較難理解且無法很好地將所學知識進行靈活的實際運用。我院將該課程理論教學與實踐教學有機結合，并進一步深化CDIO工程教育理念[3]，對數字信號處理課程進行優化改革。數字信號處理課程與工程應用實踐聯系緊密，讓學生從工程應用角度理解相關知識更有意義。針對不同階段、不同知識點靈活運用引導式、啟發式和討論式教學方法，利用專題講解的形式介紹數字信號處理學科領域的具體應用和前沿知識，激發學生的求知欲。通過一系列的實踐教學及課程改革，促進學生實踐能力和創新能力的提高。

二、課堂教學

1.輔助教學軟件的開發與應用。數字信號課程大量運用數學公式、系統理論，抽象難懂。數字信號處理的一些基本概念和方法往往被眾多煩瑣的數學公式推導所掩蓋。傳統的教學方式大多采用板書的形式將數學公式和定理證明進行分析與推導。大量的板書只會讓學生覺得枯燥乏味，注意力往往無法集中。然而，采用課件演示方法進行講解也只是簡單的將書本知識進行搬移，課件演示使得課堂節奏過快，一些重要的理論知識無法深入理解，不會靈活變通?？梢姡n件演示結合板書的教學模式，很難達到預期的教學目的。應用輔助教學軟件[4]，增強教學過程中的互動性，引發學生的學習積極性和創造性顯得十分有必要。輔助教學軟件的應用可形象地以圖形化方法將一些煩瑣、復雜、抽象的公式和定理演示給學生，使得枯燥的理論更加容易地被學生接受和理解。

Matlab軟件為我們提供了強大的數值分析和計算結果可視化功能等工具箱，十分適合在《數字信號處理》課程中的應用。例如，在IIR濾波器的設計教學過程中，利用輔助教學軟件演示濾波器設計的幅頻或相頻特性（如圖1所示），并結合濾波器的應用實例（巴特沃斯濾波器應用——圖像增強[4]），展示最終處理效果，如圖2所示。這種教學方式不僅可以生動形象的闡述理論知識，還能借鑒實例講解理論知識的運用，在增強學生的學習興趣的同時還能引導學生積極地參與到課程的實踐教學活動中去。

圖1 巴特沃斯濾波設計

圖2 巴特沃斯濾波器在圖像增強中的應用

2.實踐案例引入教學?！稊底中盘柼幚怼氛n程與工程應用聯系緊密，傳授如何在工程中運用相關知識顯得更為重要。目前，很多高校對專業基礎課程的教學還停留在大量灌輸理論知識階段，不注重培養學生的實踐經驗，根本無法做到學以致用。針對這種現象，在教學過程中，應注重對重要的理論知識、信號處理方法的應用的講解與介紹。例如，講解離散傅里葉變換（DFT）時，介紹頻譜分析在語音信號識別中的應用；學習數字濾波器的設計過程中，介紹圖像信號的濾波處理的應用等。

在對某一知識體系講授時，可以采用圖片和音頻或視頻等形式有針對性地介紹不同技術在數字信號處理領域的相關應用，使得學生可以將基礎學科所學知識和工程應用研究成果聯系起來，有助于調動他們學習的積極性和主動性。在課程的中后期可采用專題介紹的形式將最新的有關數字信號處理的研究成果介紹給學生。鼓勵學生積極參與相關課題的探討，利用我院的實踐平臺（CDIO創新實驗室），在教師的指導下完成一些創新項目的開發，鍛煉學生的實踐與創新能力。通過自學、討論、查閱資料，并在教師指導下，參與教師承擔的相關項目和科研活動，鍛煉學生運用知識解決問題和創新能力。鼓勵學生在整個教學中，力求通過各種手段將理論知識和實踐相結合，讓學生切實地體會到學以致用。

三、實踐教學

為了更好的讓學生掌握數字信號處理相關知識及方法，實踐教學環節的設置必不可少。目前，大多數高校都存在實踐課程與理論課程嚴重脫節的現象，學生很難將實踐內容與理論課程結合在一起。我院采取理論教學與實踐教學教師統一的方式，理論教師直接指導實踐教學，使得理論教學和實踐教學緊密結合，相輔相成。實驗教學中，盡可能地做到課堂與實驗室相互穿插，甚至可將課堂轉移至實驗室。當講授某些重點知識后，馬上進行相應地實驗練習，加深對該知識理論的理解與掌握。

教師要對實驗內容精心設計與安排，可根據學生的能力水平和興趣因材施教，設置簡單的驗證性實驗和應用性較強的綜合設計性實驗。對于驗證性實驗主要側重理論知識的驗證與深入理解，這部分實驗可主要由教師講解，學生獨立完成；綜合設計性實驗主要鍛煉學生對整個課程的全面理解與掌握以及如何利用課程內容解決實際問題的能力。結合數字信號處理在工程上的應用實例精心編排綜合設計性實驗[6-7]，教師給出與本課程相關的綜合設計性題目供學生自主選擇。學生要根據設計的要求，進行一定的自學與調研，通過查閱相關資料并與教師探討自行設計方案，并進行方案驗證完成設計實驗的要求。在制定綜合設計題目的同時盡量鼓勵學生參與到教學活動中，調動其學習積極性。

例如，傳統的IIR濾波器設計實驗通常是教師給出數字濾波器的技術指標，學生按照設計濾波器步驟直接進行設計。這種實驗的教學方式僅僅只是強化學生對數字濾波器設計步驟的記憶，無法讓學生深入地理解到數字濾波器在數字信號處理領域如何運用，如何根據具體應用背景設定指標參數。因此，綜合設計實驗的選題一定要以實際的工程應用為前提?？梢钥紤]以語音、圖像或心電圖信號的濾波（去噪）為應用背景，根據不同信號的特點及要求進行濾波器的設計。在設計的過程中，學生首先要學會各類信息的采集方法，接著，要求學生要熟悉各類信號的頻譜分布狀況，根據頻譜分析確定濾波器的指標參數并進行濾波器的選型，最終還要對濾波器的濾波效果進行主客觀評價。這種實踐教學模式可以引導學生運用數字信號處理的知識來分析、解決問題，在研究中加深對基礎知識的理解，提高利用理論知識解決問題的能力。

四、結束語

《數字信號處理》課程已成為各大高校電子、通信專業的基礎課程，在各個領域應用廣泛。該課程的理論性過強、公式復雜，傳統的教學模式很難讓學生理解數字信號處理的意義何在。數字信號處理課程的教學改革需要教師用心思考、精心設計。教學輔助軟件的合理使用，將抽象的理論知識形象生動化，有助于加深對信號處理相關知識的理解，教學中貫穿實踐案例，能夠更好地幫助學生理解基礎課程的實際意義，合理安排實驗內容可有效地將理論與實踐結合，大大增強學生的學習興趣與積極性，從而達到提高教學質量的目的。

[1]楊毅明.數字信號處理[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]高西全，丁玉美.數字信號處理[M].第三版.西安電子科技大學出版社，2008.

[3]顧佩華，陸小華.CDIO工作坊手冊[M].汕頭大學出版社，2008.

[4]潘偉.Matlab在數字信號處理輔助教學中的應用[J].綿陽師范學院學報，2010，29（3）：99-103．

[5]閆敬文.數字圖像處理MTLAB版（第二版）[M].國防工業出版社，2011.

[6]張峰，石現峰，張學智.數字信號處理原理及應用[M].北京：電子工業出版社，2012.

[7]許爽，李敏.綜合設計性數字信號處理實驗的探討[J].大連民族學院學報，2010，12（3）：277-280.

G642.0

A

1674-9324（2014）20-0058-02

李莉（1984-），女，河南開封人，華僑大學廈門工學院電子信息工程系，助教，研究方向：數字圖像處理、圖像/視頻編碼。