“DSP原理及應(yīng)用”教學(xué)方法的探索與實(shí)踐

邱雄邇 李輝

摘 要： “DSP原理及應(yīng)用”課程是通信與電子專業(yè)最初開設(shè)的。本文簡述了在電氣測控類專業(yè)開設(shè)“DSP原理及應(yīng)用”的必要性；指出了教學(xué)過程中存在的主要問題，分析了產(chǎn)生問題的主要原因；初步探索了“DSP原理及應(yīng)用”教學(xué)方法，闡述了在教學(xué)過程中遵循的基本原則和采取的主要措施，為該課程的教學(xué)實(shí)踐提供有益參考。

關(guān)鍵詞： DSP原理與應(yīng)用 教學(xué)方法 教學(xué)實(shí)踐

1.引言

DSP技術(shù)本身也是信號與信息處理學(xué)科中一個(gè)重要的分支。隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于圖像處理、儀表與控制、語音/音頻、無線電通信、生物醫(yī)學(xué)、消費(fèi)應(yīng)用、數(shù)字、便攜移動(dòng)電話、多功能移動(dòng)通信系統(tǒng)、數(shù)字電視等諸多領(lǐng)域。因此，“DSP原理及應(yīng)用”課程紛紛被國內(nèi)外大學(xué)的通信、電氣自動(dòng)化、電子類專業(yè)作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在理工科高等教育體系中占有重要地位，它既是通信、電氣自動(dòng)化、電子類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，又是測控技術(shù)和電子測量等學(xué)科的專業(yè)課程。

在測控技術(shù)領(lǐng)域，DSP技術(shù)的應(yīng)用正在逐步普及，“DSP原理及應(yīng)用”課程教學(xué)受到了普遍重視。我院電氣測控類專業(yè)于2007年起開設(shè)的本課程作為本科三年級學(xué)生的專業(yè)必修課程。

2.面臨的困難與挑戰(zhàn)

（1）在“DSP原理及應(yīng)用”課程的教學(xué)實(shí)踐中存在以下問題和不足：①該課程將高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)及線性代數(shù)等課程內(nèi)容作為基本工具并賦予實(shí)際的工程物理意義，在內(nèi)容、分析方法和處理技術(shù)方面的基本概念與學(xué)科發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步不相適應(yīng)；②概念抽象，涉及的數(shù)學(xué)公式多，繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)使學(xué)生感到難學(xué)、難懂、學(xué)了不會應(yīng)用；③各種教材重點(diǎn)突出數(shù)學(xué)分析、工程概念薄弱，原理、方法與應(yīng)用脫節(jié)。例如，“離散傅里葉變換快速算法（FFT）”部分的主要內(nèi)容是推導(dǎo)變換過程和結(jié)果，基本是數(shù)學(xué)概念，淡化了工程概念，不利于學(xué)生理解其在實(shí)際中的應(yīng)用。

（2）電氣測控類專業(yè)學(xué)生沒有開設(shè)信號與系統(tǒng)課程，雖然電氣測控類專業(yè)的學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)了“自動(dòng)控制原理”等課程，部分內(nèi)容與“信號與系統(tǒng)”有相似之處，但是無法替代“信號與系統(tǒng)”課程中所涉及的重要基礎(chǔ)知識。

（3）“數(shù)字信號處理”部分內(nèi)容在相關(guān)課程中有所涉及，我校電氣測控類專業(yè)學(xué)生所學(xué)相關(guān)課程中，有“自動(dòng)控制原理”、“現(xiàn)代測控技術(shù)”中涉及“Z變換”，“現(xiàn)代控制理論”中涉及“系統(tǒng)的穩(wěn)定”，“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”中涉及“數(shù)字濾波器”等內(nèi)容。這些先修課程中涉及的內(nèi)容都是“DSP原理及應(yīng)用”的重點(diǎn)內(nèi)容，部分課程存在內(nèi)容重疊問題。在相關(guān)課程中一般是簡單介紹，很難達(dá)到系統(tǒng)“DSP原理及應(yīng)用”實(shí)際的需求。如按傳統(tǒng)方式授課會導(dǎo)致講授的部分內(nèi)容存在重復(fù)。

（4）課時(shí)與內(nèi)容的矛盾比較突出。相對于通信與電子類專業(yè)學(xué)生來說，我院電氣測控類專業(yè)開設(shè)該課程學(xué)時(shí)較少的56課時(shí)。“DSP原理及應(yīng)用”涉及信號處理的內(nèi)容繁多，理論大體上包括Z變換（含逆Z變換）、FT（含DFS、DTFT、DFT、FFT）、濾波器（含IIR、FIR）設(shè)計(jì)三個(gè)中心部分，其他內(nèi)容及細(xì)節(jié)都圍繞這三個(gè)中心展開，并且這些內(nèi)容之間相互聯(lián)系。如何充分利用較少課時(shí)講授好這些內(nèi)容，無疑對“DSP原理及應(yīng)用”課程教學(xué)提出了挑戰(zhàn)。

3.教學(xué)環(huán)節(jié)的改革與實(shí)踐

雖然電氣測控類專業(yè)開設(shè)“DSP原理及應(yīng)用”存在諸多問題與挑戰(zhàn)，但是通過努力，改革教學(xué)方法，比較成功地解決了上述問題，并取得了很好的教學(xué)效果。

（1）保持先進(jìn)性。DSP技術(shù)是現(xiàn)代測控技術(shù)增長最快的領(lǐng)域，在許多以數(shù)字形式處理信息或用數(shù)字處理器控制的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如通過心電圖等生物醫(yī)學(xué)信號處理、“神舟六號”涉及信號傳輸問題的實(shí)例講解前沿的應(yīng)用領(lǐng)域，使學(xué)生了解數(shù)字信號處理的應(yīng)用，以及和日常生活的相關(guān)性，提高學(xué)生對這門課程的興趣[1]。保持先進(jìn)性，以課程教學(xué)內(nèi)容的更新為主，組成以從事信號與信息處理中的前沿課題科學(xué)研究的教師擔(dān)任主講的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，可以為強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）重視基礎(chǔ)知識。針對電氣測控類專業(yè)學(xué)生缺少“信號與系統(tǒng)”基礎(chǔ)的問題，在教學(xué)過程中先讓學(xué)生自學(xué)，課堂及時(shí)補(bǔ)充相關(guān)內(nèi)容，避免影響課堂教學(xué)效果。如講授離散時(shí)間信號與系統(tǒng)的頻率分析等問題時(shí)，學(xué)生先學(xué)習(xí)信號與系統(tǒng)中的連續(xù)信號與系統(tǒng)的頻率分析的內(nèi)容，課堂補(bǔ)充相關(guān)知識，務(wù)求學(xué)生理解。之后采用多次復(fù)習(xí)策略，加深對內(nèi)容的理解。另外，在課堂教學(xué)中盡量減少復(fù)雜的公式推導(dǎo)，消除學(xué)生的畏懼心理。通過分析和處理具體的信號，宜用直觀圖形表示結(jié)果，有效幫助學(xué)生理解和掌握知識方面，如講授頻譜泄漏的知識。

（3）教材選擇與教學(xué)內(nèi)容改革。目前“DSP原理及應(yīng)用”的教材很多，教學(xué)時(shí)一直選用由陳后金主編、高等教育出版社出版的教材《數(shù)字信號處理》和王忠勇主編、電子工業(yè)出版社的教材《TMS320F2812 DSP原理與應(yīng)用技術(shù)》。綜合電氣測控類技術(shù)基礎(chǔ)課程“路、場、信號處理、控制”的知識體系，以信號分析為基礎(chǔ)，以系統(tǒng)分析為橋梁，以處理技術(shù)為手段，以控制應(yīng)用為目的。突出理論和方法中所蘊(yùn)涵的數(shù)學(xué)概念、物理概念和工程概念，實(shí)現(xiàn)原理、方法和工程的結(jié)合。內(nèi)容體現(xiàn)經(jīng)典與現(xiàn)代相結(jié)合、基本理論與工程技術(shù)相結(jié)合、解析方法與計(jì)算機(jī)輔助方法相結(jié)合的特點(diǎn)。同時(shí)將丁玉美編的《數(shù)字信號處理》作為參考書，該書的特點(diǎn)是簡練易懂，配有習(xí)題，便于學(xué)生通過作業(yè)的訓(xùn)練了解各個(gè)知識點(diǎn)。向少數(shù)學(xué)習(xí)能力比較強(qiáng)的學(xué)生推薦清華大學(xué)出版社出版的國外經(jīng)典教材《數(shù)字信號處理》一書，該書不僅介紹了數(shù)字信號處理的基本知識，而且介紹了數(shù)字信號處理器DSP的體系結(jié)構(gòu)、編程方法，便于學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

DSP技術(shù)的理論和實(shí)踐比較強(qiáng)，涉及大量公式的推導(dǎo)，畢業(yè)的幾屆學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)起來枯燥無味。為了改變這種狀況，讓學(xué)生在56學(xué)時(shí)內(nèi)更好地掌握數(shù)字信號處理的基本知識點(diǎn)，并且掌握DSP2812的基本應(yīng)用，確實(shí)有難度。我們對DSP原理及應(yīng)用的授課內(nèi)容合理地進(jìn)行了篩選，精簡了部分內(nèi)容，重點(diǎn)講授帶有普遍意義的知識點(diǎn)和關(guān)鍵結(jié)論，盡量在課堂教學(xué)中避免大量冗長復(fù)雜的公式推導(dǎo)。如關(guān)于離散信號與系統(tǒng)的時(shí)域分析、z變換等在“自動(dòng)控制原理”等課程中已學(xué)習(xí)過，可作簡單的回顧和復(fù)習(xí)，重點(diǎn)講解DTFT變換、DFT變換的算法原理和DFT的快速實(shí)現(xiàn)算法FFT[2]，同時(shí)要理清各種變換之間的關(guān)系，便于學(xué)生系統(tǒng)地掌握知識。

（4）面向?qū)I(yè)需求。“數(shù)字信號處理”課程的開設(shè)，要考慮電氣測控類專業(yè)學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)講授在電氣測控類儀表領(lǐng)域?qū)嵱眯詮?qiáng)的內(nèi)容。由于現(xiàn)有“DSP原理及應(yīng)用”教材幾乎都是針對通信、電子信息專業(yè)編寫的[3—5]，有必要對授課內(nèi)容進(jìn)行合理取舍。如對多速率信號處理僅作簡單介紹；在講授數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，增加濾波器穩(wěn)定性分析、利用數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)FFT、工程應(yīng)用等內(nèi)容，使之更符合電氣測控類專業(yè)的需求。

（5）多媒體輔助教學(xué)。根據(jù)本課程的特點(diǎn)，我們采用板書和多媒體教學(xué)相結(jié)合的授課方式，且以板書為主，多媒體為輔。一些基本原理和基本方法的推導(dǎo)和證明，仍然采用課堂板書的授課方式，這種授課方式易控、靈活、互動(dòng)性強(qiáng)，學(xué)生可以跟隨教師的思路領(lǐng)會課堂知識；對于一些需要形象理解、圖示舉例和動(dòng)畫演示的內(nèi)容，則可采用多媒體教學(xué)方式，充分利用動(dòng)畫、視頻、聲音、圖像等多種形式進(jìn)行互動(dòng)教學(xué)。

針對“DSP原理及應(yīng)用”課程中一些教師不易講解的問題，如吉布斯現(xiàn)象、相關(guān)運(yùn)算、循環(huán)卷積運(yùn)算等、利用FLASH等軟件設(shè)計(jì)出動(dòng)畫。利用動(dòng)畫使教師的講解變得生動(dòng)形象，學(xué)生容易接受，更能加深對知識的理解。

（6）注重課程實(shí)踐。本課程雖理論性強(qiáng)，但它與實(shí)踐密切相關(guān)，如果僅僅講授理論知識，則無疑學(xué)生對理論知識的理解是膚淺的、表面的。為了配合理論教學(xué)，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中從軟硬兩方面開設(shè)實(shí)驗(yàn)，開設(shè)了利用仿真軟件Matlab和DSP2812芯片共同完成實(shí)驗(yàn)，我校在實(shí)踐環(huán)節(jié)上也增加了相應(yīng)的儀器設(shè)備，開始時(shí)購置的TI公司的2000系列的TMS320F2407，后來又購置了性能更優(yōu)越的TMS320F2812。利用DSP芯片完成實(shí)驗(yàn)，包括FIR、IIR、快速傅里葉的DSP實(shí)現(xiàn)等實(shí)驗(yàn)，改變已有的演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，增加綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，側(cè)重工程應(yīng)用和求解方法多樣化，并體現(xiàn)了側(cè)重基礎(chǔ)、容易實(shí)現(xiàn)及啟發(fā)思考等特點(diǎn)，保持先進(jìn)性，可以提供教師進(jìn)行科學(xué)研究和學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)。

（7）及時(shí)解決問題。通過幾年教學(xué)實(shí)踐，取得了一定的成效。一方面在每次授課結(jié)束后，與學(xué)生充分交流授課內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生意見及時(shí)調(diào)整授課內(nèi)容，另一方面采取定期集中答疑和隨時(shí)分散答疑相結(jié)合的方式，上完相關(guān)內(nèi)容后針對學(xué)生作業(yè)上習(xí)題課，在習(xí)題課上詳細(xì)講解典型問題。

4.結(jié)語

雖然在電氣測控類專業(yè)開設(shè)“DSP原理及應(yīng)用”存在諸多問題，但是我們按照以上方法并采取恰當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行實(shí)踐，順利地開設(shè)了“DSP原理及應(yīng)用”課程，圓滿地完成了授課任務(wù)。五年多的教學(xué)實(shí)踐表明，理論教學(xué)的改革既可以使課堂教學(xué)生動(dòng)美妙，又能加深學(xué)生對問題的理解，強(qiáng)化他們對知識的掌握，強(qiáng)化教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的改革可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，增強(qiáng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，實(shí)踐證明，取得了良好的教學(xué)效果。

如何將“DSP原理及應(yīng)用”的具體特點(diǎn)和學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，將課堂教學(xué)和輔助教學(xué)有機(jī)結(jié)合，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，都是值得研究和嘗試的問題，教學(xué)質(zhì)量將在探索與實(shí)踐中穩(wěn)步提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]任治剛.“數(shù)字信號處理”多媒體教學(xué)方法初探[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（12）.

[2]劉會衡，田玲，等.數(shù)字信號處理課程教學(xué)方法改革與實(shí)踐[J].教學(xué)研究，2008（31）3：237-239.

[3]高軍萍，王霞，等.數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革的探索與體會[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，2：19-21.

[4]盧鐵兵.崔翔，等.電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)數(shù)字信號處理課程建設(shè)[C].第二屆全國高校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)改革研討會論文集（下冊），2004：438-442.

[5]方益明.提高“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)效果的研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（31）3：15-16.

資助項(xiàng)目：邵陽學(xué)院教改項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2013JG34）；湖南省教育廳一般項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：11C1130）。