《信號處理》課程教學(xué)改革探索

王 娜修春波羅 菁成 怡

（1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，中國 天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電工電能與新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國 天津300387）

“信號處理”課程是天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院自動化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。計劃安排30學(xué)時，3個實(shí)驗(yàn)。教材選用的是高教出版社鄭君里的《信號與系統(tǒng)》第三版。學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程前,已經(jīng)學(xué)習(xí)過高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)和電路理論等課程,對序列、Z變換、傅立葉變換、頻譜等概念有了一定的掌握。但因?yàn)楸菊n程的抽象概念較多,涉及到許多的數(shù)學(xué)知識,學(xué)生學(xué)起來存在著有一定的困難。為此，本文從教材的選擇，理論與實(shí)踐的結(jié)合以及教學(xué)手段的改進(jìn)方面進(jìn)行了探索，以期加強(qiáng)學(xué)生對于該課程的基礎(chǔ)知識、理論的理解，并通過實(shí)踐環(huán)節(jié)努力提高學(xué)生的動手能力。

1 教材選擇

教材選擇應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)，精選適合的內(nèi)容。由于目前信號處理教材多數(shù)內(nèi)容繁雜，難度較大，理論性強(qiáng)，而該課程的學(xué)時較少，學(xué)生素質(zhì)又參差不齊。因此選擇教材時不能追求面面俱到，而是要根據(jù)學(xué)生整體水平來精簡教學(xué)內(nèi)容,同時要因材施教。為此，作者查閱了大量國內(nèi)外相關(guān)資料,結(jié)合當(dāng)前信號處理技術(shù)的最新發(fā)展趨勢,選擇了多本適合獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的教材,如清華大學(xué)出版社的《信號與系統(tǒng)》，科學(xué)出版社的《數(shù)字信號處理》以及機(jī)械工業(yè)出版社的《信號分析與處理》等等。這些都是在國內(nèi)知名度高,反響較好的優(yōu)秀教材，既有利于教師的教學(xué)和也適合學(xué)生的自學(xué)。同時博采眾長，制定出合適學(xué)生能力的教學(xué)內(nèi)容，保持理論的完整性，先進(jìn)性和高效性。

2 理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)體系

為了加強(qiáng)學(xué)生對信號處理知識與技術(shù)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和專業(yè)素質(zhì)，對已有課程體系進(jìn)行了優(yōu)化，新的體系如下：

理論：包括信號與系統(tǒng)的基本概念、時域分析、頻域分析（DFT、FFT、2FFT的算法實(shí)現(xiàn)）等；Z域分析，F(xiàn)IR（有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計）、IIR（無限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計）、平穩(wěn)隨機(jī)信號的分析與處理以及信號處理的軟硬件實(shí)現(xiàn)等。實(shí)踐體系：包括驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計與專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)等。

《信號處理》一課和實(shí)踐的聯(lián)系密切，因此，改革中加大了實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。設(shè)立實(shí)驗(yàn)課時，把傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)劃分為驗(yàn)證性、綜合性和設(shè)計性三種，以滿足不同層次學(xué)生的需求。其中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要是基于matlab軟件分析和處理信號或系統(tǒng)，對理論課的知識進(jìn)行驗(yàn)證，幫助學(xué)生理解和掌握課堂上所學(xué)的基本理論，包括離散時間信號分析、z變換、FFT頻譜分析等。綜合性實(shí)驗(yàn)是指涉及到本課程的綜合知識實(shí)驗(yàn)，如模擬和數(shù)字濾波器的設(shè)計等，以培養(yǎng)學(xué)生對所學(xué)知識的綜合運(yùn)用能力。而設(shè)計性實(shí)驗(yàn)是指給定實(shí)驗(yàn)的要求和實(shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。在設(shè)計中，先由教師給出設(shè)計的實(shí)驗(yàn)題目和具體的技術(shù)指標(biāo)，學(xué)生首先根據(jù)要求查閱相關(guān)資料，確定出實(shí)驗(yàn)方案，并自己設(shè)計程序，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，最后寫出實(shí)驗(yàn)報告。比如，對于FIR和IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計等，以培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計能力、創(chuàng)新能力和主動性。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)課的效果，可采用MATLAB工具箱，利用其強(qiáng)大的計算仿真和圖形繪制功能，將本課程中抽象的概念和結(jié)論轉(zhuǎn)化為形象化的圖形曲線展現(xiàn)在學(xué)生面前。比如，可以編制信號處理的工具箱軟件，將離散信號的性質(zhì)、差分方程的解法、線性卷積、離散Z變換、離散傅里葉變換、IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計等內(nèi)容匯集到一個界面中。通過人機(jī)對話，將相應(yīng)的條件輸入計算機(jī)，并由后臺的matlab運(yùn)算出各種結(jié)果，具體的設(shè)計程序并不向?qū)W生展現(xiàn)。這樣，一方面可以很快向?qū)W生展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的形象化結(jié)果，另一方面，學(xué)生也可使用該工具軟件對自己編寫的實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行對比檢驗(yàn)。

3 教學(xué)手段的改進(jìn)

為進(jìn)一步提高教學(xué)效果，采用豐富的教學(xué)手段。首先，整合教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程體系。目前國內(nèi)外出版的數(shù)字信號處理教科書注重理論體系的完整性，內(nèi)容多，并且難度較大，而我學(xué)院該課程的學(xué)時較少(30學(xué)時)。這就必須精選課程的內(nèi)容，講授最根本的內(nèi)容。為此，我們認(rèn)真細(xì)致地對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)整合。整合過的課程主線如下所示：

傅里葉級數(shù)與傅里葉變換—>拉氏變換與S域分析—>Z變換與Z域分析—>離散與快速傅里葉變換—>模擬及數(shù)字濾波器

其次，本著加強(qiáng)學(xué)生對信號處理知識與技術(shù)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，體現(xiàn)前沿性、實(shí)用性和綜合性的教學(xué)原則，優(yōu)化后的課程體系如下。其中，理論體系包括：傅里葉級數(shù)及傅里葉變換；拉普拉斯變換及s域分析；z變換及及z域分析；離散及快速傅里葉變換；模擬及數(shù)字濾波器等。實(shí)踐體系包括：信號的描述、運(yùn)算及波形繪制；傅里葉變換及其性質(zhì)；拉氏變換及性質(zhì)；Z變換及其性質(zhì)等。

再次，針對該課程具有理論性強(qiáng)，抽象概念多，而工科學(xué)生的數(shù)學(xué)水平不高，而學(xué)時有限，為保證較好的教學(xué)質(zhì)量，研究了一套形象化教學(xué)方法。學(xué)生聽課是一個視知覺的過程，思維是追求完整和整體化的特點(diǎn)。而引入幻燈片的教學(xué)效果，使得感知過程不斷被打斷，進(jìn)而也打斷了思維的完整性，大大壓縮了學(xué)生的自主思維空間，學(xué)生對課程的內(nèi)容自然就難以接受了。為此，本文引入形象化教學(xué)手段，來巧妙地引導(dǎo)學(xué)生視知覺清晰地進(jìn)入到抽象概念領(lǐng)域中，不知不覺地將教師精心設(shè)計的形象化元素轉(zhuǎn)化為邏輯的、理性的抽象概念知識。比如，在數(shù)學(xué)公式上，糾正死記硬背的習(xí)慣，巧妙利用口訣的方法，將手中一些重要結(jié)論公式用文字的形式表示出來。比如，對于離散傅里葉變換公式可以編制口訣：反序列的共軛序列的離散傅里葉變換等于原序列的離散傅里葉變換的共軛。這樣可以將枯燥的公式描述的形象具體起來，其含義也表現(xiàn)的十分透徹。并且，采用動畫演示等形式進(jìn)行輔助教學(xué)。針對本課程存在概念抽象，涉及數(shù)學(xué)知識較多，公式推導(dǎo)較為繁瑣的問題，擬采用自制的教學(xué)課件，并與板書相結(jié)合，通過適當(dāng)?shù)厥褂枚嗝襟w技術(shù)來配合教學(xué)，以大大提高備課和講課的教學(xué)效果。例如，在講解采樣定理的信號采樣及恢復(fù)問題時,由于概念比較抽象,理解起來比較困難。在介紹時，可采用多媒體課件動態(tài)演示的方法,將采樣及恢復(fù)過程用課件中的動畫形象的表現(xiàn)出來。這樣一方面使抽象的過程生動起來,加深理解，另一方面也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 總結(jié)

綜上所述，信號處理課程在自動化專業(yè)各教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用，優(yōu)化該課程體系、豐富教學(xué)手段、運(yùn)用多樣化的實(shí)踐教學(xué)等環(huán)節(jié)都會影響課程教學(xué)效果，只有對各環(huán)節(jié)總體規(guī)劃、協(xié)調(diào)建設(shè)和改革，才能取得更好的教學(xué)效果。實(shí)踐表明，該探索和嘗試能夠提高數(shù)字信號處理課程的教學(xué)質(zhì)量和效果，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情和興趣，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，得到了大多數(shù)學(xué)生的認(rèn)可。

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