“卓越計劃”下《數字信號處理》課程教學改革與創新

楊新　徐金玉　汪琳娜

摘要：按照國家“卓越工程師”教育培養計劃，深入探討三門課程（《高等數學》、《信號與系統》、《數字信號處理》）的整合、兩個學科競賽（全國大學生數學建模競賽、全國大學生電子設計競賽）的融合、一個軟件（MATLAB）教和學的結合等課程改革和創新方法，全面提升“卓越班”學生工程技術的綜合素養。

關鍵詞：卓越工程師；課程改革；工程技術

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）53-0118-02

為貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010—2020）》，促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國，全面提高工程教育人才培養質量，培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，教育部于2010年在天津召開了“卓越工程師教育培養計劃”啟動會，此后全國各省市教育廳和高校相繼實施“卓越工程師教育培養計劃”（以下簡稱“卓越計劃”），開設“卓越計劃”試點班（以下簡稱卓越班）。“卓越計劃”是以“面向工業界、面向世界、面向未來”為工程教育理念，在遵循“行業指導、校企合作、分類實施、形式多樣”的原則基礎上，促進工程教育改革和創新。

作為地方新建的本科獨立學院，大多數高校從建校開始就始終把培養應用技術型人才作為人才培養的重要目標，但是目前我國正在引導一批普通本科高校向應用技術型高校轉型。獨立學院不僅面臨著其他地方公辦本科高校的競爭，同時也迎來了人才培養改革的良好契機。

我校電子工程學院依托國家“卓越計劃”的實施，在電子信息工程專業開設“卓越計劃”試點班，整合課程內容，重構課程體系，強化理論和實踐結合。下面對卓越班的《數字信號處理》課程改革進行深入探討。

一、課程學習概述

《數字信號處理》是我院電子信息工程專業必修的專業課程，計劃安排理論48學時，實驗16學時，選用丁玉美教師的《數字信號處理》第三版作為授課教材。在本課程學習前，在《信號與系統》課程中已經講授過序列、z變換、傅立葉變換等概念，但是由于三本院校學生數學基礎不好，難以理解復雜的信號分析理念，學習接受情況不理想，心理開始排斥此類課程學習。當接觸《數字信號處理》課程后，發現以數學公式為基礎的抽象復雜概念越來越多，逐漸失去了學習興趣。因此長期以來該專業在《信號與系統》和《數字信號處理》課程教學效果不理想。

二、三門課程的整合

在文獻[3]中將《數字信號處理》與《信號與系統》課程整合，精簡教學內容，把講授重點集中在基本概念和關鍵結論上。結合我院學生特點，在文獻[3]的基礎上，提出把大一的《高等數學》課程與這兩門課程重新整合，讓學生在《高等數學》課程中提前接觸專業知識，理解求導、積分、微分方程等數學運算的具體用途，激發學生學習數學的興趣，讓學生提前探索數學知識在未來專業學習中的應用，為今后的專業學習打下良好的基礎和鋪墊。如在講解“一階線性微分方程”時，可以順帶提出一階電路的概念，讓學生逐漸認識用數學建模的思想去具體分析各種電路模型，通過構建微分方程求解得到電路中的參數變化情況。

當然這種整合方式對教師有較高的要求，要同時具備數學和信號方面的專業知識。我院數理教研室要求教師除了要掌握數學教學能力，也要對教授班級專業知識有所了解和認識，要在備課中盡可能體現數學知識在未來專業學習中的應用。除此之外，我院“卓越班”試點讓教師同時擔任《高等數學》、《信號與系統》、《數字信號處理》三門課程教學，結合三門課程的要求和特點，整合三門課程的內容，讓學生從進校就接觸專業方面的熏陶，理解數學知識的應用內涵，掌握用數學模型解決專業的本質。

三、兩個學科競賽的融合

信號分析和處理的內涵就是通過構建數學模型的方式，設計軟硬件，通過系統去分析和處理各種信號。因此，可以讓學生通過參加全國大學生數學建模競賽和全國大學生電子設計大賽，經過長期的競賽培訓和指導，逐步提高學生數學建模和電子設計的能力。

我院已經在2013級電子信息工程專業班級開展參加以上學科競賽的試點。學生在大一進校后通過參加數學建模培訓，已經在全國大學生“電工杯”數學建模競賽中取得了不錯的成績，下一步要引導學生繼續參加全國電子設計大賽，以參加競賽和培訓為依托，全面提升該專業學生在工程理論和實踐應用方面的能力。

四、一個軟件教和學的結合

《數字信號處理》課程的理論大多都需要煩瑣的數學理論和數學推導，對各種信號的分析和處理也需要通過大量的計算才能實現，很明顯需要計算機軟件輔助才能實現，MATLAB作為一個功能強大的數據可視化軟件是當前該門課程的首選，而且自帶的SIMULINK仿真模塊可以非常簡潔、直觀地完成各種信號系統的仿真和處理。

在教學中教師可以運用MATLAB軟件非常便捷地為學生演示各種信號的運算、變換、過濾等，讓學生可以生動、形象地接收和理解這些抽象的概念，同時學生也可以通過自己編程實現復雜的數學運算，通過可視化圖形觀察實驗結果，驗證實驗理論。

例如：已知一個離散系統系統函數為：H（z）=■=■ （1），輸入信號為：x（t）=sin（2·π·200·n）+sin（2·π·10·n） （2），求系統輸出。

求解可以采取把輸入信號作z變換，然后與系統函數相乘，最后再做逆z變換，最后得到系統輸出。很明顯，這樣的計算方式如果用手工計算很麻煩，但是運用MATLAB來求解就變得異常簡單了。filter是MATLAB中專門用來求解離散系統輸出的函數，調用格式為：y=filter（b，a，x） （3），其中b、a分別是系統函數分子和分母多項式的系數矩陣，x是輸入序列，其求解和畫圖程序如下：

結果可視化顯示為：

從上圖結果可以清楚觀察到輸入信號經過該離散系統處理后得到的輸出信號情況。《數字信號處理》課程中還有很多計算都可以運用MATLAB函數實現，如函數impz可以求一個離散系統的脈沖響應序列，函數freqz可用來求一個離散系統的頻率響應，函數zplane可用來顯示離散系統的零極點圖，等等。當然要掌握MALTBA函數的用法不能只是在課堂上泛泛而談，可以在學生大一入校時依靠高等數學教學和數學建模培訓讓他們提前接觸和學習MTLAB軟件，然后循序漸進，到學習《數字信號處理》課程時便能熟練掌握和運用MATLAB解決實際計算和可視化問題了。由以上分析可知，MATLAB軟件幫助學生過濾掉了復雜的數學計算過程，而以簡單的MTLAB編程實現，這樣就大大提高了學生的學習興趣，也促進了教學質量和效果的提升。

MATLAB軟件教與學的結合可以讓該課程的學習省去很多的麻煩和困難，學生的學習不再枯燥和乏味，也不用深究其中難以理解的數學推導和運算過程，只需要輕輕在鍵盤上點幾下，就可以得到結果。這就是大數據時代下現代教學與傳統教學的差別，應用技能型人才培養不再需要每個人都要像數學家一樣會計算，應用知識和軟件才是學習的首要任務。

五、結語

獨立學院“卓越計劃”的實施有別于其他地方本科院校，需要結合學生特點，整合教學資源，按照卓越計劃培養標準，在課程整合、學科競賽、軟件教與學等方面大力改革和創新，切實加強“卓越班”教學的規劃和管理，全面提升學生數學和專業知識的實踐和創新能力。

參考文獻：

[1]林健.面向“卓越工程師”培養的課程體系和教學內容改革[J].高等工程教育研究，2011，（5）：1-9.

[2]中華人民共和國教育部.教育部關于實施“卓越工程師教育培養計劃”的若干意見[Z].教高[2011]1號，2011.

[3]張永瑞，張妮.信號與系統與數字信號處理兩課程教學內容的一種整合方[J].電氣電子教學學報，2001，23（1）：10-12.

[4]丁玉美.數字信號處理[M].西安：電子科技大學出版社，2001.endprint