數字信號處理課程教學探索

楊秋菊+馬驍

[摘 要]根據數字信號處理課程理論性強、抽象概念多、內容枯燥、難度較大等自身特點，結合教學過程中遇到的學生學風比較浮躁， 學習的主動性和積極性不是很高等實際情況，提出課程的教學改革。強調課程的意義、多種教學手段并行、課堂互動、加強實驗教學、完善考核方法、加強教師素養等，從根本上調動學生的學習積極性，提高學生的自主學習能力和學習效果。

[關鍵詞]數字信號處理；教學改革；學習積極性

[中圖分類號] G423 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）06-0163-03

一、引言

隨著信息科學和計算技術的迅速發展，數字信號處理的地位和作用越來越突出。數字信號處理課程已成為電子、通訊專業的一門專業必修課，其內容主要涉及數字信號的變換和數字系統的設計兩大部分，其中數字信號的變換主要包括序列的傅里葉變換（DTFT）、Z變換、離散傅里葉變換（DFT）及它的快速算法FFT，數字系統的設計主要包括無限脈沖響應（IIR）和有限脈沖響應（FIR）數字濾波器的設計。數字信號處理的先修課程主要有信號與系統、工程數學、復變函數、數字電路、MATLAB語言等。近年來，數字信號處理在無線電通信、數字電視、生物醫學、機器人控制、手機等無線終端等等關鍵技術領域產生著日益重要的影響。但該課程以數理為基礎，綜合性、理論性強，學生普遍反映公式多、內容抽象、難度較大。本文從數字信號處理課程的自身特點出發，重點就如何提高學生的學習積極性進行了一系列思索，著力提高該課程的教學質量。

二、上好第一堂課，強調課程重要性

學生在第一次上每一門課時，對任課教師和課程內容都是抱有強烈的好奇心的，這就要求任課教師一定要把握好第一堂課，激發學生的學習熱情。在講述具體課程內容前，要對本門課程進行客觀綜合分析，給學生一個對該課程全面的認識。告訴學生“為什么學習這門課程，如何學習，以及它在實際生活中有什么用途”。數字信號處理是現代信號處理增長最快的領域， 在許多以數字化應用為主的領域都有廣泛應用。任課教師應強調現在是數字時代，對數字信號處理的前沿領域，包括圖像處理、語音音頻、無線電通信、生物醫學、移動電話、數字電視等進行介紹，以提高學生對該課程的興趣，同時幫助他們更好的認識該課程的學習內容。現在學生都比較“務實”，甚至有些急功近利，對馬上用得著（包括考研、找工作）的課程投入精力大，反之就比較松散。因此在第一節課時，可以告訴大家，對想繼續讀研的同學，數字信號處理是電子、通訊相關專業筆試/面試的必考課程；而對于畢業就想工作的同學，憑借熟練掌握數字信號處理相關技術可以在應聘中脫穎而出，激發同學們的學習熱情。同時可以請同學們舉一反三，說出更多數字信號處理相關的應用，使他們感到自己所學的東西就在人們的日常生活中，而不是遙不可及、虛無縹緲的。

三、多種教學手段并行

為了上好復雜的數字信號處理課程，我們需結合傳統板書、多媒體課件教學、Matlab仿真、DSP開發以及多樣化課后作業。傳統板書容易控制授課節奏，有利于師生互動，不會給學生照本宣科的感覺，學生容易跟隨老師的思路，學起來也相對輕松[1]，此外還有利于學生記筆記，因此在習題課和一些基本原理、基本方法的推導和證明中，以及一些邏輯較強需要深入講解的知識點，教師應采用課堂板書形式，給學生足夠的時間領會。但對于一些較抽象的概念以及復雜的圖、表，用板書難以表達，則需要借助多媒體課件（PPT），化抽象為形象，化枯燥為生動，增加課堂信息量，使學生把重點放到加深對抽象概念的理解上[2]。需要注意的是，PPT有其片斷性特點，PPT的不斷翻頁，非常容易打斷學生的視覺感知，使得對知識點的認識也出現片斷性；此外PPT放映速度一旦過快，學生思路沒跟上，很容易產生堆積效應，造成學習進度跟不上。所以在PPT講解過程中，教師速度一定要放慢，講一行放一行，切不可把所有內容一次都放出來，否則容易誤導學生去費勁地閱讀PPT上的文字。現代多媒體教學手段與傳統的板書教學相融合，可以讓兩種手段優勢互補，其實際效果比單獨使用其中任何一種都要好。此外，在課堂中引入Matlab仿真和DSP演示，可以加深學生對基本概念、理論的理解，可以使抽象的內容生動、直觀，從而提高學生的學習興趣，事半功倍[1]。由于該門課程概念抽象，公式繁多，學生若光憑在課堂上聽老師講解，會造成似懂非懂，聽完即忘的現象出現，因此每次課后教師需要給學生布置適量的課后習題加以練習，鞏固所學知識。除此之外，任課教師還應找一些科普讀物供學生課后閱讀，比如知乎專欄上的“傅里葉分析之掐死教程”，這樣不僅增加了學習的趣味性，也有利于學生對所學知識的理解。

四、教學互動，杜絕填鴨式課堂

在實際教學中，教師要善于站在學生的立場上，找到學習每個知識的最好切入點。課堂上加強與學生互動，讓學生主動思考，積極參與到課堂里來，避免填鴨式教學。如在講“用DFT對信號進行譜分析”時，可以從物理含義（公式）角度出發，對之前所有的傅里葉變換進行一個總結，先給出圖1的第一行5個變量，讓學生回答從左至右兩兩變量之間經過的是什么變換處理；然后看第一行每個變量進行各種傅里葉變換后的結果是什么？（得到底下一行的值）；最后看底下一行兩兩之間的關系。經過這樣的課堂提問，可以讓學生主動對以前知識進行查漏補缺，比教師直接對著圖1進行解釋講解效果好得多。通過課堂提問與課后作業批改，教師能及時檢驗學生的學習效果，據此再在教學中作適當調整，這樣有利于教師學生的雙向交流，提高學生的學習效率。

五、加強實驗教學

實踐教學應本著“知識-能力-素質”協調發展的教育理念，鼓勵學生通過實驗、實踐去探求新知，切實提高學生綜合運用知識解決實際問題的能力，培養學生的創新意識。目前， 國內外針對數字信號處理這門課程的改革， 主要沿著兩條途徑[3]： 一是使用MATLAB 等工具軟件， 實現算法仿真； 另一途徑就是引入DSP 器件， 對算法進行實現， 特別是實時實現。針對我校學生的實際情況，本門課程主要和“草稿紙”式的語言MATLAB結合[4]，包括1）教學過程中，MATLAB演示覆蓋了絕大部分教學內容，包括傅里葉分析、卷積運算、濾波器設計等，還適當引入了MATLAB處理信號的實例，如對音頻信號的處理等，激發學生的學習興趣；2）實驗課，針對理論知識點的內容，主要完成五個基本實驗[5]，包括系統響應及系統穩定性、時域采樣與頻域采樣、用FFT對信號作頻譜分析、IIR數字濾波器設計及軟件實現、FIR數字濾波器設計與軟件實現。這些實驗對難理解的課堂內容，起了非常好的幫助作用。對于所涉及的實驗教學內容，任課教師可以給出相應的參考程序，讓學生將精力放在計算結果的分析上，突出對實驗結果背后隱藏的“物理意義”的理解。明白實驗的目的是幫助深入理解課堂知識，而不是編程能力的提高。除了課堂教學，學生如果在實驗過程中發現對某個實驗感興趣，任課老師應當鼓勵并幫助其進行深入研究，以此作為大四的畢業設計內容均可。

六、完善考試模式

考核是人才培養過程中一個不可缺少的環節，以往本門課程的成績考核采取傳統“3+7”模式，即由平時表現（包括考勤、作業）占30%、期末筆試成績占70%綜合計算。這樣的考核方式簡單易操作，但這也是一些學生不重視實驗、不注重如何應用所學知識解決實際問題的原因之一，結果造成理論聯系實際和解決實際問題的能力差[2]。完善化考試模式，學生所有的學習， 包括實驗實踐環節的MATLAB上機考試、課程設計以及參與學習的過程都要進行考核， 改變過去重視理論知識，忽視實踐能力的做法，能極大地強化學生的自主學習能力及動手實踐能力。

七、提高教師素養，高度提煉知識點

以上五點都是從教學手段出發，著重從學生積極性的培養來考慮課程改革。還有非常關鍵的一點，就是對我們任課教師的要求：一方面，在這個知識爆炸的時代，教師必須對學科前沿知識有敏銳的洞察力，形成寬廣而深厚的知識視野，這樣才能站得高，看得遠，將教材上那些抽象深奧的理論通俗易懂形象地講授給學生；另一方面，也是最基本的，必須對所講內容高度熟悉，能幫助學生提煉知識點，抓住問題的關鍵。如在講DFT的時候，因為它不符合根據傅里葉變換的一般規律：1）信號在時域、頻域某一個域的離散，均會導致在另一個域周期；2）信號在一個域有限長，就會導致在另一個域無限寬。這個時候，一定要將DFT的原理（它與DFS的關系）給學生講述清楚。有限長序列x（n）的N點DFT的實質如圖2所示：

這個概念非常重要，DFT的性質大都與此有關。比如有限長序列DFT的隱含周期性，也可由X（k）與x（n）的周期延拓序列的DFS系數的關系得出。至于從x（n）求X（k），或已知X（k）求x（n）則是用定義式直接進行的，并不需要通過和。類似這些關鍵的知識點，任課教師一定要在講述DFT的性質之前給學生講明白，不然越往后學，學生就越是一頭霧水，跟不上課堂進度。

八、 結語

教學質量是大學的生命線，如何提高教學質量是每位教師永遠的課題。本文根據“數字信號處理”的課程特點和學生的實際情況，從1）上好第一堂課，強調本門課程的學習意義，2）傳統板書、多媒體課件、MATLAB實踐等多種教學手段并行提高學習效果，3）課堂互動，杜絕填鴨式教學，4）加強實驗教學，理論實踐齊頭并進，5）完善考核方法，激發學生學習積極性，6）加強教師素養，幫助學生理解課程內容等六個方面，對本門課程的教學改革進行了一系列思索，力圖激發學生對該門課程的學習興趣，提高教學質量。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王學淵，侯毅. 再談“數字信號處理”的教學改革[J]. 電腦知識與技術，2012：7541-7545.

[2] 蔣先梅. 數字信號處理課程教學改革的探討[J]. 考試周刊，2011：15-17.

[3] 沈媛媛.基于Matlab的數字信號處理綜合性實驗設計[J].實驗室研究與探索，2009：60-73.

[4] 胡學友，王穎，胡云龍.“數字信號處理”教學改革與實踐[J].高教論壇，2007：67-69.

[5] 丁玉美，高西全.數字信號處理（第2版）[M].西安：電子科技大學出版社，2001.

[責任編輯：張 雷]