數字信號處理課程的應用型教學模式探索

沈希忠

（上海應用技術大學 電氣與電子工程學院，上海201418）

數字信號處理課程的應用型教學模式探索

沈希忠

（上海應用技術大學 電氣與電子工程學院，上海201418）

數字信號處理是工程領域泛專業研究生的一門主干課程，很多專業領域都將其設為培養體系中的學位課程，在研究生的課題階段該門課程的相關知識得到了很多研究生的大量應用，由此也提升了論文的質量。文章從相關領域以“應用為主線”的研究生的實際需求出發，結合作者多年來在數字信號處理課程教學和研究中的經驗與體會，提出該課程短學時教學內容改革方案。該方案從研究生培養目標、課程內容組織、教學方案和教學手段展開，進行詳細地分析與描述。

應用型教學模式；教學內容；教學方案；教學手段；數字信號處理

引言

信號處理技術是電子信息工程的基礎，也是工程領域泛專業的主要內涵。近三十年來信號處理技術發展迅速，取得了可觀的研究成果，并由此受到研究生教育培養的關注［1］。

“應用為主線”的教學策略在高校中一再被提倡［2］，上海應用技術大學也不例外，該校電氣學院的研究生培養方案也體現了各學科之間互相滲透的特點，學生所研課題一般都屬于學科交叉范疇，尤其對于信號處理的掌握，對于學位研究生能否在課題進行中上一個學術水平是十分必要的。近年來，信號處理（主要為數字信號處理）因此而變為各校信息相關專業的主干課程。

信號處理課程的研究生教學內容主要包括FFT、譜估計、濾波設計等，與本科教學區別的是，研究生階段由于他們學習了線性變換、矩陣理論等數學課程，可以學習用矢量和矩陣表達的數字信號處理算法，如信號處理中高階譜分析、Wiener濾波、自適應濾波等，其應用更體現不同處理對象的特征分析和提取、分類和識別。為此，以研究性為主的高校研究生教材重視信號處理理論知識的強化，重視相關的數學知識，尤其是概率理論和統計方面的知識。一般地，這些概念艱澀難懂、計算復雜、理論性較強，有些甚至用到現代數學的復雜理論，從而導致對于以“應用為主線”的學生無法取得理想效果。若不改進教學方法，學生很難將信號處理的理論知識與實際問題相對應，學習過程中容易出現厭學、死記硬背等不良學習狀況。另外，由于本課程理論先進，內容豐富，僅靠少量的學時教師無法詳細、全面介紹信號處理技術及應用，因此教學過程中有時只抓理論重點，變相忽略了對實踐能力的要求。如上海應用技術大學將數字信號處理課程設為30-32學時，難以滿足甚至經典信號處理內容的講解。

文章從數字信號處理課程的特點出發，探索短學時數字信號處理課程如何提高教學質量，并對其教學內容、方法和手段進行探討，旨在滿足應用為主的教學要求。

一、信號處理應用型教學內容建設

數字信號處理課程內容一般涉及大量的定理、數學公式及理論推導，對于應用型為主的研究生在學習時倍感吃力。

為此，我們質疑是否必須進行這種專業的學習和相關的學術研究？認為這些學生需要對相關概念進行理解和應用，而不必考慮復雜的數學理論推導，否則將與培養學生應用型的初衷相悖。故在選擇授課內容時，應該注重知識的完備性、概念的清晰性、不同處理方法的邏輯性、在不影響理解的前提下盡可能簡化數學推導，使學生既對系統有總體的把握，又不會處于艱澀難懂的理論推導之中而無暇顧及應用的學習。

結合上海應用技術大學碩士的應用型培養目標，我們對研究生數字信號處理課程所涵蓋的主要知識點和教學內容進行梳理，把握調整后內容的深度和廣度，在體現理論的同時，通過在高科技中的應用體現其先進性和應用性。

在數字信號處理的教學內容選擇上，我們以應用背景為前提進行選擇，主要有以下三個方面：以語音信號為應用背景，講解譜估計，包括信號采集、FFT、DCT、Hilbert變換、短時譜分析等；以電機振動信號為應用背景，講解各種譜分析、濾波方法、特征分析和提取、小波分解等；以圖像為應用背景，講解Wiener濾波等，具體見表1。

表1　數字信號處理教學內容和課時安排

圖1　FFT案例，被噪聲污染的信號，其主要頻率成分是50Hz和300Hz，通過傅里葉變換對其頻率成分分析

二、應用型研究生教學模式探討

數字信號處理課程數學要求高，理論推導復雜，同時受制于實驗條件，因此該課程面臨“老師難教、學生難學”的尷尬境地，現在的問題是如何改進教學方法和教學手段促進學生的學習興趣和對知識的掌握？為了提高教學質量，針對學生的學習興趣、主動性和參與性，我們充分利用現代教學方法和手段，作如下方面的努力。

（一）興趣培養

通過突出本課程所授內容的用途提高學生的興趣。為了突出信號處理各項技術在課題中的用途，我們盡量在每學期上課之前查找最新科技成果，搜集各種信號處理案例，向學生展示不同背景、不同領域中信號處理技術所發揮的作用。同時，我們在討論中鼓勵學生發表自己的見解，闡述對信號處理技術的理解，通過互動和寫報告的方式使學生認識到信號處理技術的內涵和應用背景，從而產生濃厚的學習興趣。

在課堂教學過程中，任課教師還引入國內外研究工作者的科研軼事與發展軌跡來提高學生的興趣，吸引學生的課堂注意力，增強學生的自信心和學習自主性。

（二）多樣化與現代化教學

現代教學形式有多媒體、板書和可視化三種形式，三者的有機結合有利于突出教學內容，進行應用型的教學方式。

信號處理的基礎理論是一些數學推導、算法解釋，學生在學習時普遍感到信號處理的抽象性，難以理解與掌握，因此在教學過程中，輔以多媒體教學，利用計算機的運算功能及圖形功能，用形象直觀的可視化演示是提高教學效果的最好方式。

由于是研究生教學，我們在概念基礎上適當加入必要的理論推導，在理論推導復雜時采用MatLAB可視化教學，用圖形形象說明，避免純多媒體播放使學生無法理解而跟不上。總之，我們對關鍵步驟利用板書厘清數學思路，并用可視化演示推演復雜的數學關系，利用MATLAB軟件在電腦上進行案例分析、算法演示。

例如在學習FFT譜內容時，我們首先講解FFT的基2算法，然后用MatLAB演示語音信號、振動信號的FFT分析，最后再通過一個示例說明FFT的應用，其應用案例如圖1所示，我們還要求學生用周期圖法、自相關法、AR譜等譜估計法進行頻率成分分析。

（三）課題引入和報告

數字信號處理內容豐富，涉及面廣，但由于該門課程課時少，無法全面深入講解本課程的全部內容，而只能兼顧內容的完備性。上海應用技術大學對本門課程設有30學時，顯然難以滿足全面的內容講解，甚至是一些基本概念的面面俱到。

我們從實際的應用背景出發，讓每位學生在掌握基本算法的前提下，結合自己的研究方向對所學知識進行延伸，要求學生在掌握所有基礎知識的同時，還自主選擇自己感興趣的話題，與自身研究方向密切相關并進行深入研究，書寫報告等，并在學期末進行PPT交流。

學生根據自己的研究方向和興趣選擇一個信號處理相關的設計話題，而后根據所選定的題目闡述設計過程中所用到的理論知識和最新算法，以及可能遇到的困難，使用所掌握的理論知識和編程技巧，解決若干個問題。

在研究型大學中，以研究項目為中心的數字信號處理課程教學法［3］有利于激發學生的主動性，有利于提高大學的教學水平。

三、結束語

數字信號處理教學內容的改革已在以應用型為培養目標的研究生教育中展開，并在我校碩士研究生的教學中實施，在實施中受到了同行的肯定，得到了學生的好評。教學內容也隨著每一屆學生和老師的意見而不斷更新，這是一個不斷探索和完善的過程，我們也希望和同行交流與研究，為提高研究生的教學質量而努力。

［1］文傳博.專業學位研究生“現代信號處理”課程教學探索［J］.課程教育研究，上旬刊，2015，12：157-158.

［2］田麗，許杰，邸國輝，等.“以應用為主線”的信號處理類課程研究性教學模式的改革與實踐［J］.教育教法探討與實踐，2015（7）：247.

［3］王宏，劉沖.以研究項目為中心的數字信號處理課程教學法研究與實踐［J］.教育教學論壇，No.6，2015：114-115.

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application oriented teaching mode；teaching content；teaching plan；teaching method；digital signal processing

G642

A

2096-000X（2016）22-0098-02

沈希忠（1968-），男，漢族，上海人，博士，教授，研究方向：信號處理和控制。