電子信息工程專業數字信號處理課程改革與研究

李洪璠

【摘 要】“數字信號處理”課程是電子信息類專業的重要專業基礎課，針對不同專業特點選擇不同教學內容和教學方法，提高學生學習興趣，是本課程教學改革的重點。結合三亞學院電子信息工程專業課程教學實際情況、學生自身基礎，在教學的各個環節進行研究與探索，精選符合專業特點的教學內容，采用探究式教學方法，對本專業融合激發學生興趣的工程實例；實驗教學由傳統的驗證性過渡到綜合設計研究型，取得了一定效果。

【關鍵詞】數字信號處理；理論教學；課程實踐；探究式教學

1.引言

數字信號處理是電子信息工程專業的專業基礎課，它的地位相當于電氣時代的“電工基礎”。作為專業的技術基礎課，要求學生通過本門課程學習建立“數字信號處理”的基本概念；掌握數字信號處理基本分析方法和分析工具；通過理論學習和實踐環節訓練，使學生具備一定的工程實踐技能，這為提高學生綜合素質、培養應用型人才起著重要作用。本文以三亞學院電子信息工程專業為例進行數字信號處理教學研究和實踐進行探討。

2.教學特點與內容設置

“數字信號處理”課程是電子信息工程專業眾多專業課中一門重要的技術基礎課，其課程內容涉及到很多數學知識，如復變函數、差分方程、Z變換和矩陣理論、離散傅里葉變換等，同時，與工程實際又緊密相連，且技術手段發展也非常快。結合三亞學院電子信息工程專業學生實際情況，并充分體現“數字信號處理”課程理論內容豐富、實用性強而基本概念抽象難理解等特點，進行如下的教學內容設置。

電子信息工程專業大部分的學生“信號與系統”、“微積分理論”課程基礎較好，“數值計算”、“復變函數”基礎相對差一些。“數字信號處理”課程是本專業學生的一門重點必修課。本課程設置64個學時，理論52學時，實驗12學時；理論增加4個學時專門介紹數字信號處理中涉及的數學知識，以便后面理論學習更加自如；刪除部分因課時受限而課堂不講授的內容；壓縮了一些與“信號與系統”課程重疊的章節；因通信與信號處理領域的快速發展，增加了多采樣率數字信號處理；同時，課堂增加利用MATLAB軟件進行釋疑與實現及LABVIEW圖形編程環節，使一些難理解的抽象理論和概念得到直觀演示解釋，使學生更容易理解、接受；對于實踐環節部分，由傳統的驗證性實驗改為綜合性、設計性實驗，且增加課程設計這個教學環節。

經過幾年的該課程教學研究總結，教學應該遵循這樣一個原則：以講授基本概念、基本理論、掌握基本技能為主，兼顧內容的全面性、系統性和實用性。現將課程內容歸納分為三大塊：

（1）基礎理論和概念部分。對已在“信號與系統”課程中學過的內容（離散信號與系統的時域分析、離散信號與系統的頻域分析）課時進行適當壓縮，重點講述利用傅里葉變換、Z變換對信號和系統進行頻譜分析，使學生認識到信號變換的重要性，它是分析信號與系統重要工具；離散傅里葉變換（DFT）及其快速傅里葉變換（FFT），都是描述信號的頻域離散化，并能利用DFT對數字譜進行分析，注意適時信號處理過程中出現的（柵欄效應、泄漏效應、混疊現象）現象；FFT的講述是個難點，這是一個數學算法的優化過程，學生很難接受，那么引導學生理解DFT運算量成為了關鍵，即讓學生關注信號分析實時處理過程的時間問題，電子信息專業的學生邏輯性一般較強，能較好理解，并為下一步學習DSP打下基礎。

（2）數字濾波系統設計部分。數字信號處理實用性是從濾波器的設計開始，只要有信號就會存在干擾，從現實生活中手機使用接收信號有強有弱及雜音，引導學生認識濾波器設計的重要性及必要性。IIR數字濾波器的設計（脈沖響應不變法、雙線性變換法）；FIR數字濾波器的設計（線性相位、窗口設計法、頻率采樣法、最佳逼近法）；數字濾波器的實現結構。這部分內容學生理論計算比較困難，利用MATLAB軟件或結合LabVIEW圖形語言可以更形象的將理論教學與實踐相結合，通過ppt演示濾波器設計和信號的濾波過程，加強學生對濾波概念的理解，培養學生工程實踐能力。

（3）數字信號處理技術實現及應用部分。通信與信號處理領域的快速發展，增加多采樣率及實現方法；數字信號處理技術在語音系統中的應用（包括語言的識別、語言的理解、語言壓縮、語言合成等等，為智能計算機的發展提供基礎）；數字信號處理技術的應用舉例。

實踐表明，通過對電子信息工程中數字信號處理的應用實例進行具體分析，更能體現出來數字信號處理與電子信息工程專業的聯系，可以更好地調動學生的積極性。

3.課程實踐改革

（1）課程一體化實踐。“數字信號處理”課程實踐改革：通過程序編寫實現與本課程知識點的相關算法，從而加深對該課程基本理論理解和基本技能掌握。根據我專業學生的具體情況，對課程實踐部分做出如下改革。教師給學生布置實驗任務時給出其詳細的程序流程圖，及實驗的主框架程序（如程序初始化部分，基本函數，繪圖語句），學生根據自己對題目的理解，對照程序流程圖，實現完成整個實驗，這種改革方式促使學生提高了學習興趣，增強學生實踐環節的自信心，不再是面對題目無從下手的狀態，將理論與實踐結合在一起，形象生動，達到“先幫后扶再放手”的目的。實踐證明，采用這種實踐改革模式，我專業大部分學生能結合理論知識對結果做出合理的解釋和分析。

（2）獨立開設課程設計實踐。隨著社會信息化的深入，各行業大都需要電子信息工程專業人才，而且就業中對數字信號處理技術的要求也越來越高，這方面能力的提升體現的是理論分析能力和計算機編程分析能力的綜合過程。課程一體化的實踐過程只是針對獨立的知識點進行，加上學時限制，驗證性實驗占大多數。為此改變教學計劃，為電子信息專業學生開設“數字信號處理課程設計實踐”課程，這樣使得學生對軟硬件設計都較熟悉（原本專業只有電子技術方面的獨立課程設計），更易于滿足現代信息企業對電子信息人才方面的需求。

（3）探究式學習課外實踐。數字信號處理的課后練習大多是理論計算分析，學生做起來覺得很枯燥也沒有興趣。對此，本專業進行課程改革的另外一方面就是以課外作業的形式指導學生進行探究式學習，即圍繞課程中重要知識點，遵循一定的步驟開展探索研究性學習：提出問題、確定探究方向、搜集并整理資料、組織探究、得出結論、總結經驗。在教學過程中引導學生利用本課程所學到的知識，探索和解決現實生活中感興趣的問題；要求學生在課程結束后的一周內，提交一份研究報告，作為期末總成績的一部分。具體操作為：以2—3人為一個小組，自主搜集與本課程內容相關、與實際問題相結合的課題。在計算中心實驗室調試MATLAB程序或LabVIEW程序。

實踐證明，這種探究式課外實踐拓寬了學生視野，進一步加深學生對數字信號處理技術的了解，加強了MATLAB及LabVIEW軟件的應用。探究式學習可以督促學生發揮自己的探究精神，更好地將理論應用于實際。

4.結束語

電子信息工程專業畢業生一般都工作在電子信息和電力系統等高科技行業，這些行業的迅速發展，社會信息化的深入對本專業的學生提出了更高的要求。如逐步興起的5G和物聯網戰略、電力系統向智能化發展，數字信號處理技術是基礎之一，寬口徑的復合型人才在這一發展過程中將大有用武之地。技術基礎課的教學內容應及時反映時代的特點并能體現科技發展的前沿方向，理論上古今并重、技術上厚今薄古，以適應客觀形勢對人才培養的需求；多媒體技術能創造出虛擬的現實世界，讓情景教學成為現實；利用電子課件的“輔助”教學，其信息量豐富、可減少重復性勞動、提高教學效率；加強實踐性環節教學能激發學生主動地學習、創造地思維，加強實踐性環節教學對知識體系的構建有重要的作用。

【參考文獻】

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