基于《數(shù)字信號處理》的實(shí)驗與理論教學(xué)一體化研究與探索

董慶賀+黃喜軍+李俊++楊青

摘 要： 分析了《數(shù)字信號處理》課程在實(shí)驗教學(xué)和理論教學(xué)中存在的問題，為解決理論與實(shí)踐相互脫節(jié)的問題，文中介紹了基于MATLAB的虛擬教學(xué)仿真軟件的使用，討論了在課堂教學(xué)中如何結(jié)合理論知識使用仿真軟件，以達(dá)到理論與實(shí)驗教學(xué)的一體化。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗教學(xué)；理論教學(xué)；仿真軟件；理論聯(lián)系實(shí)際

中圖分類號：TP319；G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

Research on the Integration of Experiment and Theory Teaching

Based on Digital Signal Processing Course

Dong Qinghe， Huang Xijun，Li Jun， Yang Qing

（ School of Electronic Engineering and Automation， Guilin University of Electronic Technology， Guangxi Guilin， 541004， China）

Abstract： Analyzing the existed problems of experiment teaching and theory teaching in digital signal processing course， a virtual teaching simulation software based on MATLAB is introduced in this paper in order to solve the disjoint between the theory and practice. Combined with the corresponding theory knowledge， how to use this software in classroom teaching is discussed to accomplish the integration between the theory and experimental teaching.

Key words： experimental teaching； theory teaching； simulation software；

1引言

高等學(xué)校的教學(xué)分理論（課堂）教學(xué)和實(shí)驗（實(shí)踐）教學(xué)兩大部分。傳統(tǒng)的教學(xué)觀念認(rèn)為理論教學(xué)為主，實(shí)驗教學(xué)為輔，兩者相互補(bǔ)充，相互促進(jìn)。在實(shí)際教學(xué)中，理論教學(xué)側(cè)重于基本概念、原理和分析方法等理論知識的講解，實(shí)驗教學(xué)作為理論教學(xué)的補(bǔ)充，以驗證性實(shí)驗為主，按照規(guī)定的操作步驟和方法完成實(shí)驗內(nèi)容，通過觀察實(shí)驗現(xiàn)象、記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，從而加深對理論知識的理解和掌握[1]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高校的實(shí)驗教學(xué)與理論教學(xué)一般是分開設(shè)課，各自由不同的部門或老師負(fù)責(zé)，缺乏應(yīng)有的交流機(jī)制。理論教師甚少會結(jié)合實(shí)驗內(nèi)容提前進(jìn)行指導(dǎo)，實(shí)驗老師一般也不會主動將實(shí)驗中出現(xiàn)的問題進(jìn)行及時反饋給理論教師，這種孤立的教學(xué)模式就造成了理論與實(shí)踐相互脫節(jié)，難以達(dá)到通過實(shí)驗對學(xué)生分析問題和解決問題能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

筆者長期擔(dān)任《數(shù)字信號處理》課程的理論教學(xué)和部分實(shí)驗教學(xué)工作，根據(jù)教學(xué)中出現(xiàn)的問題，對如何將課堂教學(xué)和實(shí)驗教學(xué)有機(jī)地融合進(jìn)行了研究，提出在課堂中采用虛擬仿真教學(xué)軟件來輔助于理論教學(xué)，代替某些實(shí)驗教學(xué)任務(wù)（尤其是驗證性、軟件類實(shí)驗），從而淡化理論教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)的界限。

2教學(xué)中存在的問題

《數(shù)字信號處理》是我校電子信息類必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，課程理論性強(qiáng)，概念多，內(nèi)容抽象，含有大量的公式或性質(zhì)的推導(dǎo)和證明[2]，需要學(xué)生要具有良好的數(shù)學(xué)功底。然而由于大學(xué)擴(kuò)招之后，學(xué)生的基礎(chǔ)水平普遍下降，而且傳統(tǒng)教學(xué)中老師授課時一般以理論為主，強(qiáng)調(diào)公式和性質(zhì)的推導(dǎo)及運(yùn)用，常以習(xí)題的形式來強(qiáng)化學(xué)生的運(yùn)算能力[3]，對理論知識在實(shí)際中的應(yīng)用介紹不足，學(xué)生普遍感到枯燥無味，抽象難懂，甚至產(chǎn)生了畏懼心理，不僅制約了教學(xué)效果，而且影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

實(shí)驗教學(xué)是高等學(xué)校培養(yǎng)專門人才的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)等方面具有理論教學(xué)不可替代的作用[4]。為加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解和掌握，提高動手能力，很多課程都開設(shè)了對應(yīng)的實(shí)驗項目，其成績作為最終課程成績評定的一部分。《數(shù)字信號處理》課程所開設(shè)的實(shí)驗項目有：信號與系統(tǒng)的時域表示和運(yùn)算、信號與系統(tǒng)的頻域表示、DFT&FFT、抽取和內(nèi)插的頻譜分析、FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計、IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計。這些實(shí)驗均以MATLAB軟件作為仿真平臺，沒有涉及到具體的硬件和測試儀器，通過調(diào)用MATLAB內(nèi)部函數(shù)和簡單的編程獲得仿真圖形，改變參數(shù)觀察圖形的變化，以達(dá)到對相關(guān)理論知識原理的分析和理解。由于是純軟件的程序設(shè)計性實(shí)驗，據(jù)調(diào)查，很多同學(xué)都是直接拷貝程序應(yīng)付結(jié)果，實(shí)驗報告也是千篇一律，缺乏對結(jié)果應(yīng)有的分析，對于出現(xiàn)的實(shí)驗現(xiàn)象、問題和解決方法的原因鮮有學(xué)生進(jìn)行深入的思考，根本無法達(dá)到實(shí)驗的預(yù)期目標(biāo)。

3 基于MATAB的虛擬教學(xué)仿真平臺

為改變目前的教學(xué)現(xiàn)狀，打破理論教學(xué)和實(shí)驗教學(xué)人為而劃分的界限，將兩者有機(jī)地融合在一起，文中設(shè)計開發(fā)一基于GUIDE的《數(shù)字信號處理》教學(xué)仿真軟件。 GUIDE（Graphics User Interface）是MATLAB為用戶開發(fā)圖形界面提供的一個方便高效的集成開發(fā)環(huán)境，利用此開發(fā)環(huán)境，用戶不需要編寫大量的代碼，只需采用拖拉的形式將所需控件（如按鍵pushbutton、靜態(tài)文本text、編輯框edit、坐標(biāo)軸axes等）有序地放置于界面編輯面板，通過在屬性編輯器（Property Inspector）中修改各控件的屬性，調(diào)整好各控件位置后運(yùn)行即可顯示圖形界面，并產(chǎn)生一包含GUI初始化和組件界面布局控制代碼的M文件，進(jìn)入對應(yīng)的M文件編輯器中編寫程序，主要是在相應(yīng)控件的回調(diào)函數(shù)中添加代碼來響應(yīng)控件的行為[5]。界面設(shè)計方便簡單，而且編程效率高。

如圖1為仿真軟件的總界面，點(diǎn)擊“軟件說明”按鈕會在edit編輯框中顯示出各控件的功能和操作說明。“退出”按鈕用于退出整個界面，結(jié)束仿真軟件的運(yùn)行。點(diǎn)擊其他按鈕，即可進(jìn)入軟件子界面。比如點(diǎn)擊“高分辨率和高密度譜”控件，即可進(jìn)入圖2所示的子界面。

圖1 數(shù)字信號處理教學(xué)仿真軟件主界面 圖2 高分辨率和高密度譜的子界面

該軟件集學(xué)習(xí)、設(shè)計、應(yīng)用于一體，以原各實(shí)驗項目為基礎(chǔ)，對實(shí)驗的深度和廣度進(jìn)行拓展，可安裝在任何一臺PC機(jī)上，通過設(shè)置不同的參數(shù)，觀測和分析結(jié)果，從而取代原有的實(shí)驗項目并打破了實(shí)驗必須在實(shí)驗室進(jìn)行的傳統(tǒng)。另外，軟件還覆蓋了該課程的所有重點(diǎn)和難點(diǎn)，可將抽象的內(nèi)容直觀化、形象化，在課堂上通過與現(xiàn)代化的多媒體教學(xué)手段有效地結(jié)合，可將大部分理論內(nèi)容貫穿起來，有效地輔助學(xué)生學(xué)習(xí)。

4 理論教學(xué)與實(shí)驗的融合

下面以頻譜分析為例來說明如何依托于教學(xué)仿真軟件將理論教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)進(jìn)行有機(jī)地融合。

離散傅立葉變換DFT（Discrete Fourier Transform）是一種時域和頻域均離散化的變換，適合于數(shù)值運(yùn)算，是離散系統(tǒng)分析的重要工具。由于連續(xù)信號不便于直接用計算機(jī)進(jìn)行計算處理，所以連續(xù)信號的頻譜分析要用DFT進(jìn)行近似處理[6]。然而在學(xué)習(xí)中遇到的傅里葉變換有CTFT、CTFS、DTFT、DFS、DFT，課堂教學(xué)中側(cè)重于幾種傅里葉變換的公式推導(dǎo)和證明，一般學(xué)生很難搞清和理解它們之間的區(qū)別和聯(lián)系，尤其是對于用DFT對連續(xù)信號進(jìn)行頻譜分析缺乏直觀認(rèn)識 。

頻譜分析的實(shí)驗要求：對連續(xù)信號 進(jìn)行頻譜分析，其中采樣頻率設(shè)為fs = 32000，分別對模擬時域信號進(jìn)行N=16點(diǎn)或256點(diǎn)抽樣，并進(jìn)行16點(diǎn)或256點(diǎn)的傅立葉變換，通過軟件編程獲得信號頻譜？改變fs觀察頻譜變化？

實(shí)驗中，學(xué)生只能在指定的時間和指定的實(shí)驗室中進(jìn)行，在MATLAB軟件的M-editor編輯器中編寫程序（如圖3），而后保存運(yùn)行，得到如圖4所示波形，然后修改參數(shù)N、M、fs值，觀察波形變化。該實(shí)驗的目的是學(xué)習(xí)FFT的使用，掌握頻譜分析的方法，考察抽樣間隔對信號頻譜的影響，理解高密度譜和高分辨率率譜的區(qū)別和影響原因。然而實(shí)際中學(xué)生只是簡單地觀察一下波形變化，而不知如何從中提取有用信息，對產(chǎn)生變化的原因甚少有學(xué)生進(jìn)行深層次的挖掘思考，根本達(dá)不到實(shí)驗的目的和要求。

圖3 頻譜分析原程序 圖4 頻譜結(jié)果圖形窗

利用該教學(xué)仿真軟件可在課堂教學(xué)中結(jié)合頻譜分析的相關(guān)理論知識同時進(jìn)行，通過提出問題，層層發(fā)問，步步深入的形式，引導(dǎo)學(xué)生不斷去思考。比如：如何將連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為離散信號？時域抽樣點(diǎn)數(shù)N為16和256的頻譜圖是什么樣的？為什么不同？采樣頻率FS改變又會有什么變化？為什么？每提出一個問題，留出一定的時間給學(xué)生進(jìn)行思考，而后在在軟件edit框中輸入?yún)?shù)，點(diǎn)擊相應(yīng)控件即可得出時域圖形和頻譜圖（如圖2所示）。這種一體化的教學(xué)方式形象直觀，可提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，通過現(xiàn)象看本質(zhì)，不僅加深了學(xué)生對理論知識的理解和掌握，而且培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決問題的能力。

為加強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，軟件還提供了對語音信號的相關(guān)處理。通過實(shí)時調(diào)入一音頻文件，可以對其添加不同類型的噪聲[7]，而后觀察前后的時域波形和頻譜圖，播放音頻文件，聆聽前后聲音的變換。圖5是添加均勻分布噪聲，從波形上看仍能看到原信號的輪廓，播放聲音雖能聽清原聲音，但伴有“咝咝”的背景噪音。圖6是將1500Hz的正弦信號作為噪聲，從頻譜圖中也可以清晰地發(fā)現(xiàn)在1500Hz頻率處有一尖峰，音頻信號中混有一陣尖銳的“叮”聲，從中可以清楚地判斷出噪聲頻率，以便選取合適的濾波器進(jìn)行濾除。此外，通過改變采樣率來聆聽聲音的變化，來理解為什么采樣率的選取要符合采樣定理。

圖5 添加均勻分布噪聲音頻信號頻譜分析 圖6 添加1500Hz的正弦信號噪聲頻譜分析

實(shí)踐表明，采用這種現(xiàn)代化教學(xué)形式，不僅將實(shí)驗內(nèi)容與理論教學(xué)融為一體，而且活躍了課堂氣氛，大大觸動了學(xué)生的視覺和聽覺系統(tǒng)，誘使學(xué)生不斷地去發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題，改變了傳統(tǒng)的灌輸式教育并向啟發(fā)式教育的轉(zhuǎn)換。

結(jié)論

教育的主體是學(xué)生，其目的就是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，誘發(fā)學(xué)生的求知欲望，使其始終帶著飽滿的熱情參與到學(xué)習(xí)之中。借助于虛擬教學(xué)仿真軟件并結(jié)合現(xiàn)代化多媒體教學(xué)手段，不僅使課堂教學(xué)形象化，并能有效地將理論教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)整合為一個有機(jī)的整體，培養(yǎng)了學(xué)生綜合應(yīng)用、獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生從知識的擁有者轉(zhuǎn)化為知識的使用者。

參考文獻(xiàn)（Reference）：

[1] 程敏熙，趙芝孟，顏巧瑩. 簡論高等學(xué)校理論教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)的關(guān)系[J]，實(shí)驗技術(shù)與管理，2001.18（2）：186～189

[2] 劉大年，史旺旺，孫貴根等. “數(shù)字信號處理”課程的形象化教學(xué)方法探索[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報， 2006.8（4）： 104-107

[3] 李強(qiáng)，明艷，陳前斌等. 基于Matlab的數(shù)字信號處理實(shí)驗仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 實(shí)驗技術(shù)與管理，2006.23（5）：81-84

[4] 程金林，吳斌，靳曉枝等. 高校實(shí)驗教學(xué)考核模式的改革與實(shí)踐[J]，實(shí)驗室研究與探索，2005.24（4）：76-78

[5] 施曉紅， 周佳. 精通GUI圖形界面編程[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2003

[6] 劉大年，史旺旺等. “數(shù)字信號處理”課程的形象化教學(xué)方法探索[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報， 2006.8（4）： 104-107

[7] 申艷，陳后金，薛健等. 基于Matlab加噪語音的FIR濾波器設(shè)計[J]，電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011.（4）：41-44

作者簡介：董慶賀（1978—），女，河南泌陽人，碩士，講師，主要從事信號處理方面的理論教學(xué)與實(shí)驗教學(xué)研究

基金項目：廣西高等教育教學(xué)改革工程項目（2013JGB147）