數字信號處理課程教學探索

芮雄麗 陳瑞

【摘 要】數字信號處理課程具有公式多、概念抽象、掌握難度大等特點。從了解課程結構、知識點歸納比對、問題引導、興趣推動等幾個方面進行教學探索。教學經驗表明，該方法對提高課堂教學效果，提升學生學習興趣有積極的作用。

【關鍵詞】數字信號處理；課程結構；問題引導；歸納比較；教學

【中圖分類號】G423 【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）08-0020-01

引言

“數字信號處理”這門課程在高校眾多專業中開設，是通信信息類課中一門非常重要的專業基礎課程。另一方面，師生們普遍反映這門課難學，難教。究其原因，主要表現在兩個方面，其一是公式多。從課程體系來看，數字信號處理的先修課程包括信號與系統等數學要求相對較高的課程，在此基礎上再搭建數字信號處理的知識，因此，對數學基礎不扎實的學生來說，掌握課程中的公式是一個難點。其二是知識點抽象，要用一些手段才能將其感受出來，如信息需通過聲、光、熱、磁等來傳遞，同時要用一些抽象的變換進行分析、提取等。這種抽象對于知識點的理解是個難點。因此，教師們對這門課的教學一直在探索，提出微課教學、基于問題引導、案例教學等切實可行的方法[1-4]。

一、了解課程結構

所謂“知己知彼，百戰不殆”，了解課程結構，對課程有個概貌認知，有助于學生了解課程任務和內容，以便了解當前課程進度，不會在公式中迷失。經驗發現，這有助于學生消除對課程的“害怕”情緒。教學中，利用角色代入手法，讓學生把自己當成即將對某信號進行處理（如對帶噪音語音進行濾波）的工程師，由此引出系列問題，如：信號如何表示？系統如何表示？頻譜分布情況如何？采用什么濾波器？濾波器如何設計？設計出來后如何實現？問完這些問題，數字信號處理課程的主要結構也就出來了。

二、歸納比對

利用公式和圖形比對的方法幫助理解課程中較難學的知識點。DTFT、DFS和DFT是數字信號處理中的幾種變換，它們之間的關系往往是學生不易掌握的難點之一。此時，把這幾種變換公式列在一起進行比對，比較其中各符號含義和對信號的要求。如DTFT對輸入序列長度沒要求；DFS用于分析周期序列；DFT用于分析有限長序列。假如某一時域有限長序列x（n）的Z變換收斂域包含單位圓，則借助Z變換復平面，可以把x（n）的DTFT和DFT以及其周期延拓序列x（（n））N的DFS之間的關系用圖形描述出來。x（n）的Z變換在單位圓上的變換就是其DTFT，而在該單位圓上等間隔采樣一圈得該序列N點DFTN；若循環采樣不停歇，則得到x（（n））N的DFS。

歸納比對方法在圓周卷積的學習和應用也很有幫助。線性時不變系統中，輸入序列和輸出序列之間的關系是線性卷積，而在實際應用中，往往采用圓周卷積計算。經驗表明，把兩種卷積的過程用圖形的方式列出，比較其計算結果長度有利于學生輕松理解和掌握該知識點。

三、問題引導

問題引導在數字信號處理課程中尤其重要。由于課程的抽象性，學生很難把知識點和實際應用聯系起來，這時候就需要合適的問題來引導，為什么要學這個知識點。比如濾波器結構這個知識點。IIR濾波器設計的結果是獲得其系統函數，而此時僅僅是理論設計的結果，具體軟件或者硬件實現過程中就會遇到一些問題，如參數存儲、計算過程中結果保存等受到有限字長限制時系統性能會有什么影響？濾波器系統函數各種變形對系統頻率響應調整、運行速率、噪聲功率等性能有什么影響？順著這些問題，可以把有限字長限制，各種濾波器結構及其特點等知識點引出。經驗表明，帶著問題學習知識點能使學生注意力更集中。

四、興趣推動

公式繁雜、概念抽象等特點，使數字信號處理課程學習過程枯燥無趣，很難引起學生興趣。因此，應利用學生對多媒體的興趣設計些有趣的應用，激發其興趣，推動知識點學習。如濾波器這個知識點，利用多媒體設備，請學生錄簡短的語音文件，課程中利用Matlab演示該段語音的頻譜，在不同頻率區域上添加噪音，利用audioplayer函數播放添加前后的音頻，在時域和頻域比較其差別，就噪聲在頻譜中的位置展開討論，目的是將其去除。在這個應用中，學生可自然地理解濾波器的作用、經典濾波器和現代濾波器的概念及其差別以及經典濾波器的分類和用途。圖1是應用中使用演示圖。

五、結束語

本文利用多年一線教學心得，從課程結構出發，利用相關知識點歸納比較避免知識點混淆、設置實用問題引出重要知識點、利用多媒體設計應用示例激發興趣等方法，對課程的教學做了探索，使學生能夠更好學習這門課程。

參考文獻

[1]張曉光，湯文豪，王艷芬，等.數字信號處理案例教學法研究與實踐[J].實驗技術與管理，2018（5）：214-217.

[2]楊智明，彭喜元，俞洋.數字信號處理課程實踐型教學方法研究[J].實驗室研究與探索，2014，33（9）：180-183.

[3]趙素文.基于微課的數字信號處理課程翻轉課堂教學設計[J].西部素質教育，2018（6）：94.

[4]陳海燕，何繼愛，藺瑩.基于問題引導的“數字信號處理”課程教學方法研究與實踐[J].教育教學論壇，2018（4）：173-174.

基金項目：南京工程學院高等教育研究課題，2018YB19。