“數字信號處理”教學方法評析與實踐

張競成　袁琳　黃愛愛　章國穩　吳開華

【摘 要】數字信號處理作為工科院校本科階段一門重要的專業必修課，其教學方法和效果對教學質量提升至關重要。本研究首先對近年來應用在數字信號處理課程教學上的方法進行總結和評述，在此基礎上，介紹了筆者所在課題組近年來對數字信號處理的教學方法進行的改革和實踐，具體包括（1）結合媒體資料及案例的教學內容導入;（2）講授、練習與討論相結合的授課模式;（3）基于MATLAB仿真的開放性實驗設計;（4）設置文獻綜述報告交流環節。在此基礎上，還討論了數字信號處理課程教學方法未來持續改進的方向和挑戰，希望給廣大同行提供參考。

【關鍵詞】數字信號處理;教學方法;教學模式;改革

中圖分類號： TN911.72-4文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0127-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.05.047

0 引言

數字信號處理作為本科階段電子信息、通信工程、自動化、儀器科學與技術等多個工科學科的必修主干課程，對開展學生專業能力具有重要意義。數字信號處理課程包括離散時間信號與系統、離散時間信號和系統的頻域分析、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換和數字濾波器設計等內容，一方面與微積分、線性代數、離散數學、統計學等基礎學科關系密切，課程中許多公式推導、證明等過程運用到這些數學類課程的知識;而另一方面又與數字圖像處理、嵌入式系統、模式識別等課程前后銜接，在教學過程中專業教師和學生通常反映有關傅里葉變換、Z變換、頻域分析、濾波器設計等較為抽象的內容在掌握和理解方面存在一定難度，同時如何使學生能夠將DSP的相關思路和方法應用到具體問題上亦存在挑戰。本文在總結和分析現有教學方法及其在數字信號處理專業課程教學上應用的基礎上，結合筆者所在教研室多年來教學方法改革的實踐，探討數字信號處理的教學模式，希望給廣大同行提供參考。

1 數字信號處理課程教學方法

在課程教學過程中教學方法具有重要地位，既能體現教師的主導作用，又能影響學生的主體作用，因此是達到教學目的的橋梁。在國內外長達數百年的大學教育實踐過程中，形成了包括讀書教學法、討論教學法、講演教學法、練習教學法、實物教學法、實驗教學法、設計教學法、表演教學法等多種教學法[1]，同時近年來隨著電腦、互聯網和智能手機的興起，多媒體、網絡教學方式、遠程教學方式、慕課等新教學模式與各個經典教學法不斷融合。對于一門具體的課程而言，采用不同的教學方法會得到完全不同的教學效果，教學方法需要根據教學任務、教學內容、教學對象、教學情境和教學過程等方面進行選擇和優化，以獲得較好的教學效果。在數字信號處理課程的教學實踐中，亦出現了一些對教學方法進行改革的嘗試。胡學友等（2007）在數字信號處理課程進行教學改革時，強調概念的物理意義注重實踐教學，引入MATLAB軟件進行教學演示，并在課程內容時間分配、啟發式教學等方面進行了一系列有益的嘗試[2]。趙全明等（2008）在數字信號處理課程的教學中充分利用圖片、影片等媒體教學素材，并在一些如奈奎斯特定理采樣定理內容講授時結合Flash動畫設計，有助于培養學生的工程設計能力[3]。王祥春（2010）將案例教學法引入數字信號處理課程的教學中，特別在課程教學起初階段借助數學工具、圖形及動畫講授一些抽象概念，并注意建立各個知識點之間的聯系，取得較好的教學效果[4]。徐慶偉等（2010）在數字信號處理的課程教學中嘗試增加了文獻閱讀研討課的內容，在拓展學生視野的同時也加深了對課程理論知識的理解[5]。在上述教研成果的啟發下，筆者對數字信號處理的教學方法進行了如下改革和實踐。

2 數字信號處理教學方法改革實踐

2.1 結合媒體資料及案例的教學內容導入

數字信號處理課程的一些內容與生活中的科技聯系緊密，如信號的頻域分析和語音識別，信號采樣與各類傳感器的AD轉換過程等，在介紹相關內容時通過相關媒體資料及案例導入。例如，課程中采用了數字音頻的混音、變調和去噪使學生對信號的頻域產生感性認識;通過介紹遙感傳感器不同波段通道的成像過程，向介紹信號采樣的過程。此外，課程中還適當穿插了介紹移動通訊技術，語音識別及合成，衛星定位與導航技術的媒體資料，有效激發了學生學習數字信號處理技術的興趣。同時，通過介紹數字信號傳輸和處理技術在5G通訊、火星探測、月背探測等深空探測領域的應用使同學明白即使這樣一門傳統的技術仍存在挑戰，需要不斷突破，并與其它學科緊密結合，共同解決新的問題。多次課程教學發現，這些經過選擇和安排的媒體教學內容和案例教學形式能夠有助于提高學生的課程參與度，有利于促進學生在頭腦中形成關于數字信號處理和相關課程、技術的宏觀知識體系，經這種方式培養的學生通常具有更強的思考和解決問題的能力。

2.2 講授、練習與討論相結合的授課模式

數字信號處理課程的部分章節存在較多的計算、證明環節，例如信號的各種計算和卷積、系統線性和時變特性的分析，Z變換收斂域判斷，Z變換、Z反變換的計算、以及Z變換定理的應用，系統函數、系統頻率響應分析，離散傅里葉變換及其對連續信號進行頻譜分析等。這些內容由于操作性較強，單純講授的效果往往不理想。因此在課程教學中，首先對學生進行分組，針對一些知識點將講授和課程練習相結合，通過當堂習題演練鞏固，分組競賽并派代表做題講解，使大多數同學思維充分被調動，這種形式的課堂氛圍通常十分熱烈，教學效果較好。在講授和練習的同時，教師可以根據學生對知識的掌握情況組織討論，幫助同學更好地理解和掌握課程的重點和難點，事半功倍。

2.3 基于MATLAB仿真的開放性實驗設計

MATLAB作為強大的科學計算和分析工具，被引入到數字信號處理課程的教學已有較長的時間，目前多數高校具備MATLAB仿真實驗的條件。借助其友好的人機界面，教師可以通過課堂演示和實驗將一些數字信號處理的過程直觀地進行展示，例如在介紹傅里葉變換和快速傅里葉變換（FFT）時，可以安排學生分別使用DFT和FFT處理某個信號，通過編寫程序，查看分析的過程和結果，能夠有效加深學生對離散信號傅里葉變換的理解，同時通過在MATLAB中比較兩種方法實現同一操作的時間差，使學生體會到FFT在數字信號處理上的優勢。在教學過程中，可以利用這一方式對信號的計算、卷積、傅里葉變換和頻域分析、濾波器效果考察等進行演示，并設置如數字濾波器設計等一些開放性實驗，提升學生靈活運用知識和工具的能力。

2.4 設置文獻綜述報告交流環節

近年的教學實踐中，筆者和教研室老師增加了文獻綜述報告和交流的環節，一般一學期在后半段安排每位同學選擇一個具體的問題進行一次文獻調研和綜述，以報告的形式進行交流和討論。通過這一環節，有效提高了學生專業資料查閱、整理和概括的能力和自主學習的意識。在綜述報告過程中，例如小波分析、信號特征的提取、信號壓縮及重構等深一度的內容被提出并進行討論，有效加深學生對課程知識內涵和外延的認識。而在實施這一方法時，教師應注意對文獻資料查閱方法、查找范圍、綜述和報告形式等作適當的輔導，以保證教學效果。

3 小結、問題與挑戰

數字信號處理課程教學總體上是大學理工科專業中一門較有挑戰性的課程，在課程教學方法創新、改革時教師應注意對多種教學方法的綜合運用，同時應充分考慮學生所在專業的特點、知識結構、上下游課程之間的關系等因素，選擇適當的方法并不斷優化。經過多年的課程教學，筆者認為該門課程教學的主要問題和挑戰在于如何讓學生能夠理解和掌握課程中一些較為抽象的內容和相對較深的數學分析、推導過程，以及如何使課程教學與上下游課程更好地銜接。因此，在未來的教學過程中仍需不斷探索提升教學效果的途徑。

【參考文獻】

[1]姚利民. 高校教學方法研究述評[J]. 大學教育科學. 2010， 2010（1）： 21-30.

[2]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（3）： 67-69.

[3]趙全明，王霞，高軍萍，等. 數字信號處理教學方法探析[J].教學研究. 2008， 31（5）： 443-444.

[4]王祥春. “數字信號處理”教學方法探討[J]. 科技創新導報. 2010（16）： 248.

[5]徐慶偉，郭振鐸，劉洲峰. 數字信號處理課程教學方式的改革與研究[J]. 中國教育技術裝備. 2010（6）： 27.