面向卓越工程師培養的數字信號處理課程教學改革探索

王典 李鵬 勾福巖 劉財 劉洋

[摘? ? ? ? ? ?要]? 根據“卓越工程師教育培養計劃”的總體要求，面向勘查技術與工程專業卓越工程師的培養，分析和研究數字信號處理課程的教學改革，從教材選擇、教學內容、教學方法等方面進行調整，旨在提高學生的實踐能力和創新能力。

[關? ? 鍵? ?詞]? 卓越工程師;教育培養計劃;數字信號處理;教學改革

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）10-0098-02

“卓越工程師教育培養計劃”（以下簡稱“卓越計劃”）是貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010—2020年）》的重大改革項目，目標在于培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才（以下簡稱“卓越工程師”）。教學內容改革是成功地進行卓越工程師培養必須完成的一項至關重要而又具有挑戰性的關鍵工作[1]。

隨著科學技術和計算技術的迅速發展，數字信號處理的理論和技術取得了飛躍性的進展，已經滲透到生產和生活的各個領域，成為目前發展最快、應用最廣泛、成效最顯著的新興學科之一[2]。數字信號處理課程已經不僅是電子與通信本科專業的重要的專業基礎課程，同時也是勘查技術與工程等專業重要的專業基礎課程。以培養“卓越工程師”為目標進行數字信號處理課程教學改革，對提高學生動手能力、應用能力和自主創新能力，為后續的地震勘探原理與數據處理等專業課程的學習提供有力的支撐。

數字信號處理作為以數學為基礎的學科，包含了很多的抽象概念和理論，很多結論的推導涉及大量的數學過程，學生容易產生抗拒和厭煩心理。如何讓枯燥的理論課變得生動？如何讓學生由“被動學習”轉為“主動學習”？如何讓高校培養的學生稱為真正的“卓越工程師”？這是教育工作者所面臨的重要問題。本文以此為目標，從教材合理選擇、教學內容調整、教學方法調整等方面出發，旨在提高數字信號處理課程的教學質量，培養學生的實踐能力和創新能力，順利完成“卓越計劃”服務。

一、教材合理選擇——多教材整合、課外教材輔助

優秀的教材是課堂教學的靈魂。數字信號處理這門課程可選擇的教材很多，以往的勘查技術與工程專業選擇西安電子科技大學出版社出版、丁玉美主編的《數字信號處理》[2]，該書內容簡潔、選材精煉，適合非電子和通信類專業學生使用。結合本次“卓越工程師”的培養目標，對教材的選擇進行了相應的調整。采取以目標為先導，“多教材整合、課外教材輔助”的原則，突破了“一門課一本教材”的限制，讓學生采眾家之所長。以程乾生著的《數字信號處理》[3]（教材一）和高西全主編的《數字信號處理》（第三版）[4]（教材二）為主要授課教材。前者由于作者參加過勘查技術與工程專業的課題，所以在教材內容選取上與專業課程銜接緊密，易于學生對后續課程的理解;后者經過再版，增加了實驗和MATLAB信號處理工具箱函數，使學生在學習理論的同時能夠進行高效的上機實驗、設計和仿真。同時，選擇OPPENHEIM的經典教材《DISCRETE-TIME SIGNAL PROCESSING》和程佩青的《數字信號處理教程》作為課外輔助教材，經典課外教材的輔助閱讀能夠培養學生課外自主學習能力，拓寬學生視野，提高學生專業英語的水平。

二、教學內容調整——基礎理論與工程實踐并重

以往工科專業本科生的培養方式多是以理論教學為主，實踐教學為輔;以“卓越工程師”為培養目標的培養方式必須結合本專業進行教學內容的適當調整和優化，堅持“基礎理論和工程實踐并重”的原則，才能激發學生學習的動力和興趣，提高學生的實踐創新能力。

適當調整學時，增大實驗教學學時比重，使其達到總學時的三分之一。實踐課程是“卓越工程師”培養的重要途徑，通過設計九個綜合性和創新性結合的實驗項目，使理論和實踐緊密結合，凸顯理論知識的運用和價值，讓學生真正動手做起來、思考起來，體現學生的教學主體地位，消除學生學習的被動、消極與盲從心態，激發學生學習的主動性、積極性和創新性[5-6]。實驗教學比重提高導致理論教學學時的壓縮，因此要求教師在實驗教學設計上要緊密聯系理論教學，采取邊理論教學邊實驗的方式，利用實驗來深化理論，加強學生的認識。

教師對教學內容進行精選整合，是讓學生在有限的學時內掌握好數字信號處理的基本概念和理論，了解學科的基礎框架和關鍵細節的重要前提。本門課程是以傅里葉變換為基礎和主線，以濾波器的設計為目標，在教學內容調整時不能偏離主線和目標。由于學生已經學過連續信號的傅里葉變換，此部分只需做簡單的回顧和總結，將有限學時分配到后續教學內容中。將教材二中第8章、第9章中的“采樣和量化問題”進行壓縮，調整到第1章“模擬信號數字處理方法”中講解，既節約學時，又提高了學生對本部分相關內容的理解。適當增加相關分析、希爾伯特變換、最小相位信號等內容的講解，緊密結合后續專業課程的學習。課程內容的調整和更新，注重各知識點的內在聯系和相關性，體現課程的綜合性和系統性。

三、教學方法調整——激發學習興趣、提高實踐能力

首先，數字信號處理課程理論性強、抽象概念多、公式推導多，形象化教學的引入，激發學生對理論學習的興趣[7]。形象化教學的方式多種多樣，公式的形象化是讓學生把死記硬背抽象的數學公式，變為記憶其表達的物理意義，例如關于Z變換的性質3，可以引導學生記憶函數的指數加權的Z變換等價于Z域的尺度變換。再比如，教師在講解采樣信號頻譜和原信號頻譜的關系公式時，一定要學生理解這個公式所代表的周期延拓的概念，記公式不是直接地讀公式，而是理解其所表達的物理意義。計算過程的形象化，就是把枯燥的計算推導過程用圖表表示出來。例如，在計算序列的褶積時，可以充分利用多媒體的靈活的教學方式，將兩個序列的褶積運算動態地表示出來，既形象又生動。再如，教師對連續信號用DFT進行譜分析的過程，也可以通過圖表結合的方式有效地表達出來。

其次，多媒體教學和板書教學相結合的方式，使枯燥的數字信號處理課程變得豐富多彩。多媒體教學是目前大學課程中主要的教學方式之一，這種新生的教學手段可以提高教學效率，形式新穎，使教學內容形象化、直觀化[8]。但是并不能全部課程都采用多媒體教學方式，因為完全采用多媒體教學方式，使課堂信息量過大，忽視了學生的思考空間，特別是數字信號處理涉及的數學理論和公式繁多，利用板書教學進行詳細的公式推導，可以吸引學生的注意力，使學生關注推導的細節，同時可以增加師生間的互動，鼓勵學生積極參與課程學習，提高學生的主體地位。

再次，MATLAB輔助課堂教學和實驗教學，提高了教學質量和學生的學習效率[9]。MATLAB作為數字信號處理的有力助手，已經越來越受到人們的重視。合理地運用工具軟件，設計綜合性、實踐性實驗，輔助課堂教學演示，是檢驗理論知識綜合運用能力和體現學生實踐能力和創新能力的有效手段。例如，講授離散信號的褶積相關運算、離散信號的頻域分析、數字濾波器的設計等問題時，學生容易感到枯燥難懂，而采用理論講解和MATLAB仿真工具相結合方式，通過參數調節和形象展示，可以增加學生的感性認識，加深學生對理論知識的理解[10]。在實驗教學中，學生親自動手參與仿真實驗，進行參數調節、結果演示，分析解決實際應用問題，激發了主動學習的積極性，培養了實踐能力和創新能力。

最后，仿真實驗教學讓抽象問題形象化，提高了學生對理論知識的理解和認識。將工程實際應用實例引入課堂，利用專門的仿真實驗軟件，如進行聲音信號的濾波、調頻等變換，比較男女聲音的頻譜，讓學生準確、直觀地掌握信號在不同頻率下的特征，加深對理論知識的應用和理解，鍛煉了學生的動手能力。

四、結語

“卓越計劃”是要培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才[11]，樹立以學生為主體的教學觀，充分發揮學生的主觀能動性，提高學生提出新問題、發現新知識和解決新問題的能力。數字信號處理作為勘查技術與工程專業基礎課程，以知識獲取、能力培養、素質提升為課程設計指導思想進行教學改革，是服務“卓越計劃”、完善課程體系建設的重要基礎環節。

參考文獻：

[1]林健.面向“卓越工程師”培養的課程體系和教學內容改革[J].高等工程教育研究，2011（5）：1-9.

[2]丁玉美，高西全.數字信號處理[M].2版.西安：西安電子科技大學出版社，2001.

[3]程乾生.數字信號處理[M].北京：北京大學出版社，2003.

[4]高西全，丁玉美.數字信號處理[M].3版.西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[5]宋佩維.卓越工程師創新能力培養的思路與途徑[J].中國電力教育，2011（3）：23-29.

[6]劉會衡，田玲.數字及信號處理課程教學方法改革與實踐[J].教學研究，2008，31（3）：237-239.

[7]高超，金高潔，王心源.傳統教學與多媒體教學融合：以“遙感導論”課程為例[J].中國地質教育，2007（4）：118-122.

[8]許建霞.基于Matlab的數字信號處理教學改革與探討[J].中國科技信息，2009（12）：286.

[9]劉煥淋，陳勇.MATLAB在數字信號處理實驗教學中應用[J].創新教育，2010（26）：148.

[10]林健.卓越工程師創新能力的培養[J].高等工程教育研究，2012（5）：1-17.

[11]畢萍，劉毓.面向“卓越工程師”目標進行“信號與系統”課程教學改革[J].清華大學教育研究，2014（1）：190-193.

◎編輯 陳鮮艷