數字信號處理課程實驗教學改革

劉倩 柳兆軍

摘要：針對“數字信號處理”傳統實驗教學中存在的問題，提出采用“基礎-提高-綜合”層次性的實驗內容，強化對理論知識的理解掌握;其次，增加創新實驗內容，提高主動思考能力。實踐結果證明，實驗改革提高學生創新思維能力，取得了較好的教學效果，提高了教學質量。

關鍵詞：數字信號處理;實驗教學;層次;創新實驗;改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）20-0146-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： In view of the problems existing in the traditional experiment teaching of digital signal processing， this paper proposes to adopt the hierarchical experiment of "foundation-improvement-synthesis" to strengthen the understanding and mastery of theoretical knowledge; secondly， the paper increases innovative experiment content to improve the ability of active thinking. Results show that the experiment reform improves the innovative thinking ability， achieves better teaching effect and improves teaching quality.

Key words： digital signal processing; experiment teaching;hierarchical; innovative experiment;? reform

數字信號處理作為電子和通信類專業的基礎課程，具有知識抽象難理解，公式繁多，推導復雜等特點，尤其需要具備一定的數學基礎，導致部分學生喪失學習興趣。數字信號處理的實驗課程能夠將復雜的公式推導過程形象直觀地展現出來，輔助學生更好的理解理論知識，調動學生的積極性，因此，實驗課堂非常重要。我校通信專業學生在大三上學期開設“數字信號處理”課程，實驗內容與課程知識緊密聯系，但是，學生僅是照搬實驗代碼，仍然無法很好地理解課程知識，更無法將課程知識與實際應用聯系起來，無法達到本科學生“應具有從事科學研究和解決工程實際問題所要求的初步的實驗工作能力”的培養目標要求。為了更好地實現學生的實驗培養目標，對“數字信號處理”的實驗內容進行分層次設計，對實驗課程進行改革和創新。

1 “數字信號處理”實驗課程現狀分析

1.1 實驗課程現狀

山東理工大學“數字信號處理”實驗共8學時，共4次，課本選取西安電子科技大學高西全編著的《數字信號處理》，課本內容知識基礎，條理清晰，每章的基本原理都有MATLAB釋疑與實現。在此基礎上，本校實驗一直以來沿用傳統的實驗授課內容，主要是驗證性實驗，包括“卷積運算”、“DFT和FFT”以及“濾波器的設計”等MATLAB仿真實現。實驗主要目的是幫助學生更好地理解數字信號處理的基本概念、基本原理和基本設計方法。但在后續的課程如“數字圖像處理”中發現，學生并未更好地理解信號處理的基本概念，在實際操作中不能熟練應用。

1.2 實驗課程存在的問題

1）實驗內容單一。實驗內容是根據課程的重點難點部分來確定的，實驗內容都為驗證性實現，采用MATLAB軟件仿真，而實驗代碼網上比比皆是，導致很多學生照搬代碼，根本不去理解實現的過程與課程知識的對應，喪失了實驗課堂的意義。

2）實驗課堂枯燥。實驗課堂一般是由教師先介紹實驗內容的原理，而后學生完成實現。實驗內容全部是課程知識，實現方式也是簡單的復制性的仿真實現，并未有任何創新性的實驗內容，導致學生的積極性不高。

3）綜合性創新性實驗缺乏。對于工科學生而言，應該具備一定的動手思考能力和解決實際問題的能力，而實驗內容并未體現出來，無法達到學以致用的目標。

2 實驗課程改革內容

1）豐富實驗內容。原先簡單的以驗證算法、觀察結果為主的實驗，遠遠不能滿足學生的培養目標。根據課程內容要求，根據“數字信號處理”課程中的基礎、重點和難點，實驗課程系統地規劃為三個分層次的實驗內容（系統），將實驗內容配合課堂講授，調動學生的積極性和主觀能動性。具體實驗教學內容如圖1所示。

第一個層次是基礎模塊，是基礎概念、基本算法的驗證性實驗，包括“時域離散信號的基本運算”、“卷積運算”和“零極點分析”等，主要目的是通過MATLAB的結果形象直觀的理解時域離散信號的基本概念;從卷積運算的動態演示中，深入理解線性卷積的整個過程，獲得對“數字信號處理”這門課程的最初級的知識印象。

第二個層次是提高模塊，是對于基本設計原理的驗證性實驗，包括“DFT和FFT”和“濾波器的設計”等，主要過程需要學生根據第一個層次的實驗自己產生比較復雜的信號，然后通過FFT的運算，理解頻譜變換的概念，及其通過濾波器的設計掌握濾波器的設計過程及其濾波效果的理論分析，從而能具備在具體實踐問題中，通過頻譜分析來選擇合適的濾波器進行處理的能力。

第三個層次是綜合項目模塊，是對整門課程的知識檢驗的綜合性實驗，包括“語音信號處理”、“生物醫學信號處理”和“圖像處理”等等。綜合性實驗一方面需要學生除具備該門課程的基礎理論、基本原理等知識外，還需要了解與其相關的如語音、圖像、心電、心音信號的知識等;另一方面有些實驗的綜合復雜性，還需要多人合作完成，有利于學生團隊意識的培養。

2）增加選擇性創新實驗內容。從整體優化的角度出發，將“孤立的實驗”轉化為“設計性的實驗項目”，不斷充實實驗內容，將實驗教學內容與科研項目、社會應用實踐密切聯系起來，努力提高課程的綜合化、系統化程度。創新性實驗既需要綜合其他課程的所學知識，還需要動手思考設計出相關系統或者平臺。鑒于學生在大一已學習過“程序設計基礎”，具備基本的編程能力，創新性內容包括：設計教學平臺、設計系統的實現平臺等，學生可以根據自己的興趣愛好選擇適合自己的課題，單獨或團隊合作完成。創新性實驗以設計性為主，以解決實際問題為目的，在設計中學生會經歷出現問題，思考問題及通過查閱資料或者教師指導來解決問題的過程。在這個過程中，學生得到創新能力和科學研究素質培養，是接受創新思維啟迪的一種好的方式，符合因材施教的原則，也為拓展應用型人才培養提供了一種思路。

3）營造開放式實驗環境。針對傳統實驗學時少的問題，將實驗拓展到實驗課程外，為學生創造自主學習、自主提高的實驗氛圍。學生將本課程知識與其他課程的知識相結合，選擇提出申請的實驗課題名稱，通過答辯形式，獲得進入實驗室自主學習的名額。在這個過程中，學生通過綜合各門專業課程知識來提出問題，分析問題，解決問題，強化學生的創造能力和獨立思考能力，促進實驗教學觀念和教學方式的轉變。

自實施實驗改革以來，從課程教學效果來看，學生的積極性，主動性有了很大水平的提高;從實驗考核來看，考核成績有了較大的提升;而據學生的反饋情況，學生愿意自己動手，自己思考與課程理論相關的問題，甚至積極主動解決與實際相關的問題。這為培養和提高學生科學創新素養奠定基礎。

3 結語

數字信號處理課程概念抽象，難于理解，而實驗是輔助課程學習的重要手段。通過改革實驗內容，劃分實驗內容層次，將實驗分解為基礎、提高和綜合三個模板，既能滿足不同水平學生的知識需求，也能提高學生的創新能力和團隊意識。根據近三年課程的教學反饋，學生對數字信號處理理論知識的理解更加清晰，并且在動手能力，自主學習與主動思考能力方面也有了較大提高。

后面的工作還需要設計更多的綜合性課題，滿足更多的需求。對于創新實驗方面，問題設計，題目選擇，完成目標等方面還需進一步細化。

參考文獻：

[1] 徐讓書，黃福幸.專業實驗教學體系的綜合性創新性實驗改革方案[J].中國大學教學，2002（9）：30-31.

[2] 鐘麗輝，戴正權，李莎. 基于MATLAB的工程實踐性“數字信號處理”實驗改革初探[J].工業和信息化教育，2016（12）：45-49，71.

[3] 葛青，葛良全，吳建平.“ 數字信號處理” 實踐教學改革[J].實驗科學與技術，2013， 11（5）：71-73.

[4] 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.

【通聯編輯：王力】