案例庫建設在《現代信號處理》課程教學中的應用

姜暉 朱明哲 武潔 王滿滿

摘 要：針對現代信號處理課程在現有教學過程中存在公式多和公式推導復雜的特點，在教學中采用了案例式教學法，通過設計與教學內容結合緊密的實驗案例，將教學內容以案例的形式進行分解，使學生參與到課堂的教學活動中，較好地建立起知識點和實際應用的關聯，便于對知識點形成較好的認知。通過研究生教學過程中的實踐，說明案例教學對促進學生知識點掌握和提高相關知識在具體應用領域的研究能力具有良好的作用。

關鍵詞：案例庫; 現代信號處理; 教學方法

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號： 1006-3315（2020）9-117-001

現代信號處理是一門理論與實踐緊密結合的研究生課程[1]，是電子與通信工程、信息與通信工程碩士研究生的一門主干課程，具有理論性強、抽象概念多、數學推導嚴密且難度大、應用于廣泛的電子領域，而且相應的理論、方法和技術一直處于不斷的發展和變化之中，導致學生難學、不易理解、方向不易把握。同時在實際的教學過程中，大多采用講課加課后復習為主，這也進一步加大教學效果很難達到預期。因此需要改革教學方法手段，啟發學生創新性思維，強化工程實踐素質培養，提高學生的理論及應用水平。

通過“案例庫建設”的教學方式[2-4]，加強師生、生生之間的多向互動和積極研討等形式，形成的案例庫反哺學生的學習和科研工作，讓學生在整個過程中不斷提高自身發現問題、分析問題并解決問題的科學素養，為研究生階段的科學研究提供多方位的思路，培養學生文獻調研、學習借鑒與創新的能力，這也符合目前國家提倡的新工科的教學理念，它將理論知識教學轉化為學生的更多自學，并正確應用到工程實踐當中。

一、案例庫設計

1.思路及原則

“現代信號處理”作為信息科學中發展十分迅速的一門專業基礎學科，理論性強、抽象概念多、起點高、難度大、數學推導嚴密。因此合理的案例設計是保證教學效果的關鍵，案例既要涵蓋現代信號處理的主要理論知識，又要和實踐應用相結合。同時案例要按照理論知識講解的進度進行合理分解，保證學生在做任務過程中學習理解相應的理論知識。因此案例庫在設計的過程中必須滿足典型性、實用性、啟發性的原則。

2.案例庫詳細設計

我們將按照這四個板塊進行案例建設[5]，在每個板塊擬建設3至4個案例，現以本書第二章短時傅里葉變換為例。本案例涉及數字信號處理中的聯合時頻分析方法，這種方法形成了二維域，在該二維域中能夠表示信號能量隨時間變化的規律。通過Matlab語言編程來觀察短時傅立葉變換（STFT）對非平穩信號頻譜的分析結果，涉及的知識點主要有現代信號處理中的傅立葉變換、短時傅里葉變換理論基礎方面、窗口函數的選用、Matlab編程仿真等方面內容。

現對一個原始語音信號加一隨機的噪聲信號，首先通過仿真結果對比發現加噪后的語音信號的時域波形比原始信號渾濁了許多，并且在頻率5000Hz以后的頻率幅值發生了明顯增加。再通過對比原始信號與加噪后信號的回放效果，我們還能夠發現人耳可以明顯辨別出兩種語音信號的差異性。

最后，我們用FIR低通濾波器對加噪語音進行濾波處理，并將其頻譜和時域波形與濾波前進行比較。由于短時傅立葉變換是時頻分析的重要工具，能夠解決傅立葉變換所不能分析的時變信號和非平穩信號，但存在Heisenberg的不確定性，因此它不能同時在時域和頻域達到很高的分辨率。

為了更好的對信號進行分析，我們要根據不同的信號在不同的時域和頻域的要求，必須選擇適當的時域或頻域分辨率。

通過案例庫的教學初期準備工作，并結合學生的后期參與，提高學生和教師的互動，以及學生的自我學習和相互討論能力的訓練。案例教學是深化研究生教育綜合改革的重要內容，是改革教學方式的重要探索，是繼情境教學、討論式教學、翻轉課堂的又一種新的教學方法。

三、結束語

針對實際教學中出現的問題，開展案例教學方法的研究與實踐，使學生不僅能夠掌握現代數字信號處理的基本理論與方法，而且具有獨立分析、解決實際問題的創新能力，對促進教學工作，提高教學質量，培養研究生實踐能力方面具有重要意義。

參考文獻：

[1]陳純鍇，關雪梅，徐妮妮，王少娜.現代數字信號處理研究生課程教學案例庫建設[J]高師理科學刊，2018，38（2）：80-83

[2]陶丹，胡健，陳后金.“信號與系統”課程案例教學探討[J]電氣電子教學學報，2015，37（5）：55-57

[3]孫軍偉，黃春.建設研究生課程案例庫，保障高水平應用型人才培養[J]中國電力教育，2016，（1）：78-81

[4]趙明，廖志芳，楊柳，易茜.軟件工程核心課程教學案例庫建設以及案例教學實踐[J]計算機教育，2019，（8）：32-35

[5]胡廣書.現代信號處理教程[M]清華大學出版社，2010