地方高校電子信息類《數字信號處理》課程教學改革探索

朱鵬，余超，謝文武，彭鑫，童耀南

（湖南理工學院信息科學與工程學院，岳陽414006）

0 引言

《數字信號處理》是電子信息類專業的一門重要專業基礎課。一般在三年級開課，它是學生在完成信號與系統課程后，進一步為學習專業知識打基礎的課程。多年來，該課程教學主要采用黑板式或多媒體式的教學方式，課程內容多偏重相似的數學分析和抽象概念。學生也主要通過課堂例題及課后作業來理解和鞏固課程內容，這就嚴重限制了學生創新和實踐能力的培養，無法真正理解所學知識的實際應用，這也導致了該課程教學實施上存在如下特點[1]：如課堂內容抽象、教學內容偏多而課時縮減、實驗教學課時偏少且偏重于驗證性項目，同時作為課程對象，學生學習自主性不高，主要依賴于課堂講授。針對這些特點，目前國內外對本課程在教學內容、教學方式等各教學過程上也進行了一些改革探索：為提高應用型人才培養質量，采用任務、項目方式驅動，激化學生學習興趣和熱情，從而提高教學效果[2-6]；在課程教學模式上也有一定的探索[7-9]，例如提高教師自身能力、理論與實踐相結合、翻轉課堂、慕課等。也有學校通過課程內容整合，將多門課程內容通過適當優化，更好的開展教學活動[10-11]。

在此背景下，結合地方高校應用型人才培養特點，深入研究《數字信號處理》課程內涵，面向應用型人才培養設計教學內容與教學過程，對提高本課程教學效果和應用型建設具有重要的理論和實踐意義。為了達到這一目標，筆者對該課程的教學進行了改革，取得了較好的教學效果。

1 教學改革思路

針對應用型辦學定位，通過多國內各層次高校對本文課程的教學現狀的現場及網上調研，較為客觀掌握《數字信號處理》課程現有教學方式及授課現狀，明確課程建設以基本概念和工程應用能力為主線的改革思路。

依據《數字信號處理》課程的教學大綱，該課程的教學包括七章內容，選用的教材為西安電子科技大學出版社出版的高西全等主編的《數字信號處理（第四版）》。教學內容理論性強、學生普遍反映抽象難學，為了在有限學時內有效完成教學內容，一方面取消實驗課時，將其合并到教學過程中；另一方面對課程內容作了安排，沿兩條主線（如圖1）進行：一條是信號與系統分析，包括離散時間信號和系統分析基礎、數字信號分析；另一條是信號濾波，包括IIR、FIR數字濾波器的結構、設計方法。沿著這兩條主線將離散信號與系統的時域分析、頻域分析、Z域分析、時域頻域采樣、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換、濾波器結構及設計方法等知識點逐步呈現。

圖1 教學內容結構

在教學過程上主要通過基礎知識講解、主要技巧分析、學生編程演示、綜合應用演練等過程完成。

基礎知識講解主要由教師完成，以傳統的授課方式將教學內容中涉及的基本知識進行介紹。主要技巧分析在重要知識點或計算推導中所涉及的運算技巧。如分解、換元、交換運算順序等。

學生編程演練需要學生充分發揮主觀能動性，將基礎知識轉換為程序，以便能夠更加深刻和清晰地理解這些知識。表1給出了筆者在教學實踐中設計的編程演練內容。以離散信號基本運算為例，在課堂簡要介紹基本運算后，要求學生利用程序在課后實現信號的加、乘、移位、卷積等基本運算。學生通過對這些基本運算的編程實現，能夠較好地理解這些運算的過程，有利于將抽象的運算變成實際可見的圖像，更增加學生的成就感，提升學習興趣。在學生完成基本運算后，還可以引入回聲等這類生活中較為常見的聲音現象，讓學生思考能否利用基本運算實現。在學生思考出基本思路后直接利用程序仿真出回聲。

表1 編程演練內容示例

綜合應用演練則基于 CDIO（Conceive、Design、Im?plement、Operate）理念設計教學過程。主要分為以下四步：

（1）項目內容設計。學生在掌握基礎知識之后，教師引入工程實際問題，引導學生思考和深化問題。進而協助學生將問題歸納為項目，明確項目背景和需解決的問題。

（2）技術方案設計。針對以提出的具體項目，學生通過對項目進行分解，逐步解剖，將問題細化。找出問題解決方案，形成完整技術方案并進行論證。通過這一環節的實施，學生就會慢慢學會利用所學知識去分析和解決問題，從而彌補了純理論教學的不足，是學生在方案設計過程中消化、理解和應用知識點。

（3）技術方案實現。該過程是利用一定的手段或工具，對設計好的技術方案加以實現。對于《數字信號處理》課程，主要借助于程序。因此可以利用MAT?LAB、C等。這樣既學會了這些工具的使用，又能進一步的理解所設計的知識點。更有意義的是，在實現過程中碰到的各種實際問題的解決，這些都是在理論教學中被忽略的。同時學生也能體會工程問題解決是一個不斷修改驗證的過程，不能忽視任何微小的漏洞，形成嚴謹求實的工程應用態度。

（4）項目答辯與評價反饋。學生將項目完成后予以總結，形成項目報告。由任課教師組織答辯，答辯內容需覆蓋設計思路、原理、技術方案設計與實現、調試過程。答辯的重點應放在技術方案實現與調試過程上。教師組織學生依據匯報內容進行評價，同時，教師點評項目完成質量、團隊協作及匯報等方面。

在實際生活中語音信號處理、圖像處理等技術與本門課程較為相關，因此將這些技術結合教學內容提煉形成綜合演練問題（表2）。例如在學習完濾波器設計后，引入語音信號中的變聲應用。語音作為生活中常見的信號，對它的各種運算和處理也能較大程度的引起學生的學習興趣。語音變聲就是一個比較有意思的應用，這種技術可以將自己說話的聲音變成男人、女人、小孩、老人的聲音，從而達到搞怪或保密的目的。因此要求學生進行分組，對語音變聲技術開展調研，形成如何將聲音轉為各種類型的聲音的技術方案并編程實現，然后根據技術方案和實現在課堂做相應的展示。

表2 參考綜合演練選題

2 考核與成效

為了驗證課程教學效果，筆者對該課程的考核也進行了改革，將平時出勤情況和思想表現納入課堂表現，占最終成績的5%。編程演練表現作為課堂作業，占比15%。綜合演練作為綜合實踐，占比20%。而期末考試由原來占最終考核成績的80%降為60%，并且出卷緊扣工程認證要求，著重考查學生對知識的應用能力。通過該考核方案的考核結果分析，學生在日常學習和實踐應用能力上有了較為明顯的提高，展現出較為濃厚的學習興趣。

3 結語

作為電子信息類專業重要的基礎課程，《數字信號處理》的教學應該緊密結合地方高校特點，圍繞應用型人才培養目標，將應用能力培養貫穿與教學整個過程。為此筆者結合近年來教學實踐，參考近年來廣泛采用的CDIO工程教育理念，對《數字信號處理》課程教學進行了改革探索。實踐證明該教學改革對地方本科院校應用型人才培養起到了良好的效果，提供了學生的實踐應用能力，為后續教學奠定了良好基礎。同時也為其他同類課程的教學提供思路。