數(shù)字信號處理課程教學改革探索

王鳳琴 楊永雙 何燕

摘 要：本文研究了數(shù)字信號處理課程的教學改革方法，文中詳細敘述了課程知識體系優(yōu)化、多模式教學，結合動態(tài)演示的教學策略，基于線上線下有機結合教學實施方案及課程及時有效的學習反饋，從而完成傳統(tǒng)教學和網(wǎng)絡教學的優(yōu)勢結合，有效提高學生的積極性和創(chuàng)造性。

關鍵詞：數(shù)字信號處理; 多模式教學; 線上線下; 教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1006-3315（2021）1-160-002

一、引言

數(shù)字信號處理是通信工程、電子信息類專業(yè)的核心課程，該課程具有數(shù)學理論推導多、內容廣泛、概念抽象等特點[1]。以往的教學模式以講授知識點為重，將知識“灌輸”給學生，授課過程中缺乏對數(shù)字信號處理應用的重視[2-3]，重點講授“是什么”，而忽略了“為什么”和可以“做什么”，學生處于被動學習的狀態(tài)，欠缺主動思考探索，且教學反饋過于單一、滯后，通常通過期末卷面考核結果總結分析，獲得學生學習掌握知識的情況及存在的問題，無法及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，直接影響到學生的學習興趣并最終影響學習效果。

針對上述問題，自2018年起，鄭州輕工業(yè)大學計算機與通信工程學院數(shù)字信號處理課程組開始實施該課程綜合改革，結合該門課程的特點及學生培養(yǎng)目標，在教學策略、教學實施等方面進行教學探索和嘗試，取得一些有益的成果。

二、課程教學改革

1.教學策略

數(shù)字信號處理是我校電子信息工程系三年級學生必修的專業(yè)基礎課。課程組對課程教學內容進行精心討論策劃，優(yōu)化知識體系，采用問題啟發(fā)、項目驅動等多模式教學、對比分析，動態(tài)演示的教學策略，如圖1所示。

2.優(yōu)化知識體系

課程授課內容主要包括信號處理與分析和濾波器設計兩大模塊，每個模塊下又分為不同的知識模塊，每個模塊內容詳細規(guī)劃，重點突出。授課課程知識體系圖如圖2所示。

2.1多模式教學

課程組將多種教學方法進行有機融合。由問題啟發(fā)[4-5]引入相關知識點，促進學生積極思考，激發(fā)學生自主學習。采用項目驅動[6]將理論內容融合在實踐項目中，促使學生結合實際項目，逐步熟悉和理解理論內容。

比如講解模擬信號數(shù)字處理方法時，由問題“為什么要將模擬信號數(shù)字化”，進行分組討論，引導得出數(shù)字信號具有穩(wěn)定性強、易存儲、易傳輸、易處理的特點。然后由問題“我們能不能從模擬信號中抽樣出一系列離散值，由這些離散值無失真恢復原模擬信號”，引入生活中音頻信號采樣和圖像采樣實例，采用MTALAB軟件進行采樣恢復演示，對比不同抽樣頻率下的聲音及圖像信號的恢復效果，使同學們直觀認識到，抽樣間隔對信號的影響、能不能無失真恢復原模擬信號，抽樣間隔是關鍵，進一步引導提出問題“如果要無失真恢復原模擬信號，采樣間隔應該如何選取”，給出抽樣的模型，理論推導得出結論：一個頻譜有限信號f（t），如果頻譜的最高頻率為fm，抽樣間隔Ts小于等于[12fm]時，可以從抽樣信號中無失真的恢復原模擬信號。

最后結合抽樣定理的工程應用實例“CD數(shù)字錄音系統(tǒng)”，探討CD系統(tǒng)如何選擇采樣率，并討論抽樣前，對錄制的聲音信號為什么要進行低通濾波，從而引出抗頻譜混疊濾波器。這樣以問題為導向，層層深入，將所學內容與實際生活結合，有效激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)了學生的邏輯思維能力。

具體講解頻率采樣法設計濾波器時，由實際生活提出問題“工程上，常給定頻域上的技術指標，能不能直接在頻域進行濾波器設計”，引入用頻率采樣法設計FIR數(shù)字濾波器的基本思想，設計方法，約束條件等;實例講解如何利用頻率采樣法設計FIR數(shù)字濾波器，結合軟件演示對濾波器設計結果直觀地進行分析;舉例分析大多數(shù)信號應用場合，利用頻率采樣法設計的濾波器阻帶衰減的是不能令人滿意的，從而給出改善阻帶衰減的方法;對比FIR和IIR數(shù)字濾波器的設計，分組討論，總結兩種濾波器各自的優(yōu)缺點及適合的應用場合。

2.2對比分析

數(shù)字信號處理的先修課程為信號系統(tǒng)，它們之間有著千絲萬縷的聯(lián)系，比如Z變換的性質、傅里葉變換、離散傅里葉變換等，通過對比分析[7]講解公式推導，溫故知新，將信號與系統(tǒng)中的已有的方法對比應用到數(shù)字信號處理課程中新的知識點。

2.3動態(tài)演示

針對數(shù)字信號處理學科中許多難以理解算法，制作基于MATLAB的教學演示系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括信號產生模塊、抽樣模塊、頻譜演示模塊、IIR濾波器生成模塊和FIR濾波器生成模塊。基于MATLAB的教學演示系統(tǒng)把數(shù)字信號處理中的一些重點、難點用生動形象的方式展現(xiàn)出來，使學生易于理解，幫助其快速有效地完成課程的學習。

3.教學實施

教學實施方案采用線上線下相結合的方式，如圖3所示。采用現(xiàn)代信息技術，建設并利用反映課程體系與內容的在線課程，供學生學習。學生可在課前通過線上自主學習，線上交流后，進行線上檢測，并反饋問題。

線下教學，以學生為中心增強交互性，設置課程分組討論，解決問題，得出相關重要知識結論，加深學生對課程知識點的理解。授課過程注重理論與工程實踐相結合，通過分組討論講解為什么要引入此知識，聯(lián)系實際結合項目和學科前言引導學生理解所學內容可以做什么，在此基礎上抽象定義，闡述性質，詮釋應用告訴學生“是什么”。

4.教學反饋

4.1學習反饋

及時有效的反饋會直接影響到學習者的學習態(tài)度并最終影響學習效果[8]。教師時刻關注學生的整體學習狀態(tài)。課程開始時，進行簡單的課堂小測試，并結合課堂討論，了解學生對前期信號與系統(tǒng)、線性代數(shù)等相關知識儲備，對學生提出該課程學習方法的建議。通過線上線下作業(yè)完成情況、隨堂問答及分組討論了解學生對知識點掌握情況，及時進行調整，討論總結經驗和可實施方案。

4.2信息溝通

充分利用微信、QQ教學群及電子郵箱等網(wǎng)絡資源，及時進行師生溝通，對學生的提問，根據(jù)問題反饋情況特殊問題進行一對一講解、共性問題課堂解決。學生對教師教學的意見和建議也可以通過微信、郵箱來反饋。教師利用QQ群向學生推送有關教學文件、學習方法、學科資料。

三、結束語

數(shù)字信號處理課程教學改革探索，在實際教學過程中取得了良好的效果，獲得同行教師和學生的一致好評，被評為校級優(yōu)秀課程。線上線下教學的有機結合，多模式的教學策略將枯燥的理論學習生動化，激發(fā)了學生的學習興趣。學生不但理解了課程中復雜煩瑣的公式和定理是什么，而且能夠有效將所學知識與實踐相結合，明白了為什么要學習課程內容，課程中復雜煩瑣的公式在實際中可以做什么。

資助項目：新型在線開放課程——微課建設與應用研究，鄭州輕工業(yè)大學第十一批教學改革與研究項目

參考文獻：

[1]何海浪，黃乘順，李星亮.淺析基于數(shù)字信號處理課程的教學實踐與探索[J]中國校外教育，2019（30）：123-124

[2]萬永菁，張淑艷，王海軍.基于微課的數(shù)學信號處理課程教學改革與探索[J]化工高等教育，2017（1）.45-49

[3]王卓遠，鄭德春，孔中華，等.基于項目導學理念的數(shù)字信號處理課程翻轉課堂教學設計[J]電子世界，2019（15），35-37

[4]胡樂樂.基于“翻轉課堂”和“同伴教學”的“混合式教學”[J]學位與研究生教育，2017（5）：54-57

[5]郭姣，劉艷良.問題式教學法在“信號與系統(tǒng)”課程教學中的運用[J]電氣電子教學學報，2010（5）：83-85

[6]唐加能.項目驅動式教學在信號與系統(tǒng)課程中的探索和實踐[J]科教文匯，2017（2）：66-67，72

[7]王燦，臧嫻.基于雙線程的“數(shù)字信號處理”課程教學方法探討[J]科技視界，2019（11）：137-138