基于深度學習的現代數字信號處理教學模式改革探討

牟海維 韓建 劉超 呂秀麗

摘?要：現代數字信號處理課程是信號處理理論重要知識體系，是研究隨機信號的分析和信號處理算法的基礎，具有較強的實踐性和應用性。為適應信息類研究生對課程內容學習需要，通過引入深度學習來深入掌握現代數字信號處理知識點，以維納濾波為例，通過引入深度學習框架，解決數字圖像處理過程方法，提升學生在深度學習在數字信號處理中的實踐能力，在課程教學中取得了較好效果。

關鍵詞：深度學習;數字信號處理;維納濾波

目前隨著電子信息技術、微電子技術、互聯網+、大數據與深度學習的快速發展，現代數字信號處理技術得到了快速提升，并廣泛應用于石油勘探、生物醫學、消費電子、國防軍事、航空航天、現代工業等其他領域，已成為現代經濟與社會發展的最重要應用技術之一。由于該課程的理論性和實踐性都很強，且其基本原理和方法已廣泛應用于各領域，因此有必要對本課程進行教學內容及方法改革，優化課程體系結構，加強利用python軟件實現實踐性教學環節。

一、課程結構體系優化

《現代數字信號處理課程》具有數學理論推導較多、內容廣泛、概念抽象等特點，同時，如果教學方法不當，一方面課程的持續時間也會受到限制，學生在學習過程中經常感到枯燥，難以理解和掌握;另一方面，容易造成學生對學習的恐懼，失去學習的興趣。涉及教學過程如圖1所示。

現代數字信號處理是一種以算法信號處理為核心，是一門理論和實際應用相結合的實用課程。涉及的算法是基于計算機數值計算和深度學習框架，目前教師使用的傳統教學方式，主要教演繹的基本理論和算法，在教學中主要使用了大量的公式、算法和推導的學習，而忽視讓學生用計算機模擬設計調試，分析課程的內容和解決問題的能力，讓學生覺得這門課是一個數學理論，并不有利于他們深刻理解數學概念的物理和工程問題，并且，課外實踐項目的限制，不利于學生今后的研究領域的信號處理。因此，如何提高學生學習的興趣和主動性，增強學生對知識的理解和掌握，培養學生綜合運用所學解決實際問題的實踐能力，是本課程教學中需要解決的關鍵問題。

二、引入案例及柔性化教學模式

理論性較強的課程通常側重于理論推導，而忽略了具體實現技術的介紹。因此，將理論知識與實際工程應用聯系起來是不可能的。表現在他們做工程實際項目時，即使是對學過的相關內容也無法用具體的手段來實現。在學習過程中，把理論、實踐及案例有機結合起來，知識點揉成一團，相互支撐，這就是所謂的柔性教學模式，如圖2所示，每個教學模式并不是孤立的。

在現代數字信號處理的教學過程中，應注重培養學生的工程思維方法。數字信號處理理論中包含了許多研究問題和解決問題科學的方法，如頻域分析方法、功率譜估計方法、傅里葉變換的快速計算方法等都是很好的。盡管它出現在信號處理的專業領域，但它的基本思想是利用事物的特點和規律來解決實際問題，這在所有領域應用都是一樣的，尤其是結合深度學習來處理隨機信號問題。

三、維納濾波方法案例

深度學習解決信息處理是今后發展趨勢，因此本課程利用python軟件，利用深度學習框架結構，調用函數和深度學習算法進行案例教學，本例為調用維納濾波的函數，利用SciPy數據包中wiener濾波庫函數的調用。具體語句為from scipy.signal import wiener函數調入。

本課程通過案例式等多種教學方式，使學生從被動接受知識轉變為主動的學習者，通過精心組織教學內容和詳細的教學計劃，開發學生的學習潛能，鼓勵學生實現創造性學習，根據學生專業不同的背景，不同的興趣，不同的能力和不同的工作目標，對學生需求進行多樣化的教學，可以讓學生根據自己的職業目標設定他們自己的學習計劃，使學生與資源實現合理的調度和靈活的匹配，這樣案例式項目式學習引導學生有被動變為主動。

四、結論

通過課程的不斷改革，在課程教學的結束階段時，學生進行分組選擇教學案例討論，對項目的解決過程，演示程序和答辯問題。這種實踐性教學方法是考核學生成績的重要依據之一。設計的專題項目和案例訓練，不僅彌補了對抽象和困難的課程內容對不足的認識，也充分發揮學生的主動性和創造性，使學生得到良好的鍛煉的同時，理論知識可以得到深化和鞏固，提高學生發現問題的能力、分析問題和解決問題的能力。

參考文獻：

[1]曹霞，王波，張紅劍.新工科背景下數字信號處理課程的改革[J].學園，2017（25）：23-24.

[2]丁文飛，孫會楠，趙建新.項目驅動教學法在《數字信號處理技術》課程中的應用——以語音信號為例[J].高教學刊，2017（17）：95-97.

[3]何朝霞.數字信號處理實驗教學改革的探索[J].實驗室科學，2015，18（03）：103-105.

[4]趙楠，李世豪，肖雄，吳令浩.Matlab在語音信號處理教學中的應用[J].實驗科學與技術，2015，13（06）：54-57.

[5]沈希忠.數字信號處理課程的應用型教學模式探索[J].高教學刊，2016（22）：98-99.

[6]李彤.創新設計課程項目驅動教學法探索[J].計算機教育，2015（9）：72-74.

基金項目：黑龍江省高等教育教學改革項目“現代數字信號處理課程教學改革的探索與實踐”（SJGY20170047）;黑龍江省高等教育教學改革項目“學科交叉復合創新創業人才培養研究與實踐”（SJGY20190106）;黑龍江省教育科學規劃重點課題“基于學科交叉融合的電子信息類專業改造路徑研究與實踐”（GJB1319023）;黑龍江省高等教育教學改革研究項目“工程教育認證背景下復雜工程問題的構造與教學設計研究”（SJGY20180069）

作者簡介：牟海維（1963—?），男，漢族，黑龍江綏化人，博士，教授，主要從事油田大數據及信號信息處理研究。