課設任務驅動下數字信號處理課程教學方法研究

鄭雁翎

摘? 要 數字信號處理課程的特點是理論性強、概念抽象，工科學生在學習過程中很難把課程內容與工程實踐問題相聯系，課程對學生的數學基礎要求高，前驅課程理論知識要求扎實。因此，學生普遍對該課程的學習積極性、主動性不夠高。為了既能讓學生主動學習、自主探究，又能夠滿足新工科背景下人才培養的要求，提出課設任務驅動下的課程教學方法設計，將課設任務引入整個教學過程中，讓學生在學習知識點的時候，如同在研究一個個小的課題。從近兩年教學實踐來看，課設任務驅動教學能夠有效提高教學效率，激發學生學習興趣。該方法同樣適用于工科其他專業課的教學。

關鍵詞 數字信號處理；課程設計；教學方法；任務驅動；IIR數字濾波器

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）14-0089-03

Abstract The course of Digital Signal Processing is characterized by?strong theory and abstract concept. It is difficult for engineering stu-dents to connect the course content with engineering practice pro-blems in the learning process. The course has high requirements for?students mathematical foundation and solid theoretical knowledge for the precursor course. Students are neither active nor active in lear-ning. In this paper， it is proposed that a curriculum teaching method driven by the curriculum design task in order to enable students to study actively and explore independently， and meet the requirements?of talent training under the background of new engineering. The curri-culum design task is introduced into the whole teaching process， so that students learn knowledge points as if they are studying a small topic. From the teaching practice in the past two years， the teaching method by curriculum design task driven can effectively improve teaching efficiency and stimulate students interest in learning. This method is also suitable for teaching other engineering courses.

Key words digital signal processing; curriculum design; teaching method; task driven; IIR digital filter

0? 引言

課設任務驅動下的教學方法，即根據教學內容將課程設計任務分解成子課題，進行理論與實踐緊密結合的教學：理論課上引入課題任務，進行引導式和講授式教學；實驗課上進行課題的設計與實施，采用啟發研討式教學方式；課外組織創新拓展實踐，積極采用“互聯網+”的自主式和協作式學習模式。針對數字信號處理課程，在教學過程中引入課設題目，理論課中，提出與課程內容相關的課程設計題目，圍繞設計題目所用知識點展開講解，激發學生興趣，使學生愿意主動探究；實驗課中，針對課設任務中的某個指標要求進行實驗設計、仿真并得出結論；課后，學生根據課設內容進行拓展，分小組進行實踐內容設計與實踐。復雜的理論教學過程變成一個個小的設計課題，有助于學生從理論到實踐再到應用創新的完美結合。

1? 數字信號處理課程分析

數字信號處理課程的特點是理論性強，概念抽象，工科學生在學習過程中很難把課程內容與工程實踐問題相聯系。數字信號處理課程的前驅課程包括高等數學、復變函數、積分變換等數學基礎課程，數字電路、信號與系統、MATLAB語言等專業基礎課程。目前，寶雞文理學院的數字信號處理課程開設在電子信息及自動化專業大三第二學期，對學生的數學基礎、專業課基礎要求高，加之內容復雜抽象，在近年教學中，學生學習的主動性、積極性不夠。針對這些問題，對電子信息及自動化專業的數字信號處理課程建設進行深入探索，提出課設任務驅動下的教學方法研究和設計。通過不斷探索并改革教學方法，不但要消除學生對課程的畏懼心理，而且要讓學生主動學習、自主探究，把所學知識應用于工程實際問題的解決中[1]。

2? 課設任務驅動下的數字信號處理課程教學方法設計與實施

2.1? 課設任務驅動下的教學方法設計

2.1.1? 理論教學方法設計? 傳統的理論課教學是從知識點出發開始講授，結合大量運算和推導等。學生把更多的精力集中在理論知識的推導和運算上，而忽視工程實際應用，這不符合新工科背景下培養應用型人才的要求[2-3]。基于課設任務驅動的理論課開展，注重工程實踐，每個新的知識點都結合一個課程設計題目，從工程實踐項目的實例出發，引出知識點，課堂從實際工程實例導入。

2.1.2? 實驗教學方法設計? 數字信號處理課程具有很強的工程性和實踐性，因此，實驗教學環節是該課程必不可少的環節。傳統的教學方法多以驗證性實驗為主體，學生通過虛擬仿真軟件對教師課堂講授的知識進行驗證性仿真，加強理解理論知識。然而，這樣的驗證性實驗不能直觀地讓學生理解課程的工程應用價值。因此，在教學過程中減少驗證性實驗，增加基于課設項目的設計性實驗。選擇的課設題目必須與工程實踐緊密結合，設計指標應該接近或者完全按照實際應用指標要求，以此提高學生所學知識的綜合應用能力，幫助其樹立正確的工程價值觀[4]。

2.2? 教學方法的實施過程：以IIR數字濾波器設計及實現為例

2.2.1? IIR數字濾波器理論課程設計? 理論教學過程中，通過多媒體演示工程實踐的聲音、圖像信號的處理過程，學生能夠非常直接地看到整個數字信號的處理過程，從而產生理論學習的興趣，明確理論學習的目的和要求。理論知識點主要講授IIR數字濾波器的設計方法：脈沖響應不變法和雙線性變換法。以應用最廣泛的雙線性變換法為例，其基本設計過程是：將給定的數字濾波器的指標轉換成過渡模擬濾波器的指標；設計過渡模擬濾波器；將過渡模擬濾波器系統函數轉換成數字濾波器的系統函數。

2.2.2? IIR數字濾波器實踐教學過程設計

1）提出設計目標任務。在設計任務驅動下，在實驗教學中首先提出設計目標，讓學生進行設計、仿真，再根據仿真結果得出結論。如在設計IIR數字濾波器時，圖1所示為復合信號s（t）的時域波形和幅頻特性曲線，由三路調幅信號疊加構成。由圖1可見，三路信號時域混疊無法在時域分離，但頻域是分離的，那么如何通過濾波的方法在頻域分離呢？帶著這樣的任務目標，啟發學生思考，使其主動進行分析設計。

2）聯系理論知識分析思考。由復合信號s（t）的幅頻特性圖可知：頻譜圖中有三個濾波器，分別為低通濾波器、帶通濾波器和高通濾波器。進而確定濾波器的通帶和阻帶截止頻率，并要求其阻帶的最小衰減通常為60 dB，通帶的最大衰減可以為0.1 dB。抑制載波單頻調幅信號的數學表達式如公式所示：

其中，cos（2πfct）為被調制波（即載波），fc為載頻（即載波頻率）；cos（2πf0t）為單頻調制信號，f0是其調制頻率，且fc＞f0。由公式（1）積化和差后可知：信號s（t）是由關于載頻fc對稱的2個頻率成分的正弦波信號疊加而成，其對稱的2根譜線頻率分別為和頻fc+f0及差頻fc-f0。從圖1可以得到250 Hz、500 Hz、1 000 Hz分別為復合信號的三路載頻[5]。

假設g（t）是無直流成分的連續帶限調制信號，那么s（t）=g（t）cos（2πfct）通常表示為一般的抑制載波調幅信號。其頻譜圖有2個邊帶（上、下邊帶），且關于載頻fc對稱。若g（t）是具有直流成分的調制信號，則s（t）=g（t）cos（2πfct）是包含載頻成分的一般的雙邊帶調幅信號，其頻譜圖也是有關于載頻fc對稱2個邊帶（上、下邊帶）的頻譜。

3）動手設計，得出結論。用MATLAB編寫程序，完成濾波器的軟件設計。

首先，調用函數buttord和butter完成設計三個巴特沃斯濾波器，同時繪制幅頻響應特性的曲線圖并顯示。

其次，調用函數filter實現s（t）信號的濾波，并從調幅信號s（t）中分離出y1（n）、y2（n）和y3（n）不同載頻的三路信號，與此同時，繪圖并顯示三路信號的時域波形圖，分離效果圖如圖2所示。

2.3? 課后拓展

課后拓展部分主要是把工程實踐問題帶入設計。數字信號處理在聲音、圖像等信號的去噪中廣泛應用，這些信號和學生的生活實際息息相關，容易被學生接受和理解。因此，針對IIR數字濾波器，不同的小組分別設計聲音信號的去噪、圖像信號的去噪。學生可以選擇錄取組員男、女同學聲音信號進行處理，也可以選擇自己喜歡的組員照片進行處理，將處理結果與理論分析結果對比，理解濾波算法并掌握其應用。課后拓展為學生走上工作崗位奠定堅實的基礎。

3? 教學效果評價

基于課設項目驅動的數字信號處理課程教學方法，在寶雞文理學院2016級、2017級電子信息及自動化專業應用實施，從課堂到課率、課堂討論參與率、實驗課程動手情況來看，該教學方法得到良好效果，學生普遍反映良好，學習熱情、積極性普遍很高。一些喜歡研究、動手能力強的學生還會應用所學知識主動參與大學生創新創業項目，近兩年獲批多項省級、校級大創項目。

4? 結束語

數字信號處理已經被廣泛應用于現代通信、控制、電子技術所涉及的各個行業，需要大量高素質應用型人才。為了適應人才培養的要求，需要不斷改革探索更加適合的教學方法。基于課設任務驅動的數字信號處理課程教學方法設計，讓學生從學習理論知識開始就有明確工程設計目標，了解工程應用領域，在實驗環節和課后實踐環節完成一個完整的課設項目。整個知識點的學習就是在一個個小的項目驅動下完成，讓學生把抽象的信號函數與實際工程量相聯系，讓人才的培養服務于社會。該教學方法也適用于其他工科專業課，讓學生在學校的學習生活中打下良好的工程基礎。

參考文獻

[1]李利，陳剛，田雪蓮.項目驅動在“數字信號處理”課程教學中的應用[J].實驗室研究與探索，2015（12）：169-170，178.

[2]孫曉娟.新工科背景下計算機控制技術課程教學方法設計[J].中國教育技術裝備，2019（18）：60-62.

[3]韓建，牟海維，姜曉嵐，等.新工科背景下數字信號處理課程教學方法探討[J].教育教學論壇，2019（11）：185-186.

[4]劉文斐.基于虛擬仿真的“數字信號處理”課程教學改革探索與實踐[J].齊魯師范學院學報，2019（1）：34-41.

[5]高西全，丁美玉.數字信號處理[M].陜西：西安電子科技大學出版社，2016.