“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)改革探索

摘要：隨著國(guó)內(nèi)各產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化推進(jìn)發(fā)展，相關(guān)人才的需求日益增加。為了適應(yīng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及相應(yīng)專業(yè)人才的培養(yǎng)需求，滿足學(xué)科的發(fā)展和社會(huì)對(duì)課程知識(shí)的需要，文章對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程的教學(xué)改革進(jìn)行了探析，主要表現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合、教學(xué)方法多樣化、多種教學(xué)手段并用、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)、完善合理的教學(xué)考核制度幾個(gè)方面，注重培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題及設(shè)計(jì)能力。通過實(shí)踐，課程教學(xué)改革后提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，改善了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；課程教學(xué)；改革

中圖分類號(hào)：G642.0" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

信號(hào)處理是應(yīng)用極其廣泛的一門學(xué)科，適用于計(jì)算機(jī)、電子、通信、自動(dòng)化、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。“數(shù)字信號(hào)處理”課程作為其中的一門核心學(xué)科課程，知識(shí)體系龐雜且規(guī)律性不強(qiáng)。如何在學(xué)時(shí)少內(nèi)容多的情況下把基本知識(shí)傳授給學(xué)生、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，把課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相結(jié)合，讓學(xué)生掌握理論知識(shí)的同時(shí)，能獨(dú)自分析問題、解決實(shí)際應(yīng)用，從而避免傳統(tǒng)教學(xué)的弊端，課程教學(xué)改革勢(shì)在必行。

1 課程教學(xué)的現(xiàn)狀分析

通過對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程的實(shí)踐教學(xué)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)存在以下弊端：

（1）課程講授內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)知識(shí)老舊，不適合學(xué)科發(fā)展，不能適應(yīng)社會(huì)需求。

（2）課程內(nèi)容邏輯思維抽象、數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)多，學(xué)生對(duì)課程知識(shí)難學(xué)、難懂，不能靈活運(yùn)用［1-2］。

（3）學(xué)生對(duì)工程概念薄弱、掌握的數(shù)學(xué)知識(shí)不足、理論與實(shí)際脫軌。

（4）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容驗(yàn)證性居多，而設(shè)計(jì)與應(yīng)用型較少，使得學(xué)生缺乏獨(dú)立思考精神，學(xué)習(xí)興趣不高，導(dǎo)致教學(xué)效果較差［3］。

（5）教學(xué)的整體規(guī)劃方面有所欠缺。教學(xué)過程中理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)分離，分別由理論課教師和實(shí)驗(yàn)課教師獨(dú)立授課，理論課教師進(jìn)行單一的理論講授，學(xué)生的實(shí)踐情況不能及時(shí)了解與掌握，而實(shí)驗(yàn)課教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)方面也有所滯后。整個(gè)教學(xué)過程協(xié)調(diào)性和溝通性不好，不能充分利用各種教育資源［4］。

（6）教師授課時(shí)多以電子教案的方式授課，而用板書講授的過程較少，學(xué)生的輔助學(xué)習(xí)手段欠缺［5］。

鑒于以上原因，為了更好地滿足社會(huì)現(xiàn)狀對(duì)課程的知識(shí)需要，對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程進(jìn)行教學(xué)改革勢(shì)在必行。

2 教學(xué)改革具體實(shí)施內(nèi)容

2.1 整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

“數(shù)字信號(hào)處理”課程講授之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)過“信號(hào)與系統(tǒng)”課程，這2門課程在教學(xué)內(nèi)容上承前啟后、密不可分。“信號(hào)與系統(tǒng)”課程在教學(xué)內(nèi)容上體現(xiàn)為：2種系統(tǒng)——連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng)；2類分析方法——時(shí)域分析和頻域分析；3種變換——傅立葉變換、拉普拉斯變換和Z變換。“信號(hào)與系統(tǒng)”課程主要講解的是基本概念、公式及性質(zhì)、數(shù)學(xué)計(jì)算等，主要學(xué)習(xí)線性時(shí)不變系統(tǒng)前提條件下的確定性信號(hào)的時(shí)域和頻域分析，研究時(shí)域連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)。而“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)內(nèi)容只研究時(shí)域離散系統(tǒng)，主要講解時(shí)域離散信號(hào)與系統(tǒng)的2大問題：一個(gè)是頻域分析（FT、ZT）、離散傅里葉變換（DFT、FFT）；另一個(gè)是數(shù)字濾波器的分析與設(shè)計(jì)，包括IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。以高西全主編、西安電子科技大學(xué)出版社出版的《數(shù)字信號(hào)處理》為主講教材，具體內(nèi)容安排如圖1所示［2］。

為了追求自身課程體系的完整性，2門課程在內(nèi)容上重復(fù)嚴(yán)重。“信號(hào)與系統(tǒng)”課程已對(duì)離散系統(tǒng)時(shí)域、頻域、復(fù)頻域等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的講解，與“數(shù)字信號(hào)處理”課程中對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)相重疊。從課程的延續(xù)性來講，“數(shù)字信號(hào)處理”課程應(yīng)該略講離散信號(hào)的傅立葉變換和Z變換的定義、性質(zhì)等，重點(diǎn)講解數(shù)字信號(hào)與系統(tǒng)的頻域分析，保留離散傅立葉變換理論、算法及應(yīng)用。為了追求自身課程體系的完整性，在教學(xué)內(nèi)容設(shè)置方面圍繞信號(hào)的離散傅里葉變換（DFT、FFT）和數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)為2大主線進(jìn)行講授，對(duì)時(shí)域離散信號(hào)與系統(tǒng)的特性與分類和頻域分析作概括總結(jié)。整合后，課程內(nèi)容更加連貫，在授課內(nèi)容上避免了重復(fù)性，冗余環(huán)節(jié)減少，更好地改善了教學(xué)效果。

講授課程理論知識(shí)時(shí)，突出教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，精簡(jiǎn)課程內(nèi)容，要重視基本原理的闡述，要深入淺出，改善傳統(tǒng)的教學(xué)方法弊端，不要一味地由教師在課堂上講解知識(shí)點(diǎn)的變換原理、過程，還要從生產(chǎn)生活的實(shí)踐應(yīng)用做出引導(dǎo)，把抽象的數(shù)學(xué)概念以實(shí)例的形式進(jìn)行講解，便于學(xué)生接受和理解。

第3期2024年2月無線互聯(lián)科技·研究創(chuàng)新No.3February，2024

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2.2 轉(zhuǎn)變教學(xué)方式方法，豐富教學(xué)手段

2.2.1 教學(xué)方法多樣化

在教學(xué)中，教師應(yīng)采用啟發(fā)式、討論式、案例式的教學(xué)方法，突出課程的重點(diǎn)與難點(diǎn)，以學(xué)生為中心，加強(qiáng)教師和學(xué)生的互動(dòng)［2］。

教師在教學(xué)過程中，可以采用啟發(fā)式教學(xué)法引導(dǎo)學(xué)生，從學(xué)生關(guān)注的熱點(diǎn)、疑難點(diǎn)提出問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，主動(dòng)探求知識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性。以2個(gè)序列相加為例，提出“2個(gè)序列x1（n）和x2（n），長(zhǎng)度分別為N1、N2（起點(diǎn)和終點(diǎn)各不相同），其加法運(yùn)算如何進(jìn)行？和代數(shù)運(yùn)算中的加法有什么不同？”的問題后，讓學(xué)生先思考代數(shù)中的加法運(yùn)算規(guī)則，被提問學(xué)生做出回答，然后教師講解序列的加法運(yùn)算規(guī)則：2個(gè)序列進(jìn)行相加，對(duì)應(yīng)為進(jìn)行代數(shù)加法運(yùn)算，序列缺位的數(shù)值填0補(bǔ)位進(jìn)行運(yùn)算，每位結(jié)果不進(jìn)位，得出的數(shù)值就是2個(gè)序列相加后得到的新序列值。采用這種方式，把問題的疑難點(diǎn)和易混淆處闡析清楚，消除學(xué)生的理解誤區(qū)，能更容易地理解所學(xué)內(nèi)容。

為了體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，采用討論式教學(xué)環(huán)節(jié)。當(dāng)課程內(nèi)容講授到一定階段、學(xué)生掌握了相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)后，教師提出討論的主題，讓學(xué)生課后查閱、收集和整理相關(guān)資料，并在課堂上進(jìn)行討論、做出歸納總結(jié)。以序列的圓周卷積為例，在掌握了線性卷積的知識(shí)基礎(chǔ)上，設(shè)置“序列的圓周卷積是如何完成的？線性卷積和圓周卷積有何聯(lián)系？”的討論主題，讓學(xué)生查閱資料完成討論主題的內(nèi)容，并在討論課堂上做出回答，教師再給出問題的最終結(jié)論：以簡(jiǎn)單的2個(gè)序列為例，先構(gòu)造長(zhǎng)度均為L(zhǎng)長(zhǎng)的序列，即將2個(gè)序列x1（n）和x2（n）補(bǔ)零點(diǎn)；然后再對(duì)它們進(jìn)行周期延拓，利用周期卷積公式推導(dǎo)出結(jié)果，得出結(jié)論為“周期卷積為線性卷積的周期延拓，其周期為L(zhǎng)（L為線性卷積長(zhǎng)度）；而線性卷積進(jìn)行周期延拓后（周期為L(zhǎng)），圓周卷積是其延拓結(jié)果的主值序列”。采用這種方式，教師不再單純講授知識(shí)，討論中教師與學(xué)生地位平等，能很好地體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。

2.2.2 多種教學(xué)手段并用

在課程教學(xué)中，采用以課堂板書與多媒體教學(xué)相結(jié)合、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相輔助的教學(xué)手段。

高校教師進(jìn)行課堂教學(xué)多數(shù)以多媒體為主。課堂教學(xué)中使用多媒體教學(xué)，通過圖示舉例、仿真演示等方式直觀生動(dòng)地教授學(xué)生，便于學(xué)生接受和理解抽象難懂的知識(shí)，同時(shí)減少了教師授課時(shí)列寫板書花費(fèi)的時(shí)間，極大地提高了教學(xué)效率。

針對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程，推導(dǎo)和證明一些極其重要的基本原理、基本公式，仍然采用課堂板書進(jìn)行授課，便于學(xué)生跟上教師的思路，保證了學(xué)生思考問題的時(shí)間，也利于鞏固其他學(xué)習(xí)過的相關(guān)學(xué)科知識(shí)。例如講解傅里葉變換和Z變換的性質(zhì)時(shí)可采用板書形式，運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)加以推導(dǎo)和證明，既復(fù)習(xí)了已學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，又促進(jìn)了學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握和理解。

涉及圖形復(fù)雜、公式推導(dǎo)過程麻煩且不重要的內(nèi)容，可以以多媒體課件為主、板書講解為輔的多媒體與板書相結(jié)合的教學(xué)模式。例如在講授基-2FFT算法的計(jì)算量時(shí)，利用板書推導(dǎo)出計(jì)算公式，結(jié)合多媒體課件上給出的基-2FFT算法結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證計(jì)算公式的正確性。板書與多媒體教學(xué)相結(jié)合，既調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)思維，又加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握度。

為了使抽象問題具象化、提高教學(xué)的直觀性，可根據(jù)給定的條件和指標(biāo)，采用MATLAB語言進(jìn)行仿真演示。例如：在受噪聲污染的信號(hào)x（t）=sin（200πt）+sin（400πt）中，使用頻譜分析方法鑒別出有用的信號(hào)。由給定信號(hào)可知，在100 Hz、200 Hz 2個(gè)頻率處有信號(hào)，可利用MATLAB進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)受噪聲污染信號(hào)的離散傅立葉變換，便可得到該信號(hào)的成分分析結(jié)果。如圖2所示，上方圖形為受噪聲污染的時(shí)域信號(hào)x（t）=sin（200πt）+sin（400πt）的波形，從波形圖中可以看出由于噪聲干擾已經(jīng)看不出信號(hào)的特征。圖2下方圖形為其頻譜，從頻域信號(hào)可見在100 Hz、200 Hz 2個(gè)頻率上有信號(hào)特征。通過編程演示，加深了學(xué)生對(duì)DFT的應(yīng)用理解，使抽象問題直觀化。

為了滿足學(xué)生多樣化的學(xué)習(xí)要求，方便學(xué)生課下復(fù)習(xí)和自學(xué)，進(jìn)一步提高課程的教學(xué)效果，在學(xué)習(xí)通學(xué)習(xí)平臺(tái)上建立課程網(wǎng)站，上傳教學(xué)大綱、電子教案、教學(xué)要求、習(xí)題解答等，在線答疑、在線交流，避免了教學(xué)中因?qū)W生人數(shù)過多而帶來的困擾，增加了師生溝通渠道，學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性得到加強(qiáng)。

3 實(shí)踐環(huán)節(jié)的改革

對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、變換、處理等是“數(shù)字信號(hào)處理”課程主要研究的對(duì)象，本門課程給出了基本理論和方法。本課程的理論與實(shí)際緊密結(jié)合，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)必不可少。實(shí)驗(yàn)課為18學(xué)時(shí)，占總學(xué)時(shí)的25%，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本覆蓋了理論課的主要內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘箤W(xué)生有效地鞏固課程的基本理論和分析方法，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)的掌握和理解，培養(yǎng)學(xué)生軟件編程、仿真實(shí)現(xiàn)、硬件開發(fā)等能力，利于知識(shí)的綜合運(yùn)用，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分2種方式進(jìn)行。一種方式是利用MATLAB軟件平臺(tái)，根據(jù)給定的指標(biāo)要求，進(jìn)行語言編程設(shè)計(jì)和建立模型進(jìn)行模型仿真；另一種方式是利用DSP技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行硬件開發(fā)，把DSP Builder鏈接安裝到MATLAB平臺(tái)的Simulink中擴(kuò)充模型仿真模塊。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括“數(shù)字信號(hào)處理”的基礎(chǔ)知識(shí)、離散傅里葉變換及其應(yīng)用、IIR DF和FIR DF的設(shè)計(jì)、模型設(shè)計(jì)與仿真、DSP硬件設(shè)計(jì)等。實(shí)驗(yàn)類型包含驗(yàn)證型和綜合設(shè)計(jì)型，驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)是要求學(xué)生利用MATLAB語言進(jìn)行軟件編程來驗(yàn)證課程的相關(guān)理論基礎(chǔ)知識(shí)，以加深學(xué)生對(duì)理論內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)的理解與應(yīng)用；綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)教師給定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。例如使用DSP Builder設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器的實(shí)驗(yàn)中，在給出濾波器的參數(shù)指標(biāo)后，要求學(xué)生自行選擇不同的窗函數(shù)、階次等，并對(duì)濾波器進(jìn)行分析。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，學(xué)生能對(duì)所學(xué)知識(shí)有很好的理解，并能掌握各種方法的優(yōu)劣。

4 建立完善合理的教學(xué)考核制度

為提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，采用多種成績(jī)綜合評(píng)定的方式進(jìn)行教學(xué)考核，考核成績(jī)的形式為：總評(píng)成績(jī)構(gòu)成（100%）=平時(shí)成績(jī)（30%）+期末考試（70%）；其中，平時(shí)成績(jī)由出勤（10%）+作業(yè)（10%）+實(shí)驗(yàn)（10%）組成。出勤主要檢驗(yàn)學(xué)生曠課及學(xué)生上課回答問題情況，根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)給予成績(jī)；通過作業(yè)的完成情況來檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握情況，根據(jù)學(xué)生的完成情況給予成績(jī)；實(shí)驗(yàn)成績(jī)由實(shí)驗(yàn)出勤、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)操作3部分組成，其中實(shí)驗(yàn)出勤與實(shí)驗(yàn)報(bào)告各占實(shí)驗(yàn)成績(jī)的20%、實(shí)驗(yàn)操作占實(shí)驗(yàn)成績(jī)的60%，各項(xiàng)成績(jī)根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)和完成情況給予。期末考試成績(jī)占70%，試卷命題以課程教學(xué)大綱為基準(zhǔn)，突出重點(diǎn)與難點(diǎn)，基本覆蓋課程的知識(shí)點(diǎn)，根據(jù)學(xué)生期末試卷的答題情況給予成績(jī)，試卷滿分100分，折合實(shí)際分值為70分，學(xué)生根據(jù)所得分?jǐn)?shù)按比例進(jìn)行折合。課程考核分層化、具體化、內(nèi)容全面化，能綜合評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)本課程的達(dá)成度，促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的全面發(fā)展。

5 結(jié)語

針對(duì)專業(yè)的定位及課程的特點(diǎn)，本文從教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合、教學(xué)方法多樣化、多種教學(xué)手段并用、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)、完善合理的教學(xué)考核制度幾個(gè)方面進(jìn)行課程教學(xué)改革研究。通過實(shí)踐，教學(xué)中以學(xué)生為中心，注重理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)生的分析能力、創(chuàng)新能力得以提高，改善了教學(xué)效果。

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Exploration on teaching reform of “Digital Signal Processing” course

Abstract： With the modernization of various domestic industries， the demand for related talents is increasing. In order to adapt to the development of industry and the training needs of corresponding professionals， to meet the development of disciplines and the needs of society for curriculum knowledge， this paper analyzes the teaching reform of “Digital Signal Processing” course. Teaching reform is mainly manifested in the optimization and integration of teaching content， the diversification of teaching methods， the use of multiple teaching methods， the innovation of practical teaching， the improvement of reasonable teaching assessment system， and the cultivation of students’ ability to analyze problems， solve problems and design. Through practice， the teaching reform improves the students’ engineering practice ability and innovation ability， and improves the teaching effect.

Key words： “Digital Signal Processing”; curriculum teaching; reform