蔡成林，吳海燕，楊 玲

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004;2.南京信息工程大學(xué)，江蘇南京210044)

隨著信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，信號(hào)處理技術(shù)已成為我國(guó)實(shí)施以信息化帶動(dòng)工業(yè)化戰(zhàn)略的橋梁，成為21世紀(jì)信息化時(shí)代打開電子信息科學(xué)的一把鑰匙，數(shù)字信號(hào)處理的地位和作用越來(lái)越突出［1］。目前國(guó)內(nèi)外許多高校都開設(shè)《數(shù)字信號(hào)處理》課程，這門課程已成為電子與通信本科專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，但是該課程存在理論性較強(qiáng)，數(shù)學(xué)公式和數(shù)學(xué)概念較多，無(wú)疑給這門課的教與學(xué)帶來(lái)了較大的難度。我們從信息課程體系出發(fā)，在《信號(hào)與系統(tǒng)》的基礎(chǔ)上，對(duì)該課程進(jìn)行優(yōu)化整合、利用MATLAB仿真對(duì)該課程進(jìn)行可視化教學(xué)與實(shí)踐［2－3］，并且將雙語(yǔ)教學(xué)的特點(diǎn)加以歸納和總結(jié)，不斷改進(jìn)教學(xué)方法，著力提高該門課程的教學(xué)質(zhì)量。

1 《信號(hào)與系統(tǒng)》與《數(shù)字信號(hào)處理》兩門課程的整合

對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”和《數(shù)字信號(hào)處理》兩門信息類專業(yè)的核心課程進(jìn)行整合，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、教學(xué)手段等方面對(duì)這兩門課程進(jìn)行了整合的總體思路如下:

首先，綜觀“信號(hào)與系統(tǒng)”、《數(shù)字信號(hào)處理》這兩門課，“信號(hào)與系統(tǒng)”課程主要學(xué)習(xí)確定性信號(hào)的時(shí)域和頻域分析，線性時(shí)不變系統(tǒng)的描述與特性，以及信號(hào)通過線性時(shí)不變系統(tǒng)的時(shí)域分析與變換域分析;“信號(hào)與系統(tǒng)”是《數(shù)字信號(hào)處理》的理論基礎(chǔ)，《數(shù)字信號(hào)處理》是“信號(hào)與系統(tǒng)”在離散域中的深入擴(kuò)展。其次，“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中已經(jīng)對(duì)離散信號(hào)與離散系統(tǒng)、Z變換等內(nèi)容作了系統(tǒng)的分析，因此，在安排《數(shù)字信號(hào)處理》課程中這部分內(nèi)容時(shí)，突出以數(shù)字信號(hào)與系統(tǒng)的分析為核心的離散問題，盡可能減少學(xué)時(shí)，以內(nèi)容回顧和補(bǔ)充的形式來(lái)安排這部分內(nèi)容，避免簡(jiǎn)單重復(fù)。所以，要注意做好《數(shù)字信號(hào)處理》課程和“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的銜接。最后，在這兩門課程中，強(qiáng)調(diào)四大變換(傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換以及離散傅里葉變換)的數(shù)學(xué)概念、物理概念和工程概念，淡化其數(shù)學(xué)技巧與運(yùn)算;在內(nèi)容的配置上，連續(xù)信號(hào)的傅里葉變換、拉普拉斯變換和離散信號(hào)的Z變換安排在“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中，離散信號(hào)的傅立葉變換(DTFT)以及離散傅里葉變換(DFT)安排在《數(shù)字信號(hào)處理》課程中。幾種變換之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 幾種變換之間的關(guān)系

通過優(yōu)化整合后，《信號(hào)與系統(tǒng)》和《數(shù)字信號(hào)處理》兩門課程在保持各自相對(duì)獨(dú)立、完整的前提下，構(gòu)成了融合貫通、有機(jī)統(tǒng)一的“信號(hào)、系統(tǒng)、信號(hào)分析與處理基礎(chǔ)”課程體系。要想取得理想的整合效果，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的整合與實(shí)踐教學(xué)方式的改革，尚值得思考與探索。另外，還必須對(duì)教學(xué)方法與手段、實(shí)踐教學(xué)、師資隊(duì)伍建設(shè)等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行總體規(guī)劃和綜合改革。

2 MATLAB在《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)中的應(yīng)用

《數(shù)字信號(hào)處理》課程是高校電子信息和通信工程等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。《數(shù)字信號(hào)處理》課程的理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，它要求的數(shù)學(xué)知識(shí)多、需要掌握的基礎(chǔ)知識(shí)強(qiáng)、與其他學(xué)科密切相關(guān)。但學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時(shí)，普遍感到數(shù)字信號(hào)處理的概念抽象，對(duì)其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握。因此，如何幫助學(xué)生理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法、綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)以及解決實(shí)際問題的能力，是本課程教學(xué)中所要解決的關(guān)鍵問題。為了配合《數(shù)字信號(hào)處理》課程的理論教學(xué)，對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》的理論和算法進(jìn)行MATLAB仿真，讓學(xué)生結(jié)合具體的數(shù)據(jù)處理來(lái)理解概念、定理和性質(zhì)，從而靈活運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)來(lái)分析和解決問題。可以使學(xué)生鞏固所學(xué)的知識(shí)，加強(qiáng)理論和實(shí)際結(jié)合的能力，培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力與實(shí)際工作能力。

MATLAB，Matrix Laboratory的縮寫，是由 Mathworks公司開發(fā)的一套用于科學(xué)工程計(jì)算的可視化高性能語(yǔ)言，具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力。與大家常用的Fortran和C等高級(jí)語(yǔ)言相比，MATLAB的語(yǔ)法規(guī)則更簡(jiǎn)單，更貼近人的思維方式，被稱之為“草稿紙式的語(yǔ)言”。隨著MATLAB的信號(hào)處理工具箱(signal processing toolbox)的推出，不需具備很強(qiáng)的編程能力，就可以很方便地進(jìn)行信號(hào)分析、處理和設(shè)計(jì)，MATLAB已經(jīng)成為數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中分析和仿真設(shè)計(jì)的主要工具。

在實(shí)際教學(xué)中，將數(shù)字信號(hào)處理課程中的一些重點(diǎn)和難點(diǎn)用MATLAB仿真的方式演示出來(lái)。主要內(nèi)容包括采樣定理、序列的基本運(yùn)算、線性時(shí)不變系統(tǒng)響應(yīng)、DFT性質(zhì)分析及譜分析、IIR DF和FIR DF的分析設(shè)計(jì)及應(yīng)用等內(nèi)容的仿真實(shí)驗(yàn)演示。如:在講述求兩個(gè)以N=6為周期的周期序列x1(n)=R4(n)，x2(n)=(n+1)R5(n)的周期卷積和時(shí)，若采用傳統(tǒng)的教學(xué)手段，教師需花費(fèi)大量時(shí)間繪制這些圖形曲線，但獲得的教學(xué)效果卻非常有限，阻礙了教學(xué)質(zhì)量的進(jìn)一步提高。但是如果利用MATLAB快速建立如圖2所示的圖形的過程，不僅可以提高教學(xué)效率和效果，同時(shí)學(xué)生也可以突破時(shí)間和空間的限制進(jìn)行自主的學(xué)習(xí)。

圖2 MATLAB仿真的周期卷積過程與結(jié)果演示

結(jié)合MATLAB，將實(shí)驗(yàn)仿真融合到課堂教學(xué)中，為改進(jìn)教學(xué)方法提高教學(xué)效果提供了一種新的嘗試。通過實(shí)踐應(yīng)用表明，此教學(xué)方式改革為學(xué)生充分理解數(shù)字信號(hào)處理的性質(zhì)和應(yīng)用提供了良好的輔助手段，取得了較好的教學(xué)效果。

3 《數(shù)字信號(hào)處理》雙語(yǔ)教學(xué)實(shí)踐新模式探索

利用英文原版教材進(jìn)行雙語(yǔ)教學(xué)是教育部倡導(dǎo)的一種教學(xué)模式，有利于教學(xué)質(zhì)量的全面提高和教育的國(guó)際化發(fā)展，有利于培養(yǎng)具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)秀人才［4－6］。我校結(jié)合專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)改革的實(shí)踐，將《數(shù)字信息處理》采用原版英文教材進(jìn)行雙語(yǔ)教學(xué)。結(jié)合我院幾年來(lái)《數(shù)字信號(hào)處理》雙語(yǔ)教學(xué)取得的成果和亟待解決的問題，總結(jié)這門課采用雙語(yǔ)教學(xué)需要把握如下幾個(gè)特點(diǎn):1)選擇一本圖文并茂的《數(shù)字信號(hào)處理》外文教材，并且要花大力氣將外文教材演化為適合學(xué)生的多媒體講稿或課件。教材是最好的老師，一部?jī)?yōu)秀的《數(shù)字信號(hào)處理》教材不僅需要圖文并茂，而且需要能將枯燥和費(fèi)解的公式原理的算法流程清晰呈現(xiàn)給學(xué)生，而這種特征的原版教材并不多見。因此教師需要在備課上花大力氣，在信息教研室全體成員的努力下，我們將外文教材中的大部分算法均采用了MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)，并將其做成多媒體課件［4］，通過這些教學(xué)方法與《數(shù)字信號(hào)處理》外文教材完美結(jié)合，收到事半功倍的教學(xué)效果。2)專業(yè)詞匯和關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)先行和中文先行的原則。《數(shù)字信號(hào)處理》這門課采用雙語(yǔ)教學(xué)的第一年，在問卷調(diào)查中，有超過半數(shù)的學(xué)生表現(xiàn)出不適應(yīng)，為此，信息教研室針對(duì)問卷中學(xué)生存在的問題，集體攻關(guān)探索了一種新的雙語(yǔ)教學(xué)模式。在講授這門課之初，教師應(yīng)該對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》教材中出現(xiàn)頻次較多的專業(yè)詞匯及關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)先用1～2次課作總體的中英文對(duì)照講授;其次，雙語(yǔ)教學(xué)采用中英文兩種語(yǔ)言講授，我們面對(duì)的大多數(shù)學(xué)生是中國(guó)本土的學(xué)生，他們習(xí)慣了母語(yǔ)的講授方式，因此從這個(gè)特點(diǎn)出發(fā)，先簡(jiǎn)要的用中文講述一節(jié)課需要掌握的重點(diǎn)、難點(diǎn)以及基本內(nèi)容，再對(duì)一堂課的知識(shí)進(jìn)行雙語(yǔ)講授，最后，對(duì)于重點(diǎn)和難點(diǎn)還需要采用中文總結(jié)。這樣講授的最大好處在于對(duì)于英語(yǔ)基礎(chǔ)較差而又沒有預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)習(xí)慣的學(xué)生起一個(gè)提綱挈領(lǐng)和快速適應(yīng)的作用，極大地降低了雙語(yǔ)教學(xué)中學(xué)生的接受難度。經(jīng)過兩年的實(shí)踐研究和不斷完善，學(xué)生表現(xiàn)出不適應(yīng)的比例顯著減少，在最近的問卷調(diào)查中，只有12%的學(xué)生明確表示不適應(yīng)。

本文從課程整合、MATLAB在《數(shù)字信號(hào)處理》中的應(yīng)用和雙語(yǔ)教學(xué)實(shí)踐模式改革等幾個(gè)方面闡述了這門課程的教學(xué)改革成果?！稊?shù)字信號(hào)處理》作為電子信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)后續(xù)的專業(yè)課的學(xué)習(xí)具有直接的重要影響，在全面提高學(xué)生專業(yè)素質(zhì)和與國(guó)際化接軌這一背景下，進(jìn)一步優(yōu)化《數(shù)字信號(hào)處理》的知識(shí)結(jié)構(gòu)和探索具有顯著成效的教學(xué)模式具有非常重要的教改價(jià)值。我院作為相對(duì)年輕的電子類普通院校，為了給國(guó)家培養(yǎng)適應(yīng)時(shí)代、理論基礎(chǔ)扎實(shí)、具有創(chuàng)新激情的高素質(zhì)人才，需要對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》的最優(yōu)化培養(yǎng)模式作深層次的探索和改革，本文研究成果對(duì)其深層次的探索和改革起拋磚引玉的作用。

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