李莉

（華僑大學(xué) 廈門工學(xué)院 電子信息工程系，福建 廈門 361000）

數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革探討

李莉

（華僑大學(xué) 廈門工學(xué)院 電子信息工程系，福建 廈門 361000）

《數(shù)字信號(hào)處理》課程理論性強(qiáng)，學(xué)生普遍反映較難理解且無(wú)法將所學(xué)知識(shí)在實(shí)際中運(yùn)用。針對(duì)此情況，本文分別通過(guò)課堂教學(xué)以及實(shí)踐教學(xué)改革進(jìn)行討論，注重理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的提高。

數(shù)字信號(hào)處理；教學(xué)輔助；CDIO；工程實(shí)踐

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理[1-2]在現(xiàn)代科技中的地位越來(lái)越重要，在電子信息、通信等各個(gè)領(lǐng)域，都具有廣泛的應(yīng)用?！稊?shù)字信號(hào)處理》已成為國(guó)內(nèi)外高校為電子信息、通信等專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)旨在讓學(xué)生正確的掌握數(shù)字信號(hào)處理的基本原理及分析方法，為今后從事信號(hào)處理工作打下良好的基礎(chǔ)。

該課程理論性較強(qiáng)，原理抽象，公式及推導(dǎo)煩瑣，學(xué)生普遍反映較難理解且無(wú)法很好地將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行靈活的實(shí)際運(yùn)用。我院將該課程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，并進(jìn)一步深化CDIO工程教育理念[3]，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程進(jìn)行優(yōu)化改革。數(shù)字信號(hào)處理課程與工程應(yīng)用實(shí)踐聯(lián)系緊密，讓學(xué)生從工程應(yīng)用角度理解相關(guān)知識(shí)更有意義。針對(duì)不同階段、不同知識(shí)點(diǎn)靈活運(yùn)用引導(dǎo)式、啟發(fā)式和討論式教學(xué)方法，利用專題講解的形式介紹數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科領(lǐng)域的具體應(yīng)用和前沿知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的求知欲。通過(guò)一系列的實(shí)踐教學(xué)及課程改革，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的提高。

二、課堂教學(xué)

1.輔助教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)課程大量運(yùn)用數(shù)學(xué)公式、系統(tǒng)理論，抽象難懂。數(shù)字信號(hào)處理的一些基本概念和方法往往被眾多煩瑣的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)所掩蓋。傳統(tǒng)的教學(xué)方式大多采用板書的形式將數(shù)學(xué)公式和定理證明進(jìn)行分析與推導(dǎo)。大量的板書只會(huì)讓學(xué)生覺(jué)得枯燥乏味，注意力往往無(wú)法集中。然而，采用課件演示方法進(jìn)行講解也只是簡(jiǎn)單的將書本知識(shí)進(jìn)行搬移，課件演示使得課堂節(jié)奏過(guò)快，一些重要的理論知識(shí)無(wú)法深入理解，不會(huì)靈活變通?？梢?jiàn)，課件演示結(jié)合板書的教學(xué)模式，很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。應(yīng)用輔助教學(xué)軟件[4]，增強(qiáng)教學(xué)過(guò)程中的互動(dòng)性，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性顯得十分有必要。輔助教學(xué)軟件的應(yīng)用可形象地以圖形化方法將一些煩瑣、復(fù)雜、抽象的公式和定理演示給學(xué)生，使得枯燥的理論更加容易地被學(xué)生接受和理解。

Matlab軟件為我們提供了強(qiáng)大的數(shù)值分析和計(jì)算結(jié)果可視化功能等工具箱，十分適合在《數(shù)字信號(hào)處理》課程中的應(yīng)用。例如，在IIR濾波器的設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中，利用輔助教學(xué)軟件演示濾波器設(shè)計(jì)的幅頻或相頻特性（如圖1所示），并結(jié)合濾波器的應(yīng)用實(shí)例（巴特沃斯濾波器應(yīng)用——圖像增強(qiáng)[4]），展示最終處理效果，如圖2所示。這種教學(xué)方式不僅可以生動(dòng)形象的闡述理論知識(shí)，還能借鑒實(shí)例講解理論知識(shí)的運(yùn)用，在增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)還能引導(dǎo)學(xué)生積極地參與到課程的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)中去。

圖1 巴特沃斯濾波設(shè)計(jì)

圖2 巴特沃斯濾波器在圖像增強(qiáng)中的應(yīng)用

2.實(shí)踐案例引入教學(xué)?！稊?shù)字信號(hào)處理》課程與工程應(yīng)用聯(lián)系緊密，傳授如何在工程中運(yùn)用相關(guān)知識(shí)顯得更為重要。目前，很多高校對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)還停留在大量灌輸理論知識(shí)階段，不注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，根本無(wú)法做到學(xué)以致用。針對(duì)這種現(xiàn)象，在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)注重對(duì)重要的理論知識(shí)、信號(hào)處理方法的應(yīng)用的講解與介紹。例如，講解離散傅里葉變換（DFT）時(shí)，介紹頻譜分析在語(yǔ)音信號(hào)識(shí)別中的應(yīng)用；學(xué)習(xí)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，介紹圖像信號(hào)的濾波處理的應(yīng)用等。

在對(duì)某一知識(shí)體系講授時(shí)，可以采用圖片和音頻或視頻等形式有針對(duì)性地介紹不同技術(shù)在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用，使得學(xué)生可以將基礎(chǔ)學(xué)科所學(xué)知識(shí)和工程應(yīng)用研究成果聯(lián)系起來(lái)，有助于調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。在課程的中后期可采用專題介紹的形式將最新的有關(guān)數(shù)字信號(hào)處理的研究成果介紹給學(xué)生。鼓勵(lì)學(xué)生積極參與相關(guān)課題的探討，利用我院的實(shí)踐平臺(tái)（CDIO創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室），在教師的指導(dǎo)下完成一些創(chuàng)新項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力。通過(guò)自學(xué)、討論、查閱資料，并在教師指導(dǎo)下，參與教師承擔(dān)的相關(guān)項(xiàng)目和科研活動(dòng)，鍛煉學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題和創(chuàng)新能力。鼓勵(lì)學(xué)生在整個(gè)教學(xué)中，力求通過(guò)各種手段將理論知識(shí)和實(shí)踐相結(jié)合，讓學(xué)生切實(shí)地體會(huì)到學(xué)以致用。

三、實(shí)踐教學(xué)

為了更好的讓學(xué)生掌握數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)知識(shí)及方法，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)置必不可少。目前，大多數(shù)高校都存在實(shí)踐課程與理論課程嚴(yán)重脫節(jié)的現(xiàn)象，學(xué)生很難將實(shí)踐內(nèi)容與理論課程結(jié)合在一起。我院采取理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)教師統(tǒng)一的方式，理論教師直接指導(dǎo)實(shí)踐教學(xué)，使得理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，相輔相成。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，盡可能地做到課堂與實(shí)驗(yàn)室相互穿插，甚至可將課堂轉(zhuǎn)移至實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)講授某些重點(diǎn)知識(shí)后，馬上進(jìn)行相應(yīng)地實(shí)驗(yàn)練習(xí)，加深對(duì)該知識(shí)理論的理解與掌握。

教師要對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容精心設(shè)計(jì)與安排，可根據(jù)學(xué)生的能力水平和興趣因材施教，設(shè)置簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用性較強(qiáng)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要側(cè)重理論知識(shí)的驗(yàn)證與深入理解，這部分實(shí)驗(yàn)可主要由教師講解，學(xué)生獨(dú)立完成；綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要鍛煉學(xué)生對(duì)整個(gè)課程的全面理解與掌握以及如何利用課程內(nèi)容解決實(shí)際問(wèn)題的能力。結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理在工程上的應(yīng)用實(shí)例精心編排綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)[6-7]，教師給出與本課程相關(guān)的綜合設(shè)計(jì)性題目供學(xué)生自主選擇。學(xué)生要根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，進(jìn)行一定的自學(xué)與調(diào)研，通過(guò)查閱相關(guān)資料并與教師探討自行設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行方案驗(yàn)證完成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的要求。在制定綜合設(shè)計(jì)題目的同時(shí)盡量鼓勵(lì)學(xué)生參與到教學(xué)活動(dòng)中，調(diào)動(dòng)其學(xué)習(xí)積極性。

例如，傳統(tǒng)的IIR濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)通常是教師給出數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)，學(xué)生按照設(shè)計(jì)濾波器步驟直接進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式僅僅只是強(qiáng)化學(xué)生對(duì)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)步驟的記憶，無(wú)法讓學(xué)生深入地理解到數(shù)字濾波器在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域如何運(yùn)用，如何根據(jù)具體應(yīng)用背景設(shè)定指標(biāo)參數(shù)。因此，綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的選題一定要以實(shí)際的工程應(yīng)用為前提?？梢钥紤]以語(yǔ)音、圖像或心電圖信號(hào)的濾波（去噪）為應(yīng)用背景，根據(jù)不同信號(hào)的特點(diǎn)及要求進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，學(xué)生首先要學(xué)會(huì)各類信息的采集方法，接著，要求學(xué)生要熟悉各類信號(hào)的頻譜分布狀況，根據(jù)頻譜分析確定濾波器的指標(biāo)參數(shù)并進(jìn)行濾波器的選型，最終還要對(duì)濾波器的濾波效果進(jìn)行主客觀評(píng)價(jià)。這種實(shí)踐教學(xué)模式可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的知識(shí)來(lái)分析、解決問(wèn)題，在研究中加深對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，提高利用理論知識(shí)解決問(wèn)題的能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

《數(shù)字信號(hào)處理》課程已成為各大高校電子、通信專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。該課程的理論性過(guò)強(qiáng)、公式復(fù)雜，傳統(tǒng)的教學(xué)模式很難讓學(xué)生理解數(shù)字信號(hào)處理的意義何在。數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)改革需要教師用心思考、精心設(shè)計(jì)。教學(xué)輔助軟件的合理使用，將抽象的理論知識(shí)形象生動(dòng)化，有助于加深對(duì)信號(hào)處理相關(guān)知識(shí)的理解，教學(xué)中貫穿實(shí)踐案例，能夠更好地幫助學(xué)生理解基礎(chǔ)課程的實(shí)際意義，合理安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可有效地將理論與實(shí)踐結(jié)合，大大增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性，從而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

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G642.0

A

1674-9324（2014）20-0058-02

李莉（1984-），女，河南開(kāi)封人，華僑大學(xué)廈門工學(xué)院電子信息工程系，助教，研究方向：數(shù)字圖像處理、圖像/視頻編碼。