任國(guó)鳳孫穎

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數(shù)字信號(hào)處理研究性教學(xué)的獨(dú)特性分析[1]

任國(guó)鳳1，2，孫穎2

（1. 忻州師范學(xué)院 電子系，山西 忻州034000；2. 太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著信號(hào)處理應(yīng)用的日益廣泛，工科專業(yè)中數(shù)字信號(hào)處理課程的重要性也日漸凸顯．因而，傳統(tǒng)的教學(xué)方法無法滿足該課程教學(xué)內(nèi)容繁雜及實(shí)踐性強(qiáng)的要求．根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理課程的特點(diǎn)，將研究性教學(xué)引入到課程的理論與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，同時(shí)結(jié)合綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和大學(xué)生全程實(shí)踐，全面提升學(xué)生的理論水平及實(shí)踐創(chuàng)新能力．

數(shù)字信號(hào)處理；研究性教學(xué)；實(shí)踐教學(xué)

隨著語(yǔ)音信號(hào)及圖像信號(hào)處理技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用．同時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理課程作為工科專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，上承高等數(shù)學(xué)、信號(hào)與系統(tǒng)等基礎(chǔ)課程，下接語(yǔ)音信號(hào)處理、圖像信號(hào)處理等專業(yè)課程，在學(xué)生構(gòu)建專業(yè)知識(shí)體系的過程中起到非常重要的作用[1]．但是，由于該課程理論性與實(shí)踐性并重、數(shù)學(xué)公式繁多，學(xué)生學(xué)習(xí)起來難度較大，尤其是在一些應(yīng)用型本科院校中，學(xué)生基礎(chǔ)較差，學(xué)習(xí)能力不強(qiáng)，更容易出現(xiàn)學(xué)生怕學(xué)、學(xué)不好，教師怕教、教不好的怪象．

在數(shù)字信號(hào)處理的教學(xué)過程中，如何做到既讓學(xué)生掌握基本概念和原理，又能幫助學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際問題，從而使學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)的樂趣而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣．這一問題的解決必須從實(shí)踐環(huán)節(jié)入手，將理論與實(shí)驗(yàn)合理結(jié)合，幫助學(xué)生構(gòu)建完備的知識(shí)體系，使學(xué)生學(xué)以致用，用以助學(xué)．

1 研究性教學(xué)理論介紹

近年來，研究性教學(xué)成為了國(guó)內(nèi)外高校大力倡導(dǎo)的一種教學(xué)模式，在高校本科教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]．該方法通過在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生研究特定選題，實(shí)現(xiàn)對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握和提高，并在這一過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力及研究品格[3]．因而，研究性教學(xué)不是簡(jiǎn)單的“填鴨式”教學(xué)，而是學(xué)生必須在教師引導(dǎo)下對(duì)知識(shí)進(jìn)行反思、批判和探究的過程．在研究性教學(xué)過程中，教師的作用不再局限于傳授學(xué)生知識(shí)，而要以學(xué)生為中心設(shè)計(jì)教學(xué)過程，為學(xué)生提供所需的教學(xué)資源[4]．在教師講授過程中，側(cè)重于學(xué)習(xí)方法的介紹及學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，同時(shí)教師作為主導(dǎo)者控制學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)過程，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)．

2 數(shù)字信號(hào)處理研究性教學(xué)的獨(dú)特性

本文所提出的數(shù)字信號(hào)處理的研究性教學(xué)方法不同于常規(guī)課程的研究性教學(xué)方法，它特別側(cè)重實(shí)踐動(dòng)手能力的提高和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)．在該課程中實(shí)施的研究性教學(xué)要將理論課教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)結(jié)合起來，利用綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)及大學(xué)生全程實(shí)踐活動(dòng)來提升理論教學(xué)水平，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐應(yīng)用能力．

2.1 數(shù)字信號(hào)處理內(nèi)容體系的獨(dú)特性

數(shù)字信號(hào)處理作為電類專業(yè)一門非常重要的專業(yè)課程，它的重要地位毋庸置疑．但是由于其理論性與實(shí)踐性要求都很高[5]，而且與信號(hào)處理類課程群內(nèi)其他課程聯(lián)系緊密等特點(diǎn)，其內(nèi)容體系具有一定的獨(dú)特性．

2.1.1 學(xué)生能力培養(yǎng)的二重性 數(shù)字信號(hào)處理對(duì)于學(xué)生能力培養(yǎng)具有二重性，其一是培養(yǎng)學(xué)生數(shù)學(xué)思維能力，利用工程數(shù)學(xué)相關(guān)理論分析信號(hào)的生成及變換過程，這有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S能力；其二是鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)以致用，將理論課所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到解決信號(hào)處理實(shí)際問題中，如FIR濾波、語(yǔ)音信號(hào)采集等．

2.1.2 理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的并重性 數(shù)字信號(hào)處理課程理論課概念繁多、公式推導(dǎo)復(fù)雜[6]，學(xué)時(shí)緊張（僅為51學(xué)時(shí)）而內(nèi)容多的矛盾比較突出．實(shí)踐教學(xué)作為理論課的合理補(bǔ)充及有效升華，其地位顯而易見，但其學(xué)時(shí)數(shù)僅為15學(xué)時(shí)，還承擔(dān)DSP器件的基本技能訓(xùn)練．所以，二者在教學(xué)中的并重地位和學(xué)時(shí)緊張的問題都同時(shí)存在．

2.2 研究性教學(xué)與數(shù)字信號(hào)處理結(jié)合的獨(dú)特性

在數(shù)字信號(hào)處理的研究性教學(xué)過程中，必須將理論課與實(shí)踐課緊密結(jié)合，課內(nèi)學(xué)時(shí)與課外活動(dòng)結(jié)合起來，這是其他課程的研究性教學(xué)中很少采用的方法． 這種教學(xué)方法的獨(dú)特性在于對(duì)教師的理論與實(shí)踐教學(xué)水平的要求都比較高，要求在教學(xué)過程中博采工程數(shù)學(xué)、信號(hào)與系統(tǒng)、DSP和EDA等多門課程知識(shí)，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)本門課程的同時(shí)開拓視野．

3 理論與實(shí)踐并重，課內(nèi)與課外結(jié)合的研究性教學(xué)實(shí)施

以FIR濾波器的設(shè)計(jì)為例，展開研究性教學(xué)過程．

3.1 理論課教學(xué)過程

在理論課上，教師首先為學(xué)生傳授數(shù)字濾波器，特別是FIR濾波器的理論和設(shè)計(jì)方法．其次，向?qū)W生提出一些具有實(shí)際意義的濾波器設(shè)計(jì)要求．讓學(xué)生分別從理論與實(shí)踐的角度設(shè)計(jì)數(shù)字通信系統(tǒng)中常見的截止頻率為8 000 Hz的低通濾波器．

學(xué)生按照學(xué)習(xí)小組的模式，多人合作設(shè)計(jì)該濾波器．設(shè)計(jì)過程要求學(xué)生采用數(shù)學(xué)推導(dǎo)、查表法及MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)FIR濾波器的仿真設(shè)計(jì)[7]，最后要求學(xué)生形成設(shè)計(jì)報(bào)告．

最后教師利用課堂時(shí)間，對(duì)比分析學(xué)生的不同設(shè)計(jì)方案，指出學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中的可取之處及待改進(jìn)的地方．同時(shí)，為學(xué)生進(jìn)一步利用DSP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)該濾波器做知識(shí)上及思路上的鋪墊．

3.2 課內(nèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

由于課內(nèi)實(shí)驗(yàn)僅有15學(xué)時(shí)，其中前6學(xué)時(shí)用于CCS3.3軟件及TI公司5416芯片系統(tǒng)的學(xué)習(xí)．因而，留給理論知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐反饋學(xué)時(shí)很少，但諸如快速傅里葉變換、圓周卷積、FIR濾波器及模擬信號(hào)數(shù)字化等知識(shí)點(diǎn)都需要在實(shí)踐環(huán)節(jié)加以鞏固． 所以，常規(guī)的基礎(chǔ)驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無法達(dá)到全面培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的目的．

采用綜合設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)代替原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，力爭(zhēng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能從多方面培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，提升理論知識(shí)掌握程度．如FIR濾波器的設(shè)計(jì)要求學(xué)生完成語(yǔ)音信號(hào)的采集、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、低通濾波和數(shù)/模轉(zhuǎn)換等工作，而不局限于濾波的實(shí)現(xiàn)[8]．同時(shí)，為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的生動(dòng)性，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇一些流行樂曲作為語(yǔ)音材料，要求學(xué)生經(jīng)過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成樂曲的重低音化，濾掉高頻分量．

3.3 全程實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)過程

為了彌補(bǔ)課內(nèi)實(shí)踐學(xué)時(shí)的不足，充分利用學(xué)校開展大學(xué)生全程實(shí)踐活動(dòng)的有利契機(jī)，在學(xué)生的全程實(shí)踐環(huán)節(jié)開設(shè)“基于EDA技術(shù)的FIR濾波器的設(shè)計(jì)”這一實(shí)踐題目．學(xué)有余力的學(xué)生可以利用前續(xù)課程EDA相關(guān)知識(shí)在實(shí)驗(yàn)室SOPC1C12的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)FIR濾波器的設(shè)計(jì)．同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生將所設(shè)計(jì)濾波器應(yīng)用于程控交換系統(tǒng)中說話人語(yǔ)音的提純過程．

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字信號(hào)處理是電子信息類專業(yè)非常重要的專業(yè)課程，本文依據(jù)數(shù)字信號(hào)處理理論與實(shí)踐并重的特點(diǎn)，將研究性教學(xué)方法引入到教學(xué)中，并且提出了一些獨(dú)特的教學(xué)方法．這類理論與實(shí)踐并重、課內(nèi)與課外結(jié)合的方法，符合工科類專業(yè)實(shí)踐性和創(chuàng)新能力培養(yǎng)要求高的特點(diǎn)．在2012—2015年的3個(gè)學(xué)年，針對(duì)電子信息科學(xué)與技術(shù)和通信工程2個(gè)專業(yè)開設(shè)的數(shù)字信號(hào)處理課程進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，通過學(xué)期末教學(xué)反饋及畢業(yè)設(shè)計(jì)檢驗(yàn)得到了比較滿意的教學(xué)效果．

實(shí)踐證明，研究性教學(xué)方法能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神．同時(shí)，通過研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告及小論文的撰寫，為學(xué)生后續(xù)畢業(yè)論文的撰寫及研究生學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)．

[1] 楊智明，彭喜元，俞洋．?dāng)?shù)字信號(hào)處理課程實(shí)踐型教學(xué)方法研究[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，3（9）：180-183

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[3] 肖江，張鴻存，費(fèi)諾，等．?dāng)?shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2001，20（4）：36-38

[4] 楊文龍．虛擬儀器及其在信號(hào)處理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007，26（12）：297-300

[5] 林連冬．?dāng)?shù)字信號(hào)處理研究型實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)探索與實(shí)踐[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（6）：219-222

[6] 馬永奎，高玉龍，張佳巖，等．“數(shù)字信號(hào)處理”課程設(shè)計(jì)導(dǎo)向型教學(xué)初探[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（4）：96-97

[7] Finder S，Petre M．Project-Based Learning Practices in Computer Science Education [J]．Frontiers in Education Conferences， 1998，28：1185-1197

[8] Felder D，Manson C．Efficient Dual-Tone Multi-frequency Detection Using the Non-uniform Discrete Fournier Transform[J]．IEEE Signal Processing Letters，1998，5（7）：160-163

Analysis of uniqueness on research teaching of digital signal processing

REN Guo-feng1，2，SUN Yin2

（1. Department of Electronics，Xinzhou Teachers University，Xinzhou 034000，China；2. School of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Along with wide application of signal processing，digital signal processing course′s importance in engineering department is more and more significant. Therefore，traditional teaching methods can′t satisfy the comment of teaching contents and the practices. According to features of digital signal processing course，research teaching method is introduced into the theory and practice of the course teaching，and the comprehensive design experiment is combined with the whole practice of college student′ s life. So that，academic level and practice ability of student would be enhanced.

digital signal processing；research teaching；experimental teaching

TN911.72∶G642.0

A doi：10.3969/j.issn.1007-9831.2016.01.023

2015-10-27

忻州師范學(xué)院教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（JG201311）；忻州師范學(xué)院課堂教學(xué)改革項(xiàng)目（JGZT201504）；忻州師范學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（JGYB201529）；山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2013021016-2）；山西省留學(xué)歸國(guó)人員資助項(xiàng)目（2013-034）

任國(guó)鳳（1979-），女，山西忻州人，副教授，博士，從事信號(hào)處理及其實(shí)現(xiàn)研究．E-mail：renguofeng926@sina.com