◆陳俊杰 周暉

數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革初探*

◆陳俊杰 周暉

針對數(shù)字信號處理課程教學(xué)過程中存在的問題，對課程進(jìn)行教學(xué)改革：整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)課程間以及課程內(nèi)各知識點(diǎn)間的聯(lián)系，突出重點(diǎn)、難點(diǎn)；板書教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合，使得抽象的概念、方法更加形象化；采用問題探究式教學(xué)方法，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；在實(shí)踐教學(xué)中對實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目進(jìn)行整合優(yōu)化，增加綜合性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力。

數(shù)字信號處理；教學(xué)改革；多媒體；實(shí)驗(yàn)

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.12.099

1　前言

20世紀(jì)60年代，隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)迅速發(fā)展起來，并且被廣泛應(yīng)用于通信、語音、圖像、檢測、控制、儀器以及生物醫(yī)學(xué)工程等眾多領(lǐng)域［1］。數(shù)字信號處理課程是電子信息類專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，本課程的主要任務(wù)是向?qū)W生介紹數(shù)字信號處理的基本理論和方法。本課程具有理論性和應(yīng)用性很強(qiáng)的特點(diǎn)：理論性強(qiáng)，它是信號與系統(tǒng)的后續(xù)課程，概念抽象、公式繁多、推導(dǎo)復(fù)雜，涉及高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)等課程中的相關(guān)數(shù)學(xué)知識；應(yīng)用性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字通信、雷達(dá)、遙感、語音合成、圖像處理等領(lǐng)域，后續(xù)課程有語音信號處理、數(shù)字圖像處理等。

本課程在教學(xué)過程中面臨諸多問題：作為理論基礎(chǔ)和實(shí)踐應(yīng)用之間的過渡和橋梁，數(shù)字信號處理課程與先修課程信號與系統(tǒng)，以及后續(xù)課程語音信號處理等，存在嚴(yán)重的耦合關(guān)系，重復(fù)的教學(xué)內(nèi)容導(dǎo)致課時(shí)嚴(yán)重不足；此外，本課程內(nèi)部各知識點(diǎn)之間也存在耦合關(guān)系［2］；課堂講授以理論為主，概念抽象、公式多、推導(dǎo)多，枯燥乏味，學(xué)生的積極性不高；本課程偏重基本理論和方法，缺少與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，使得學(xué)生對理論和方法的應(yīng)用模糊不清；本課程的課程設(shè)計(jì)以及課內(nèi)實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺少設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)。

基于上述分析，進(jìn)行本課程的教學(xué)改革，探索新的課堂形式，提高學(xué)生的課堂參與度，結(jié)合科研和生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，幫助學(xué)生理解和掌握基本的理論和方法，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，具有積極意義。

2　教學(xué)內(nèi)容的整合優(yōu)化

課程體系的優(yōu)化 數(shù)字信號處理課程與先修課程信號與系統(tǒng)，后續(xù)課程語音信號處理、數(shù)字圖像處理等共同構(gòu)成完整的課程體系，但是相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容之間存在嚴(yán)重的耦合關(guān)系，教學(xué)內(nèi)容重復(fù)，嚴(yán)重浪費(fèi)了有限的課時(shí)。作為整個(gè)課程體系的理論基礎(chǔ)，信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容涵蓋了連續(xù)時(shí)間信號與系統(tǒng)和離散時(shí)間信號與系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹連續(xù)時(shí)間信號與系統(tǒng)的時(shí)頻域分析方法、離散時(shí)間信號與系統(tǒng)的時(shí)頻域分析方法。數(shù)字信號處理課程則側(cè)重離散時(shí)間信號與系統(tǒng)的時(shí)頻域分析方法、離散傅里葉變換及其快速算法，以及數(shù)字濾波器理論及設(shè)計(jì)方法。數(shù)字信號處理課程與信號與系統(tǒng)課程在離散時(shí)間信號與系統(tǒng)的時(shí)頻域分析方法等教學(xué)內(nèi)容上存在重復(fù)，一方面浪費(fèi)了有限的課時(shí)，另一方面重復(fù)的內(nèi)容講授容易使學(xué)生感到枯燥乏味，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

因此，需要對信號與系統(tǒng)及數(shù)字信號處理課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化。在信號與系統(tǒng)課程中，更加側(cè)重離散時(shí)間信號與系統(tǒng)的時(shí)頻域分析方法，在數(shù)字信號處理課程中更加側(cè)重離散傅里葉變換及其快速算法，以及數(shù)字濾波器理論及設(shè)計(jì)方法。對于重復(fù)內(nèi)容，學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)為主，教師課上習(xí)題講解、答疑為輔。

知識點(diǎn)的耦合關(guān)系 不僅課程間存在教學(xué)內(nèi)容的耦合重復(fù)，在數(shù)字信號處理課程內(nèi)部，各知識點(diǎn)之間也存在耦合。以離散時(shí)間信號與系統(tǒng)的時(shí)頻域分析方法為例，知識點(diǎn)的耦合關(guān)系如圖1所示，存在拉普拉斯變換和傅里葉變換的關(guān)系、Z變換和傅里葉變換的關(guān)系、時(shí)域抽樣定理（模擬信號、理想抽樣信號的拉普拉斯變換與序列的Z變換的關(guān)系，模擬信號、理想抽樣信號的傅里葉變換與序列的傅里葉變換的關(guān)系）、頻域抽樣定理等。通過對數(shù)字信號處理課程中知識點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行梳理，幫助學(xué)生理清本課程整個(gè)的知識體系結(jié)構(gòu)，加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解和掌握，同時(shí)突出教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)、難點(diǎn)，通過整合課程知識點(diǎn)，有效壓縮理論課時(shí)，提高教學(xué)效率。

*項(xiàng)目來源：江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PPZY2015B135）；南通大學(xué)教學(xué)改革研究課題（2014B45）。作者：陳俊杰，南通大學(xué)電子信息學(xué)院講師，從事數(shù)字信號處理教學(xué)、智能電視系統(tǒng)和云計(jì)算研究工作；周暉，南通大學(xué)電子信息學(xué)院（226019）。

圖1　離散時(shí)間信號與系統(tǒng)的時(shí)頻域分析方法中知識點(diǎn)的耦合關(guān)系

3　多樣化的課堂教學(xué)方法

板書與多媒體相結(jié)合 本課程的課堂教學(xué)宜采用板書教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合。本課程涉及公式多、推導(dǎo)證明多，采用多媒體教學(xué)，學(xué)生往往很難跟上。通過板書，可以使學(xué)生跟著教師的思路理解基本理論和方法，加強(qiáng)師生間的互動(dòng)，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。同時(shí)，針對比較抽象的內(nèi)容，宜采用多媒體教學(xué)手段，通過圖像、聲音等手段，可以有效刺激學(xué)生的感官，加深學(xué)生對知識點(diǎn)的印象［3］。如在講授快速傅里葉變換算法時(shí)，如果僅僅通過板書對算法進(jìn)行推導(dǎo)，學(xué)生很難對算法的基本思想有直觀的理解；通過多媒體演示快速傅里葉變換算法的基本思想、核心步驟，使得抽象的方法更加形象化。

問題探究式的教學(xué)方法 問題探究式的教學(xué)方法通過設(shè)置問題，引導(dǎo)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中分析問題、解決問題，可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。問題探究式教學(xué)方法的前提是設(shè)置合理的問題，問題的難度要適中，并且需要覆蓋教學(xué)內(nèi)容中的主要知識點(diǎn)。問題探究式教學(xué)方法的核心是引導(dǎo)學(xué)生分析問題，并且通過課程學(xué)習(xí)，找到問題的解決方案，在此過程中要充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。除了課堂學(xué)習(xí)，還要鼓勵(lì)學(xué)生課外進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研，學(xué)生之間進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作。

4　實(shí)踐教學(xué)

數(shù)字信號處理課程是一門理論性和實(shí)用性都很強(qiáng)的課程，要注重理論聯(lián)系實(shí)際。為了提高學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，需要加強(qiáng)課程的實(shí)踐教學(xué)［4］。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 課程實(shí)驗(yàn)可以分為三類：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要考查學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握情況，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)則考查學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力［5］。本課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為主。為了鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，需要增加綜合性實(shí)驗(yàn)。

這里以語音信號的處理為例，來說明綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置：首先錄制一段語音信號，并且給語音信號加噪，對加噪前后的語音信號進(jìn)行頻譜分析；然后設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行濾波，并且將濾波前后的語音信號進(jìn)行對比。本實(shí)驗(yàn)的流程如圖2所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程需要綜合運(yùn)用快速傅里葉變換算法以及數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法等知識。

圖2　語音信號處理實(shí)驗(yàn)流程

教學(xué)與科研及工程應(yīng)用相結(jié)合 教學(xué)與科研及工程應(yīng)用相結(jié)合，體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展的先進(jìn)性。通過講授數(shù)字信號處理技術(shù)最新的研究成果以及工程應(yīng)用，使得學(xué)生明確學(xué)好數(shù)字信號處理課程的意義，激發(fā)的學(xué)習(xí)興趣。在教學(xué)過程中采用科研的方法，對學(xué)生產(chǎn)生潛移默化的影響，培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的能力，養(yǎng)成科學(xué)的思維方式和勇于創(chuàng)新的精神，同時(shí)也有助于樹立教師的權(quán)威。另一方面，通過結(jié)合工程應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的工程思想，開拓學(xué)生的視野，也為學(xué)生未來的擇業(yè)提供有益的借鑒。

5　總結(jié)

本文針對數(shù)字信號處理課程教學(xué)過程中存在的問題，從教學(xué)內(nèi)容、課堂教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)等方面對課程進(jìn)行教學(xué)改革。本課程改革對數(shù)字信號處理課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化，強(qiáng)調(diào)相關(guān)課程之間的聯(lián)系、課程內(nèi)相關(guān)知識點(diǎn)之間的聯(lián)系，從而突出重點(diǎn)、難點(diǎn)，提高教學(xué)效率，優(yōu)化課時(shí)配置。在課堂教學(xué)中，板書教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合，使得抽象的概念、方法更加形象化；采用問題探究式的教學(xué)方法，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。在實(shí)踐教學(xué)中增加綜合性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)教學(xué)與科研及工程應(yīng)用相結(jié)合，體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展的先進(jìn)性。■

［1］程佩青.數(shù)字信號處理教程簡明版［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013.

［2］楊永立，李娟.“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)方法探討［J］.南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35（4）：72-74.

［3］譚頂良.高等教育心理學(xué)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2006.

［4］胡學(xué)友，王穎，胡云龍.“數(shù)字信號處理”教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.廣西：高教論壇，2007（3）：67-69.

［5］朱金秀，江冰，張學(xué)武，等.數(shù)字信號處理綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐［J］.北京：實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25（10）：125-127.

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