張競(jìng)成　袁琳　黃愛愛　章國穩(wěn)　吳開華

【摘 要】數(shù)字信號(hào)處理作為工科院校本科階段一門重要的專業(yè)必修課，其教學(xué)方法和效果對(duì)教學(xué)質(zhì)量提升至關(guān)重要。本研究首先對(duì)近年來應(yīng)用在數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)上的方法進(jìn)行總結(jié)和評(píng)述，在此基礎(chǔ)上，介紹了筆者所在課題組近年來對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的教學(xué)方法進(jìn)行的改革和實(shí)踐，具體包括（1）結(jié)合媒體資料及案例的教學(xué)內(nèi)容導(dǎo)入;（2）講授、練習(xí)與討論相結(jié)合的授課模式;（3）基于MATLAB仿真的開放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);（4）設(shè)置文獻(xiàn)綜述報(bào)告交流環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，還討論了數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)方法未來持續(xù)改進(jìn)的方向和挑戰(zhàn)，希望給廣大同行提供參考。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號(hào)處理;教學(xué)方法;教學(xué)模式;改革

中圖分類號(hào)： TN911.72-4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）05-0127-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.05.047

0 引言

數(shù)字信號(hào)處理作為本科階段電子信息、通信工程、自動(dòng)化、儀器科學(xué)與技術(shù)等多個(gè)工科學(xué)科的必修主干課程，對(duì)開展學(xué)生專業(yè)能力具有重要意義。數(shù)字信號(hào)處理課程包括離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)、離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)的頻域分析、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)等內(nèi)容，一方面與微積分、線性代數(shù)、離散數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科關(guān)系密切，課程中許多公式推導(dǎo)、證明等過程運(yùn)用到這些數(shù)學(xué)類課程的知識(shí);而另一方面又與數(shù)字圖像處理、嵌入式系統(tǒng)、模式識(shí)別等課程前后銜接，在教學(xué)過程中專業(yè)教師和學(xué)生通常反映有關(guān)傅里葉變換、Z變換、頻域分析、濾波器設(shè)計(jì)等較為抽象的內(nèi)容在掌握和理解方面存在一定難度，同時(shí)如何使學(xué)生能夠?qū)SP的相關(guān)思路和方法應(yīng)用到具體問題上亦存在挑戰(zhàn)。本文在總結(jié)和分析現(xiàn)有教學(xué)方法及其在數(shù)字信號(hào)處理專業(yè)課程教學(xué)上應(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者所在教研室多年來教學(xué)方法改革的實(shí)踐，探討數(shù)字信號(hào)處理的教學(xué)模式，希望給廣大同行提供參考。

1 數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)方法

在課程教學(xué)過程中教學(xué)方法具有重要地位，既能體現(xiàn)教師的主導(dǎo)作用，又能影響學(xué)生的主體作用，因此是達(dá)到教學(xué)目的的橋梁。在國內(nèi)外長達(dá)數(shù)百年的大學(xué)教育實(shí)踐過程中，形成了包括讀書教學(xué)法、討論教學(xué)法、講演教學(xué)法、練習(xí)教學(xué)法、實(shí)物教學(xué)法、實(shí)驗(yàn)教學(xué)法、設(shè)計(jì)教學(xué)法、表演教學(xué)法等多種教學(xué)法[1]，同時(shí)近年來隨著電腦、互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)的興起，多媒體、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式、遠(yuǎn)程教學(xué)方式、慕課等新教學(xué)模式與各個(gè)經(jīng)典教學(xué)法不斷融合。對(duì)于一門具體的課程而言，采用不同的教學(xué)方法會(huì)得到完全不同的教學(xué)效果，教學(xué)方法需要根據(jù)教學(xué)任務(wù)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)對(duì)象、教學(xué)情境和教學(xué)過程等方面進(jìn)行選擇和優(yōu)化，以獲得較好的教學(xué)效果。在數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)實(shí)踐中，亦出現(xiàn)了一些對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行改革的嘗試。胡學(xué)友等（2007）在數(shù)字信號(hào)處理課程進(jìn)行教學(xué)改革時(shí)，強(qiáng)調(diào)概念的物理意義注重實(shí)踐教學(xué)，引入MATLAB軟件進(jìn)行教學(xué)演示，并在課程內(nèi)容時(shí)間分配、啟發(fā)式教學(xué)等方面進(jìn)行了一系列有益的嘗試[2]。趙全明等（2008）在數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)中充分利用圖片、影片等媒體教學(xué)素材，并在一些如奈奎斯特定理采樣定理內(nèi)容講授時(shí)結(jié)合Flash動(dòng)畫設(shè)計(jì)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力[3]。王祥春（2010）將案例教學(xué)法引入數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)中，特別在課程教學(xué)起初階段借助數(shù)學(xué)工具、圖形及動(dòng)畫講授一些抽象概念，并注意建立各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，取得較好的教學(xué)效果[4]。徐慶偉等（2010）在數(shù)字信號(hào)處理的課程教學(xué)中嘗試增加了文獻(xiàn)閱讀研討課的內(nèi)容，在拓展學(xué)生視野的同時(shí)也加深了對(duì)課程理論知識(shí)的理解[5]。在上述教研成果的啟發(fā)下，筆者對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的教學(xué)方法進(jìn)行了如下改革和實(shí)踐。

2 數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)方法改革實(shí)踐

2.1 結(jié)合媒體資料及案例的教學(xué)內(nèi)容導(dǎo)入

數(shù)字信號(hào)處理課程的一些內(nèi)容與生活中的科技聯(lián)系緊密，如信號(hào)的頻域分析和語音識(shí)別，信號(hào)采樣與各類傳感器的AD轉(zhuǎn)換過程等，在介紹相關(guān)內(nèi)容時(shí)通過相關(guān)媒體資料及案例導(dǎo)入。例如，課程中采用了數(shù)字音頻的混音、變調(diào)和去噪使學(xué)生對(duì)信號(hào)的頻域產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí);通過介紹遙感傳感器不同波段通道的成像過程，向介紹信號(hào)采樣的過程。此外，課程中還適當(dāng)穿插了介紹移動(dòng)通訊技術(shù)，語音識(shí)別及合成，衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)的媒體資料，有效激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的興趣。同時(shí)，通過介紹數(shù)字信號(hào)傳輸和處理技術(shù)在5G通訊、火星探測(cè)、月背探測(cè)等深空探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用使同學(xué)明白即使這樣一門傳統(tǒng)的技術(shù)仍存在挑戰(zhàn)，需要不斷突破，并與其它學(xué)科緊密結(jié)合，共同解決新的問題。多次課程教學(xué)發(fā)現(xiàn)，這些經(jīng)過選擇和安排的媒體教學(xué)內(nèi)容和案例教學(xué)形式能夠有助于提高學(xué)生的課程參與度，有利于促進(jìn)學(xué)生在頭腦中形成關(guān)于數(shù)字信號(hào)處理和相關(guān)課程、技術(shù)的宏觀知識(shí)體系，經(jīng)這種方式培養(yǎng)的學(xué)生通常具有更強(qiáng)的思考和解決問題的能力。

2.2 講授、練習(xí)與討論相結(jié)合的授課模式

數(shù)字信號(hào)處理課程的部分章節(jié)存在較多的計(jì)算、證明環(huán)節(jié)，例如信號(hào)的各種計(jì)算和卷積、系統(tǒng)線性和時(shí)變特性的分析，Z變換收斂域判斷，Z變換、Z反變換的計(jì)算、以及Z變換定理的應(yīng)用，系統(tǒng)函數(shù)、系統(tǒng)頻率響應(yīng)分析，離散傅里葉變換及其對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析等。這些內(nèi)容由于操作性較強(qiáng)，單純講授的效果往往不理想。因此在課程教學(xué)中，首先對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組，針對(duì)一些知識(shí)點(diǎn)將講授和課程練習(xí)相結(jié)合，通過當(dāng)堂習(xí)題演練鞏固，分組競(jìng)賽并派代表做題講解，使大多數(shù)同學(xué)思維充分被調(diào)動(dòng)，這種形式的課堂氛圍通常十分熱烈，教學(xué)效果較好。在講授和練習(xí)的同時(shí)，教師可以根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況組織討論，幫助同學(xué)更好地理解和掌握課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，事半功倍。

2.3 基于MATLAB仿真的開放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

MATLAB作為強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和分析工具，被引入到數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)已有較長的時(shí)間，目前多數(shù)高校具備MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)的條件。借助其友好的人機(jī)界面，教師可以通過課堂演示和實(shí)驗(yàn)將一些數(shù)字信號(hào)處理的過程直觀地進(jìn)行展示，例如在介紹傅里葉變換和快速傅里葉變換（FFT）時(shí)，可以安排學(xué)生分別使用DFT和FFT處理某個(gè)信號(hào)，通過編寫程序，查看分析的過程和結(jié)果，能夠有效加深學(xué)生對(duì)離散信號(hào)傅里葉變換的理解，同時(shí)通過在MATLAB中比較兩種方法實(shí)現(xiàn)同一操作的時(shí)間差，使學(xué)生體會(huì)到FFT在數(shù)字信號(hào)處理上的優(yōu)勢(shì)。在教學(xué)過程中，可以利用這一方式對(duì)信號(hào)的計(jì)算、卷積、傅里葉變換和頻域分析、濾波器效果考察等進(jìn)行演示，并設(shè)置如數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)等一些開放性實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)和工具的能力。

2.4 設(shè)置文獻(xiàn)綜述報(bào)告交流環(huán)節(jié)

近年的教學(xué)實(shí)踐中，筆者和教研室老師增加了文獻(xiàn)綜述報(bào)告和交流的環(huán)節(jié)，一般一學(xué)期在后半段安排每位同學(xué)選擇一個(gè)具體的問題進(jìn)行一次文獻(xiàn)調(diào)研和綜述，以報(bào)告的形式進(jìn)行交流和討論。通過這一環(huán)節(jié)，有效提高了學(xué)生專業(yè)資料查閱、整理和概括的能力和自主學(xué)習(xí)的意識(shí)。在綜述報(bào)告過程中，例如小波分析、信號(hào)特征的提取、信號(hào)壓縮及重構(gòu)等深一度的內(nèi)容被提出并進(jìn)行討論，有效加深學(xué)生對(duì)課程知識(shí)內(nèi)涵和外延的認(rèn)識(shí)。而在實(shí)施這一方法時(shí)，教師應(yīng)注意對(duì)文獻(xiàn)資料查閱方法、查找范圍、綜述和報(bào)告形式等作適當(dāng)?shù)妮o導(dǎo)，以保證教學(xué)效果。

3 小結(jié)、問題與挑戰(zhàn)

數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)總體上是大學(xué)理工科專業(yè)中一門較有挑戰(zhàn)性的課程，在課程教學(xué)方法創(chuàng)新、改革時(shí)教師應(yīng)注意對(duì)多種教學(xué)方法的綜合運(yùn)用，同時(shí)應(yīng)充分考慮學(xué)生所在專業(yè)的特點(diǎn)、知識(shí)結(jié)構(gòu)、上下游課程之間的關(guān)系等因素，選擇適當(dāng)?shù)姆椒ú⒉粩鄡?yōu)化。經(jīng)過多年的課程教學(xué)，筆者認(rèn)為該門課程教學(xué)的主要問題和挑戰(zhàn)在于如何讓學(xué)生能夠理解和掌握課程中一些較為抽象的內(nèi)容和相對(duì)較深的數(shù)學(xué)分析、推導(dǎo)過程，以及如何使課程教學(xué)與上下游課程更好地銜接。因此，在未來的教學(xué)過程中仍需不斷探索提升教學(xué)效果的途徑。

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