王世強 高彩云 曾會勇 蔡繼亮

摘? 要：文章對數(shù)字信號處理課程的特點進行分析，并以其MOOC構(gòu)造為研究對象，對數(shù)字信號處理MOOC建設(shè)的必要性和技術(shù)要求進行研究。同時，研究了與數(shù)字信號處理MOOC內(nèi)容相關(guān)的知識管理，包括知識點的結(jié)構(gòu)以及本課程的重點和難點。文章的研究對數(shù)字信號處理課程的建設(shè)具有參考意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理;MOOC;知識管理;課程建設(shè)

中圖分類號：G640 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）26-0122-05

Abstract： The paper analyzes the characteristics of the digital signal processing course， takes the mural construction as the research object， and analyzes the necessity and technical requirements of the digital signal processing. Then this paper analyzes the knowledge management related to the content of the digital signal processing MOOC， including the structure of knowledge points and the key and difficult points of this course. The research of the thesis has reference significance for the construction of digital signal processing.

Keywords： digital signal processing; MOOC; knowledge management; course construction

一、概述

數(shù)字信號處理（DSP）主要是面向電子信息、雷達工程等專業(yè)學(xué)生的課程。該課程供學(xué)生在完成信號和系統(tǒng)課程后學(xué)習(xí)與數(shù)字信號處理相關(guān)的專業(yè)知識[1-2]。近年

來，國內(nèi)外知名大學(xué)已經(jīng)開始了數(shù)字信號處理在線課程和MOOC課程，并取得了一定的成果[3]。

MOOC為Massive Open Online Courses的縮寫，是指大規(guī)模在線公開課，其建設(shè)目的在于促進教育以及教學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法引領(lǐng)改革，通過現(xiàn)代信息技術(shù)促進高質(zhì)量課程資源的建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和提高社會人員素質(zhì)培訓(xùn)。MOOC專注于廣泛的通識教育公共選修課程，雙學(xué)位課程和公共基礎(chǔ)等課程，包括專業(yè)基礎(chǔ)課程，專業(yè)課程和在線教育課程。它基于課程資源系統(tǒng)，內(nèi)容豐富，適合網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)。多層次和多類型優(yōu)質(zhì)課程教學(xué)資源的建立和共享，可系統(tǒng)地為教師、學(xué)生和社會人員提供優(yōu)質(zhì)課程教學(xué)資源。

本文分析了與數(shù)字信號處理MOOC課程建設(shè)有關(guān)的需求和要求，分析了該課程的知識管理，即課程知識的結(jié)構(gòu)和重難點，對數(shù)字信號處理的建設(shè)具有參考意義。

二、MOOC建設(shè)的需求和要求分析

（一）DSP課程的特點

數(shù)字信號處理（DSP）是一門新興的學(xué)科，自1960年代以來隨著信息以及計算機科學(xué)的迅猛發(fā)展而迅速發(fā)展。它在信息時代的科學(xué)技術(shù)發(fā)展中起著非常重要的作用。數(shù)字信號處理包括濾波、變換、檢測、頻譜分析、壓縮、估計和識別等內(nèi)容。由于數(shù)字信號處理的突出優(yōu)勢，它已被廣泛用于通信、語音、雷達、地震勘測、聲納、遙感、生物醫(yī)學(xué)、電視和儀器儀表中[4-6]。該課程使學(xué)習(xí)者（后文以學(xué)生指代）掌握數(shù)字信號處理的基本理論，方法和實現(xiàn)技術(shù)，從而使學(xué)生具有指導(dǎo)理論和實踐的能力。該課程涉及許多數(shù)學(xué)知識，概念抽象，并且具有很強的理論和繼承性。它與電子信息技術(shù)和新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)緊密相關(guān)，具有強大的操作性、實用性和前沿性。

（二）DSP MOOC構(gòu)建的必要性

MOOC強調(diào)開放的在線功能，并可以共享優(yōu)質(zhì)的資源課程。這使學(xué)生可以根據(jù)個人需求靈活安排在線學(xué)習(xí)時間，拓寬學(xué)習(xí)渠道，并彌補當(dāng)前本科教育和在職教育的一些不足[7-9]。

1. MOOC可以帶來大學(xué)教育和大專教育的多元化模式。數(shù)字信號處理涉及大量數(shù)學(xué)知識，是概念抽象的一部分，僅利用課堂時間進行解釋，不僅學(xué)生無法當(dāng)場理解，而且花費在相關(guān)知識點上的時間過多也會影響整體教學(xué)課程進度，此外，還要照顧到大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。課堂教學(xué)不能滿足某些學(xué)生的好奇心，無法滿足那些學(xué)習(xí)快速知識的學(xué)生的求知識欲望，并且某些學(xué)生很容易產(chǎn)生畏難情緒，他們很難跟上課程進度，然后放棄相關(guān)的知識點，最終可能會導(dǎo)致放棄整個學(xué)習(xí)過程，對該課程失去信心。MOOC可以解決此問題，學(xué)生可以根據(jù)需要學(xué)習(xí)知識點。

2. MOOC更適合于本科教育和在職教育學(xué)生的自學(xué)能力要求。與MOOC帶來的在線多模式教學(xué)相結(jié)合，學(xué)生可以零散地學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)進度快的學(xué)生只需很少的時間就可以跟進，基礎(chǔ)較弱的學(xué)生可以反復(fù)學(xué)習(xí)，最終實現(xiàn)課程內(nèi)容學(xué)習(xí)的齊頭并進。此外，在線評估的實施側(cè)重于對所學(xué)知識點的掌握，并且還有助于在課程結(jié)束時復(fù)習(xí)考試內(nèi)容。

（三）DSP MOOC構(gòu)建的技術(shù)要求

數(shù)字信號處理課程涵蓋了數(shù)字信號處理技術(shù)的基本知識、基本概念、基本原理、基本方法、典型案例、綜合應(yīng)用、前沿話題和熱點問題等。相對來講，內(nèi)容比較穩(wěn)定、基礎(chǔ)、科學(xué)、系統(tǒng)和先進，同時具有高度針對性的功能。根據(jù)學(xué)生和課程的特點，一方面采用自上而下的教學(xué)方法，將現(xiàn)代教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，注重差異教學(xué)，引入研究性教學(xué)，構(gòu)建學(xué)生的知識體系。另一方面，采用自下而上的學(xué)習(xí)方法，引導(dǎo)學(xué)生從下至上學(xué)習(xí)，使學(xué)生從被動變?yōu)橹鲃樱谟谒伎?、樂于實踐，學(xué)會使用各種模型思考問題、分析問題和解決問題。

MOOC課程的總體設(shè)計包括以下內(nèi)容：

1. 數(shù)字信號處理課程建設(shè)的內(nèi)容，相對于完整的課程知識點體系，視頻的總長度不超過課程總課時的2/3。

2. 根據(jù)知識點組織教學(xué)內(nèi)容和其他環(huán)節(jié)。每個知識點對應(yīng)的視頻教學(xué)時間一般為3-15分鐘，約60個知識點。

3. 與課堂教學(xué)相似，MOOC按周安排學(xué)習(xí)進度，該課程的整個教學(xué)時間設(shè)計為13到15周。

4. 課程建設(shè)的基本過程包括：

（1）解構(gòu)和分解原始課程的知識點;

（2）選擇和鞏固核心知識點;

（3）課程內(nèi)容重組、設(shè)計和結(jié)構(gòu)化安排;

（4）拍攝制作;

（5）翻譯，校對;

（6）課程上線。

三、DSP MOOC的知識管理

（一）DSP課程知識點結(jié)構(gòu)

數(shù)字信號處理課程的內(nèi)容主要包括一個基礎(chǔ)，兩個支柱。一個基礎(chǔ)是基于對離散時間信號和離散時間系統(tǒng)的時域和頻域的分析。兩個支柱是離散傅里葉變換及其快速算法，以及數(shù)字濾波器的理論和設(shè)計[2]，其內(nèi)容體系如圖1所示。MOOC課程根據(jù)知識點組織教學(xué)內(nèi)容和其他相關(guān)知識結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化課程的整體教學(xué)設(shè)計。

根據(jù)計劃，數(shù)字信號處理知識點包括以下單元內(nèi)容。

第一個單元是緒論。需要了解數(shù)字信號處理的基本概念、實現(xiàn)方法、特征和基本組成部分，以及數(shù)字信號處理課程的研究內(nèi)容、特征、性質(zhì)、任務(wù)和應(yīng)用。

第二單元的內(nèi)容是時域離散信號和系統(tǒng)。需要學(xué)習(xí)時域離散信號以及時域離散系統(tǒng)的性質(zhì)和特點，時域離散信號分析方法和時域離散系統(tǒng)時域分析。

第三單元的內(nèi)容是時域離散信號以及系統(tǒng)的頻域分析。需要學(xué)習(xí)時域離散信號（序列）的傅立葉變換，學(xué)習(xí)時域離散信號z變換和時域離散系統(tǒng)的頻域分析。

第四單元的內(nèi)容是離散傅里葉變換及其快速算法。需要學(xué)習(xí)離散傅里葉變換的定義、物理意義以及性質(zhì)，頻域采樣定理、離散傅里葉變換的應(yīng)用，包括計算線性卷積，快速卷積和頻譜分析等。還需要學(xué)習(xí)離散傅里葉變換的快速算法，即快速傅立葉變換（FFT），學(xué)習(xí)基2 FFT算法，包括時域抽取方法和頻域提取方法，F(xiàn)FT編程思想、方法等。

第五單元的內(nèi)容是模擬信號數(shù)字處理。需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容包括模擬信號的數(shù)字處理原理、模擬和數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)換、時域采樣定理以及模擬和數(shù)字頻率之間的關(guān)系。

第六單元的內(nèi)容包括數(shù)字濾波器的基本概念、無限脈沖響應(yīng)（IIR）數(shù)字濾波器、模擬濾波器設(shè)計，包括Butterworth濾波器設(shè)計、Chebyshev濾波器設(shè)計等，脈沖響應(yīng)不變方法，雙線性變換方法設(shè)計IIR數(shù)字濾波器，數(shù)字高通、帶通、帶阻濾波器設(shè)計等。

第七單元的內(nèi)容包括線性相位有限沖激響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器，用于設(shè)計有限沖激響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器的窗函數(shù)方法以及用于設(shè)計有限沖激響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器的頻率采樣方法。

第八單元的內(nèi)容是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的表示-信號流圖，無限脈沖響應(yīng)（FIR）基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有限脈沖響應(yīng)（FIR）基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及數(shù)字信號處理中的量化效應(yīng)等。

（二）重點難點分析

第一單元沒有重點或難點。

第二單元的重點包括：辨識周期正弦序列;線性系統(tǒng)、時不變系統(tǒng)的判斷、定義，線性卷積的計算，系統(tǒng)因果性、穩(wěn)定性判斷等[10]。第二單元的難點包括：線性卷積的定義和線性卷積的計算。

第三單元的重點包括：傅里葉變換的定義和性質(zhì)、z變換的定義和性質(zhì)、逆z變換、使用系統(tǒng)的零極點分布圖判斷系統(tǒng)的頻率特性;全通濾波器、最小相位系統(tǒng)等。第三單元的難點包括：序列傅立葉變換的對稱性、周期序列的傅立葉級數(shù)和傅立葉變換、復(fù)卷積定理、帕斯瓦爾定理;全通濾波器和最小相位系統(tǒng)等。

第四個單元的重點包括：離散傅里葉變換（DFT）和離散傅里葉反變換（IDFT）的定義;DFT與傅里葉變換（FT）、z變換（ZT）、離散傅里葉級數(shù)（DFS）之間的關(guān)系、循環(huán)移位定理、循環(huán)卷積定理、DFT的共軛對稱性、使用DFT進行線性卷積、基2 FFT算法-時域抽取和頻域提取的基本原理、實序列的FFT算法等。第四單元的難點包括：DFT和IDFT的定義、DFT的共軛對稱性、使用DFT計算線性卷積、基2 FFT算法的基本原理（時域抽取，頻域提取）、多級蝶形運算、旋轉(zhuǎn)因子特性等。

第五單元的重點是：模擬信號數(shù)字處理的原理、時域采樣定理、模擬頻率與數(shù)字頻率之間的關(guān)系。第五單元的難點是采樣信號頻譜的理解。

第六單元的重點包括：脈沖響應(yīng)不變法的原理和雙線性變換法的基本原理。第六單元的難點包括：模擬濾波器設(shè)計、模擬高通、帶通、帶阻濾波器設(shè)計;雙線性變換方法等。

第七單元的重點包括：線性相位FIR數(shù)字濾波器的條件和特性、窗函數(shù)法的設(shè)計原理、頻率采樣方法的基本原理以及IIR和FIR數(shù)字濾波器的比較。第七單元的難點包括：窗函數(shù)法的基本原理及頻率采樣方法的基本原理。

第八單元的重點包括：IIR濾波器的特性和基本結(jié)構(gòu)（直接型，級聯(lián)型，并聯(lián)型等）;FIR濾波器的特性和基本結(jié)構(gòu)（直接型，級聯(lián)型，頻率采樣型等）。 第八單元的難點是FIR頻率采樣型結(jié)構(gòu)。

通過以上分析，數(shù)字信號處理MOOC知識點及重難點可以歸納為表1。

四、結(jié)束語

數(shù)字信號處理MOOC課程的教學(xué)形式主要采用知識單元、多媒體教學(xué)方法，以實現(xiàn)研究性課堂翻轉(zhuǎn)和混合教學(xué)，并積極實施“課堂翻轉(zhuǎn)、在線學(xué)習(xí)以及離線討論”的方法。通過網(wǎng)絡(luò)，教師和學(xué)生、學(xué)生和學(xué)生可跨時空進行廣泛的交流，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，提高實施素質(zhì)教育的效果，并根據(jù)教育機構(gòu)的要求全面提高教育信息化水平。以MOOC課程建設(shè)為根基的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是網(wǎng)絡(luò)時代現(xiàn)代大學(xué)的必然趨勢，也是教育的新時代;MOOC課程建設(shè)將有助于提高教學(xué)質(zhì)量，提升數(shù)字信號處理課程施教人員參與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的實踐能力。

參考文獻：

[1]高西全，丁玉美，闊永紅.數(shù)字信號處理——原理、實現(xiàn)及應(yīng)用（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

[2]程佩青.數(shù)字信號處理教程（第四版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[3]胡健，陳后金，張菁，等.依托虛擬教研室，提升課程教學(xué)質(zhì)量——以北京交通大學(xué)“雙培計劃”為例[J].北京教育：高教， 2018，819（05）：57-59.

[4]張旭明.分析數(shù)字信號處理技術(shù)在電子信息工程中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（25）：87-88.

[5]劉程鵬.基于數(shù)字信號處理技術(shù)的光纖傳感器故障辨識[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（17）：43-48.

[6]翟棟晨，陳澤宗，佘高淇，等.基于數(shù)字信號處理和可編程邏輯門陣列的S波段雷達主板設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（17）：210-214.

[7]侯治富，安琪，侯睿智，等.對慕課建設(shè)路徑的思考與探索[J].中國大學(xué)教學(xué)，2016（06）：63-65+86.

[8]任方軍.高職教育“慕課”建設(shè)的必要性、爭議及方向[J].河南科技學(xué)院學(xué)報，2018，38（08）：57-60.

[9]鄒瑤.慕課背景下體育院校優(yōu)質(zhì)開放性在線課程開發(fā)與建設(shè)研究[J].科教文匯，2019（05）：123-124.

[10]王樹華.《數(shù)字信號處理》課程教學(xué)大綱[EB/OL].https：//wenku.baidu.com/view/45709e33a9956bec0975f46527d3240c8447a1aa.html，2018：1-9.