數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革的探索

1、數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革的探索【摘要】本文針對數(shù)字信號處理課程理論性強(qiáng)、抽象概念多等特點(diǎn)，結(jié)合我校該課程實(shí)際教學(xué)情況，從課程體系、教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核方式四個(gè)方面進(jìn)行改革、研究。通過多媒體教學(xué)和試驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合，收到了較好的教學(xué)效果。【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號處理；教學(xué)改革；教學(xué)方法一、引言數(shù)字信號處理作為高等院校電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)必修課，隨著全球信息化的飛速發(fā)展，其應(yīng)用日益廣泛。在本課程的教與學(xué)的過程中，普遍反映該課程理論性很強(qiáng)，抽象概念多，難以理解和掌握。尤其是對三本學(xué)生來說，學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對薄弱，且未開設(shè)實(shí)驗(yàn)課，學(xué)習(xí)本課程有一定困難，導(dǎo)致學(xué)生怕學(xué)、厭學(xué)、學(xué)不懂、學(xué)習(xí)興趣不高。因此如何幫助

2、學(xué)生理解與掌握該課程的基本理論、并能夠綜合運(yùn)用相關(guān)知識解決實(shí)際問題是本課程的首要任務(wù)。本文結(jié)合平頂山學(xué)院電氣信息工程學(xué)院數(shù)字信號處理的教學(xué)現(xiàn)狀，對課程體系、課堂教學(xué)模式、實(shí)踐教學(xué)和考核方式進(jìn)行積極探索。二、課程體系的優(yōu)化數(shù)字信號處理課程作為信號處理學(xué)科一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，覆蓋我院電子信息工程和測控技術(shù)與儀器兩個(gè)專業(yè)，通過幾屆授課及與學(xué)生的課堂交流發(fā)現(xiàn)存在以下問題：學(xué)生在接收到相關(guān)課程的學(xué)習(xí)時(shí)僅能理解和掌握每一門課程中的一些理論知識，而且都是分散、凌亂的，甚至一部分學(xué)生僅僅為了期末考試過關(guān)，無法形成一個(gè)完成的課程體系，提高自身的分析問題、解決問題的能力，導(dǎo)致學(xué)生被動學(xué)習(xí)、目標(biāo)不明確，缺乏積極性

3、，從此惡性循環(huán)。針對這些問題，入學(xué)時(shí)教師的引導(dǎo)十分重要，這就要求每一門課程的授課老師不僅對自身專業(yè)領(lǐng)域非常熟悉，還需要站在信號處理這門學(xué)科的角度去考慮，做到自然銜接，讓學(xué)生能逐漸建立自己的知識體系，提高學(xué)習(xí)積極性和信心。同時(shí)需要進(jìn)行合理的課程結(jié)構(gòu)設(shè)置，整合教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程體系。使幾門相關(guān)的課程組成一個(gè)結(jié)構(gòu)合理、層次清晰、相互連接的課程群體【1】，進(jìn)而獲得整體優(yōu)勢。數(shù)字信號處理課程其先修課程有信號與系統(tǒng)，高等數(shù)學(xué)、矩陣分析、MATLAB應(yīng)用等。后續(xù)課程有DSP技術(shù)及應(yīng)用、通信原理等。就目前我院相關(guān)專業(yè)的開設(shè)情況進(jìn)行分析。其一在課程內(nèi)容的選擇上無法實(shí)現(xiàn)很好的銜接，比如高等數(shù)學(xué)中的傅里葉級數(shù)，不管

4、是對連續(xù)信號還是離散信號的分析，都具有很重要的地位，但是目前我院電子與測控兩個(gè)專業(yè)所開設(shè)的高等數(shù)學(xué)課程中竟然把傅里葉級數(shù)這一章節(jié)刪掉不講。造成同學(xué)們對信號分解這部分的概念理解非常困難。高等數(shù)學(xué)工科專業(yè)上的第一門基礎(chǔ)課，學(xué)習(xí)目的是為了以后能在相關(guān)專業(yè)課程中有所應(yīng)用，目前我?；A(chǔ)課課程的內(nèi)容選擇上無法以專業(yè)課為導(dǎo)向，不能把相關(guān)知識應(yīng)用到專業(yè)課中去，造成學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課時(shí)感覺枯燥、難懂；學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課時(shí)重要的知識點(diǎn)沒有學(xué)到或者十分生疏，不利于后續(xù)課程的開展。針對這種情況應(yīng)該通過相關(guān)學(xué)科教師之間進(jìn)行交流，通過對內(nèi)容調(diào)整使基礎(chǔ)課與專業(yè)課都能達(dá)到很好的教學(xué)效果。其二在課程的安排順序上需要進(jìn)行調(diào)整。MATLAB是

5、一種仿真軟件，在數(shù)字信號處理課程中應(yīng)用很廣泛，無論是對信號進(jìn)行譜分析還是濾波器的設(shè)計(jì)都采用該軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，作為一種功能強(qiáng)大的計(jì)算工具，學(xué)生需要掌握MATLAB軟件的應(yīng)用來處理專業(yè)課中所遇到的問題。目前我院MATLAB課程作為考查課在大四上學(xué)期開設(shè)，而考研的同學(xué)卻沒法在這學(xué)期投入較多的精力去學(xué)習(xí)，在某種程度上也影響到其他專業(yè)課程相關(guān)知識點(diǎn)的展開，如果能把該軟件的學(xué)習(xí)作為一門基礎(chǔ)課開設(shè)在大二上學(xué)期，則能使教育資源得到更好的利用。在數(shù)字信號處理這門課程的學(xué)習(xí)中得心應(yīng)手，游刃有余。三、教學(xué)模式的更新數(shù)字信號處理存在概念多、不直觀且非常抽象、公式推導(dǎo)繁瑣等問題。在學(xué)習(xí)這門課程時(shí)，學(xué)生普遍感到數(shù)字信號處理

6、的概念抽象，對其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握。因此，如何幫助學(xué)生理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，是數(shù)字信號處理課程教學(xué)所要解決的關(guān)鍵問題。首先，要轉(zhuǎn)變教學(xué)思想。在教學(xué)過程中，強(qiáng)調(diào)基本內(nèi)容的深刻理解和基本概念的建立，淡化公式的推導(dǎo)和解題技巧，強(qiáng)化所學(xué)知識的綜合應(yīng)用與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)【2】；以培養(yǎng)學(xué)生的能力為核心，打破理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的界限，在多媒體教室將課堂教學(xué)與上機(jī)實(shí)驗(yàn)融為一體，邊理論教學(xué)邊上機(jī)實(shí)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。其次，教師必須不斷地更新教學(xué)手段。數(shù)字信號處理;課程中有許多抽象的數(shù)學(xué)概念，可以通過MATLA

7、B演示實(shí)驗(yàn)【3】，揭示其物理概念，幫助學(xué)生理解與掌握，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與學(xué)習(xí)積極性，利用啟發(fā)式的教學(xué)方法和個(gè)性化教學(xué)方法使學(xué)生有更多的發(fā)現(xiàn)問題、思考問題和解決問題的空間。下面舉例說明MATLAB在頻域采樣理論驗(yàn)證中的應(yīng)用。例：長度為26的三角形序列x（n），分別對序列x（n）進(jìn)行16點(diǎn)32點(diǎn)的離散傅里葉變換（DFT），分別對16點(diǎn)和32點(diǎn)頻域采樣進(jìn)行離散傅里葉反變換（IDFT），并繪制波形圖驗(yàn)證頻域采樣理論【4】。% 頻域采樣理論驗(yàn)證運(yùn)行結(jié)果如圖1所示，由圖1可知：當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)（DFT變換的點(diǎn)數(shù)）N=1626時(shí)，無時(shí)域混疊失真（f），x32（n）=x（n）。此結(jié)果與頻域率采樣理論的內(nèi)容相符

8、。將MATLAB軟件引入數(shù)字信號處理教學(xué)中，不僅將枯燥難懂的數(shù)字信號處理課程變得有趣、易解，而且使學(xué)生能直觀地領(lǐng)會和理解分析方法和處理結(jié)果，這對推動學(xué)生靈活深入地掌握基本概念，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。四、實(shí)踐教學(xué)的改革數(shù)字信號處理課程雖然理論性較強(qiáng)、但與實(shí)踐關(guān)系密切，如果僅利用課堂時(shí)間對理論知識進(jìn)行講解，難以使學(xué)生有比較透徹的理解，無法應(yīng)用到實(shí)踐。目前我院在該課程的開設(shè)上還未加入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課，以致學(xué)生對相關(guān)知識的掌握相對膚淺。加入實(shí)驗(yàn)課程，不僅能夠讓學(xué)生學(xué)會利用軟件分析問題、解決問題，同時(shí)也加深會所學(xué)知識的理解。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置力求科學(xué)合理，根據(jù)課程內(nèi)容的進(jìn)展設(shè)計(jì)不同

9、層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案：驗(yàn)證型（基礎(chǔ)型）、提高型、拓展型【5】。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要是針對相關(guān)理論、算法進(jìn)行驗(yàn)證、分析，如信號的譜分析與頻域采樣定理的驗(yàn)證等；提高型實(shí)驗(yàn)主要是根據(jù)響應(yīng)指標(biāo)對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。拓展型實(shí)驗(yàn)是根據(jù)相關(guān)理論和算法對實(shí)際系統(tǒng)的進(jìn)行分析與改進(jìn)，并結(jié)合其他相關(guān)專業(yè)課如DSP硬件技術(shù)進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)。如可以對一段錄制聲音信號或者圖像信號進(jìn)行去噪處理的MATLAB仿真與DSP實(shí)現(xiàn)。通過三個(gè)不同層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅學(xué)生對該課程中的理論知識掌握得更加扎實(shí)，同時(shí)也更好的鍛煉和提升專業(yè)實(shí)踐能力和專業(yè)創(chuàng)新能力，極大地提高該課程的教學(xué)水平。五、考核方式的多樣化考試是影響學(xué)生學(xué)習(xí)的一個(gè)主

10、要因素，而目前考核形式還是圍繞著公式的套用、基本數(shù)學(xué)運(yùn)算等，考核結(jié)果也無法反映學(xué)生實(shí)際的掌握程度，甚至有些同學(xué)以考試過關(guān)為目的，具體收獲了什么知識、提高了哪些能力根本不關(guān)心，這勢必造成了考試帶來的過多負(fù)面影響，無法讓同學(xué)們在該課程的學(xué)習(xí)中提高自身的專業(yè)素養(yǎng)與實(shí)踐能力。隨著計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展與應(yīng)用，對學(xué)生的要求也有所改變，不再像以前那樣重視單純的計(jì)算能力，而是利用所學(xué)基本原理和基本方法去學(xué)習(xí)新知識和解決實(shí)際問題的能力。因此，在新的歷史發(fā)展環(huán)境下，需要對當(dāng)前的考核方法及考核內(nèi)容進(jìn)行改革。從考核內(nèi)容上，改變過去重理論輕實(shí)踐、重知識輕能力、重運(yùn)算輕應(yīng)用的考核方式，對學(xué)生知識和能力進(jìn)行綜合考核【6】。從考

11、核方式上，改變過去學(xué)生靠死記硬背公式去應(yīng)付考試的現(xiàn)象，考試采取半開卷的方式，加強(qiáng)應(yīng)用能力的培養(yǎng)。不再單純靠期末考試成績確定最終成績，考核內(nèi)容包括平時(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)踐環(huán)節(jié)、期末考試等，提高學(xué)生在每個(gè)環(huán)節(jié)中的積極性。六、結(jié)論在我院近幾屆電子信息工程專業(yè)和測控技術(shù)與儀器專業(yè)的教學(xué)中，進(jìn)行多方面的改革嘗試，采用多媒體教學(xué)與試驗(yàn)教學(xué)結(jié)合的教學(xué)模式，取得了較好的效果。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展和輔助軟件的應(yīng)用，數(shù)字信號處理課程理論教學(xué)內(nèi)容也在不斷地豐富和完善，教學(xué)方式還需要不斷地改進(jìn)和優(yōu)化，需要我們繼續(xù)學(xué)習(xí)和探索。參考文獻(xiàn)【1】李天倩，陽小明.信號處理相關(guān)課程結(jié)構(gòu)探討.高等教育研究，2009，26（1）：8789.【2】陳厚金，胡鍵，薛鍵，徐錕，郝曉莉.信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，1999.21 （4）：46.【3】聶小燕，魯才.數(shù)字信號處理教學(xué)改革的探索.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008，6（6）：125127.【4】高西全，丁玉美.數(shù)字信號處理.西安電子科技大學(xué)出版社，2008：89.【5】朱金秀，張卓，朱昌平.數(shù)字信號處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐.實(shí)驗(yàn)室研究與探討，2008，27（5）：9698.【6】余穎，肖靜，劉樹博.數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革的探索和實(shí)踐.東華理工大學(xué)