数字信号处理课程教学改革的探索

【摘要】本文针对数字信号处理课程理论性强、抽象概念多等特点，结合我校该课程实际教学情况，从课程体系、教学模式、实验教学和考核方式四个方面进行改革、研究。通过多媒体教学和试验教学的结合，收到了较好的教学效果。
　　【关键词】数字信号处理；教学改革；教学方法
　　一、引言
　　数字信号处理作为高等院校电子信息类专业的一门专业必修课，随着全球信息化的飞速发展，其应用日益广泛。在本课程的教与学的过程中，普遍反映该课程理论性很强，抽象概念多，难以理解和掌握。尤其是对三本学生来说，学生数学基础相对薄弱，且未开设实验课，学习本课程有一定困难，导致学生怕学、厌学、学不懂、学习兴趣不高。因此如何帮助学生理解与掌握该课程的基本理论、并能够综合运用相关知识解决实际问题是本课程的首要任务。本文结合平顶山学院电气信息工程学院数字信号处理的教学现状，对课程体系、课堂教学模式、实践教学和考核方式进行积极探索。
　　二、课程体系的优化
　　数字信号处理课程作为信号处理学科一门重要的专业基础课，覆盖我院电子信息工程和测控技术与仪器两个专业，通过几届授课及与学生的课堂交流发现存在以下问题：学生在接收到相关课程的学习时仅能理解和掌握每一门课程中的一些理论知识，而且都是分散、凌乱的，甚至一部分学生仅仅为了期末考试过关，无法形成一个完成的课程体系，提高自身的分析问题、解决问题的能力，导致学生被动学习、目标不明确，缺乏积极性，从此恶性循环。针对这些问题，入学时教师的引导十分重要，这就要求每一门课程的授课老师不仅对自身专业领域非常熟悉，还需要站在信号处理这门学科的角度去考虑，做到自然衔接，让学生能逐渐建立自己的知识体系，提高学习积极性和信心。同时需要进行合理的课程结构设置，整合教学内容，优化课程体系。使几门相关的课程组成一个结构合理、层次清晰、相互连接的课程群体，进而获得整体优势。
　　数字信号处理课程其先修课程有信号与系统，高等数学、矩阵分析、MATLAB应用等。后续课程有DSP技术及应用、通信原理等。就目前我院相关专业的开设情况进行分析。
　　其一在课程内容的选择上无法实现很好的衔接，比如高等数学中的傅里叶级数，不管是对连续信号还是离散信号的分析，都具有很重要的地位，但是目前我院电子与测控两个专业所开设的高等数学课程中竟然把傅里叶级数这一章节删掉不讲。造成同学们对信号分解这部分的概念理解非常困难。高等数学工科专业上的第一门基础课，学习目的是为了以后能在相关专业课程中有所应用，目前我校基础课课程的内容选择上无法以专业课为导向，不能把相关知识应用到专业课中去，造成学习基础课时感觉枯燥、难懂；学习专业基础课时重要的知识点没有学到或者十分生疏，不利于后续课程的开展。针对这种情况应该通过相关学科教师之间进行交流，通过对内容调整使基础课与专业课都能达到很好的教学效果。
　　其二在课程的安排顺序上需要进行调整。MATLAB是一种仿真软件，在数字信号处理课程中应用很广泛，无论是对信号进行谱分析还是滤波器的设计都采用该软件进行实现，作为一种功能强大的计算工具，学生需要掌握MATLAB软件的应用来处理专业课中所遇到的问题。目前我院MATLAB课程作为考查课在大四上学期开设，而考研的同学却没法在这学期投入较多的精力去学习，在某种程度上也影响到其他专业课程相关知识点的展开，如果能把该软件的学习作为一门基础课开设在大二上学期，则能使教育资源得到更好的利用。在数字信号处理这门课程的学习中得心应手，游刃有余。
　　三、教学模式的更新
　　数字信号处理存在概念多、不直观且非常抽象、公式推导繁琐等问题。在学习这门课程时，学生普遍感到数字信号处理的概念抽象，对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握。因此，如何帮助学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及综合应用所学知识解决实际问题的能力，是数字信号处理课程教学所要解决的关键问题。
　　首先，要转变教学思想。在教学过程中，强调基本内容的深刻理解和基本概念的建立，淡化公式的推导和解题技巧，强化所学知识的综合应用与创新能力的培养；以培养学生的能力为核心，打破理论教学与实践教学的界限，在多媒体教室将课堂教学与上机实验融为一体，边理论教学边上机实验，从而实现理论与实践的有机结合。
　　其次，教师必须不断地更新教学手段。“数字信号处理”课程中有许多抽象的数学概念，可以通过MATLAB演示实验，揭示其物理概念，帮助学生理解与掌握，从而提高学生的学习效率与学习积极性，利用启发式的教学方法和个性化教学方法使学生有更多的发现问题、思考问题和解决问题的空间。下面举例说明MATLAB在频域采样理论验证中的应用。
　　例：长度为26的三角形序列x（n），分别对序列x（n）进行16点32点的离散傅里叶变换（DFT），分别对16点和32点频域采样进行离散傅里叶反变换（IDFT），并绘制波形图验证频域采样理论。
　　% 频域采样理论验证
　　运行结果如图1所示，由图1可知：当采样点数（DFT变换的点数）N=16<26（序列的长度）时，存在时域混叠失真（d），x16（n）≠x（n）；当采样点数（DFT变换的点数）N=32>26时，无时域混叠失真（f），x32（n）=x（n）。此结果与频域率采样理论的内容相符。
　　将MATLAB软件引入数字信号处理教学中，不仅将枯燥难懂的数字信号处理课程变得有趣、易解，而且使学生能直观地领会和理解分析方法和处理结果，这对推动学生灵活深入地掌握基本概念，激发学生的学习兴趣，提高教学质量有着至关重要的作用。
　　四、实践教学的改革
　　数字信号处理课程虽然理论性较强、但与实践关系密切，如果仅利用课堂时间对理论知识进行讲解，难以使学生有比较透彻的理解，无法应用到实践。目前我院在该课程的开设上还未加入相应的实验课，以致学生对相关知识的掌握相对肤浅。加入实验课程，不仅能够让学生学会利用软件分析问题、解决问题，同时也加深会所学知识的理解。

　　实验项目的设置力求科学合理，根据课程内容的进展设计不同层次的实验教学方案：验证型（基础型）、提高型、拓展型。验证型实验主要是针对相关理论、算法进行验证、分析，如信号的谱分析与频域采样定理的验证等；提高型实验主要是根据响应指标对实际系统进行设计，如数字滤波器的设计。拓展型实验是根据相关理论和算法对实际系统的进行分析与改进，并结合其他相关专业课如DSP硬件技术进行硬件实验。如可以对一段录制声音信号或者图像信号进行去噪处理的MATLAB仿真与DSP实现。通过三个不同层次的实验教学，不仅学生对该课程中的理论知识掌握得更加扎实，同时也更好的锻炼和提升专业实践能力和专业创新能力，极大地提高该课程的教学水平。
　　五、考核方式的多样化
　　考试是影响学生学习的一个主要因素，而目前考核形式还是围绕着公式的套用、基本数学运算等，考核结果也无法反映学生实际的掌握程度，甚至有些同学以考试过关为目的，具体收获了什么知识、提高了哪些能力根本不关心，这势必造成了考试带来的过多负面影响，无法让同学们在该课程的学习中提高自身的专业素养与实践能力。随着计算机软件的发展与应用，对学生的要求也有所改变，不再像以前那样重视单纯的计算能力，而是利用所学基本原理和基本方法去学习新知识和解决实际问题的能力。因此，在新的历史发展环境下，需要对当前的考核方法及考核内容进行改革。
　　从考核内容上，改变过去重理论轻实践、重知识轻能力、重运算轻应用的考核方式，对学生知识和能力进行综合考核。从考核方式上，改变过去学生靠死记硬背公式去应付考试的现象，考试采取半开卷的方式，加强应用能力的培养。不再单纯靠期末考试成绩确定最终成绩，考核内容包括平时学习、实践环节、期末考试等，提高学生在每个环节中的积极性。
　　六、结论
　　在我院近几届电子信息工程专业和测控技术与仪器专业的教学中，进行多方面的改革尝试，采用多媒体教学与试验教学结合的教学模式，取得了较好的效果。随着电子技术的快速发展和辅助软件的应用，数字信号处理课程理论教学内容也在不断地丰富和完善，教学方式还需要不断地改进和优化，需要我们继续学习和探索。
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　　作者简介：
　　李宁（1983—），女，河南开封人，硕士研究生，主要从事基于传感器阵列的气体检测系统方面的研究。