王 磊 竇海娥

（1南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003）

（2巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

《數(shù)字信號(hào)處理》課程本科教學(xué)方法的探索與實(shí)踐

王 磊1竇海娥2

（1南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210003）

（2巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

隨著信息科學(xué)和計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理的理論與應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展?！稊?shù)字信號(hào)處理》課程已經(jīng)成為大專(zhuān)院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)一門(mén)必修課程，這極大地促進(jìn)了教學(xué)輔助工具和軟件的發(fā)展，也反過(guò)來(lái)對(duì)該學(xué)科的教學(xué)提出了新的要求。本文分析了在本科階段開(kāi)設(shè)該課程存在的主要問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面進(jìn)行了改革與探索。實(shí)踐證明通過(guò)相關(guān)改革可以取得良好的教學(xué)效果。

數(shù)字信號(hào)處理；教學(xué)方法；教學(xué)改革

1 引言

《數(shù)字信號(hào)處理》是信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，它研究的內(nèi)容廣泛應(yīng)用于通信工程、信息工程、網(wǎng)絡(luò)工程、廣播電視工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息安全等許多專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，對(duì)這些專(zhuān)業(yè)的理論研究和工程應(yīng)用均起到重要的指導(dǎo)作用。可以說(shuō)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的重要基石，它在網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的地位與CPU在PC時(shí)代的地位是一樣的。但由于該課程的抽象性和理論性，我校最初重點(diǎn)向研究生開(kāi)設(shè)此課程，現(xiàn)在它已成為我校通信與信息工程等專(zhuān)業(yè)本科生的必修課程。本科生在學(xué)習(xí)這門(mén)課程時(shí)，常常感到概念抽象，對(duì)其中的分析方法和基本理論等不能很好地理解和掌握。為提高教學(xué)效果，我們對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程的本科教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題進(jìn)行分析，并結(jié)合教學(xué)實(shí)踐給出相應(yīng)的教學(xué)改革方法。

2 教學(xué)內(nèi)容與主要問(wèn)題分析

數(shù)字信號(hào)處理的理論基礎(chǔ)是離散線性時(shí)不變系統(tǒng)理論和離散時(shí)間傅里葉變換（DTFT），這些內(nèi)容在“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程中已做了詳細(xì)的討論，而數(shù)字濾波和快速傅里葉變換（FFT）才是數(shù)字信號(hào)處理這門(mén)課的經(jīng)典內(nèi)容，我們將重點(diǎn)介紹這兩方面內(nèi)容。學(xué)習(xí)這些內(nèi)容的同時(shí)還應(yīng)當(dāng)著眼于設(shè)計(jì)和應(yīng)用手段的不斷更新。數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)處理軟件工具是數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的兩大支撐工具，應(yīng)結(jié)合相關(guān)的理論對(duì)他們作了必要的介紹，特別是需要引入了以Matlab為工具的仿真實(shí)驗(yàn)。考慮到一些新的發(fā)展領(lǐng)域與當(dāng)前的電子信息系統(tǒng)關(guān)系密切并能夠和本課程內(nèi)容成一體系，例如多采樣率信號(hào)處理等內(nèi)容，也將在這門(mén)課程中給予介紹。至于最優(yōu)濾波理論、自適應(yīng)濾波、二維濾波、數(shù)字頻譜的參數(shù)模型法和高階譜分析等內(nèi)容應(yīng)歸入 “現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理”或“隨機(jī)信號(hào)處理”的課程。

近年來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理在理論和應(yīng)用方面都有了飛速的發(fā)展，也因此對(duì)該學(xué)科的教學(xué)提出了新的要求。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐及分析討論，我們認(rèn)為這門(mén)課程最主要的主要特點(diǎn)和突出問(wèn)題為：

2.1 《數(shù)字信號(hào)處理》課程的理論性強(qiáng)。信號(hào)處理本身就是一門(mén)源于數(shù)學(xué)的學(xué)科，也被有些學(xué)者稱(chēng)為是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支。它使用數(shù)學(xué)語(yǔ)言對(duì)工程問(wèn)題進(jìn)行描述，其中的定理和結(jié)論以嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明作為依據(jù)，并對(duì)其賦予實(shí)際的工程物理意義來(lái)指導(dǎo)工程實(shí)踐。所以數(shù)字信號(hào)處理課程包含了很多抽象的概念和理論，也涉及到較多的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程。這是工科類(lèi)本科生理解和掌握起來(lái)有一定難度的最主要原因。

2.2 本科學(xué)生缺少一些先修的基礎(chǔ)知識(shí)?！稊?shù)字信號(hào)處理》課程要求學(xué)生掌握的先修基礎(chǔ)知識(shí)有很多，如高等數(shù)學(xué)、概率論和隨機(jī)過(guò)程、線性代數(shù)、信號(hào)與線性系統(tǒng)、通信原理等。部分學(xué)生對(duì)這些先修課程掌握的不夠扎實(shí)，這就會(huì)影響數(shù)字信號(hào)處理課程的學(xué)習(xí)。另外，部分先修課程在本科階段講授的內(nèi)容還不足以用來(lái)理解數(shù)字信號(hào)處理中的一些內(nèi)容，例如對(duì)多采樣率信號(hào)處理、等波紋最佳逼近原理等問(wèn)題的理解。

3 教學(xué)方法的探索與實(shí)踐

在本科階段開(kāi)設(shè)《數(shù)字信號(hào)處理》存在著一定的難度，對(duì)授課教師來(lái)講也是一個(gè)挑戰(zhàn)。我們通過(guò)對(duì)教學(xué)方法的改革和實(shí)踐，比較成功地解決了上述問(wèn)題，取得了良好的教學(xué)效果。

3.1 采用豐富多樣的授課方式。在教學(xué)中要充分利用多媒體輔助教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，采用板書(shū)和幻燈片優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的授課方式。對(duì)于一些教學(xué)提綱、歸納小結(jié)、圖文圖示以及動(dòng)畫(huà)演示的內(nèi)容，宜采用幻燈片。而對(duì)一些公式的推導(dǎo)，基本原理的解釋?zhuān)瑒t用板書(shū)授課效果更好，互動(dòng)性強(qiáng)，學(xué)生也能夠跟隨教師的思路來(lái)領(lǐng)會(huì)課堂知識(shí)。此外，將教學(xué)過(guò)程與當(dāng)前最優(yōu)秀的科學(xué)計(jì)算軟件Matlab進(jìn)行有機(jī)結(jié)合是非常重要的，這樣可以使一些很難理解的抽象理論得到直觀演示解釋?zhuān)瑫r(shí)解決了各種復(fù)雜問(wèn)題的分析與計(jì)算等難題。我們?cè)谑谡n的過(guò)程中通過(guò)多種方式的結(jié)合，努力使復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理理論變成了學(xué)生易接受、易實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單問(wèn)題。

3.2 合理選擇教學(xué)內(nèi)容。數(shù)字信號(hào)處理理論與應(yīng)用發(fā)展迅速，《數(shù)字信號(hào)處理》課程涉及的內(nèi)容很多、邏輯性很強(qiáng)，而教學(xué)的學(xué)時(shí)和學(xué)生的接受能力有限，因此必須合理地篩選授課內(nèi)容。在側(cè)重基本概念、基本原理和基本方法的原則下，重點(diǎn)講授基礎(chǔ)的或者帶有普遍意義的知識(shí)點(diǎn)，而對(duì)類(lèi)似或衍生的知識(shí)只進(jìn)行簡(jiǎn)單地介紹。在具體內(nèi)容的取舍方面，我們結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展做了精心的安排。例如，在濾波器設(shè)計(jì)方面，由于設(shè)計(jì)手段的更新，以往依賴于設(shè)計(jì)手冊(cè)的方法已毫無(wú)意義，故我們只在復(fù)習(xí)模擬濾波器設(shè)計(jì)時(shí)側(cè)重于介紹其特點(diǎn)、性能和參數(shù)的意義，而討論數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)介紹了用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的有關(guān)內(nèi)容。再如，對(duì)于濾波器系數(shù)量化效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析方法幾乎已經(jīng)沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，而Matlab仿真卻可以準(zhǔn)確地計(jì)算出系數(shù)量化對(duì)頻率響應(yīng)的影響，因而在教學(xué)中應(yīng)舍棄統(tǒng)計(jì)分析方法代之以Matlab仿真。

3.3 強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)概念和理論的物理意義。要努力通過(guò)聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用以培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，降低問(wèn)題的抽象性。由于本課程的理論和結(jié)論是通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)的方式得到，學(xué)生在關(guān)注公式推導(dǎo)證明時(shí)往往不注意理解其實(shí)質(zhì)內(nèi)涵，逐漸造成了學(xué)習(xí)興趣的下降。針對(duì)這種情況，我們除了進(jìn)行必要的推導(dǎo)以外，教學(xué)中要特別強(qiáng)調(diào)結(jié)論的物理意義和應(yīng)用。如在面向通信工程專(zhuān)業(yè)本科生授課時(shí)，我們以現(xiàn)代通信系統(tǒng)為工程背景，結(jié)合課程的內(nèi)容，具體分析了數(shù)字信號(hào)處理在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3.4 及時(shí)反饋并注重關(guān)聯(lián)。在教學(xué)工作中，除了安排定期的答疑和課間答疑外，每次作業(yè)中出現(xiàn)的問(wèn)題要及時(shí)反映在習(xí)題課的講解中，為本課程后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)掃清障礙，杜絕“累積效應(yīng)”。此外，要注重與先修課程的關(guān)聯(lián)，對(duì)先修課程中出現(xiàn)的相同內(nèi)容的不同表達(dá)方式一定要解釋清楚，使學(xué)生不會(huì)混淆概念，反而更好地理解和掌握多門(mén)課程。例如，本課程中也出現(xiàn)了噪聲功率譜密度，在通信原理課程中存在單邊帶功率譜密度和雙邊帶功率譜密度的區(qū)分，這里就要向?qū)W生解釋清楚。

3.5 學(xué)術(shù)研究與本科教學(xué)緊密結(jié)合。努力開(kāi)拓學(xué)生視野，適時(shí)地將國(guó)內(nèi)外的重大科技事件和授課內(nèi)容聯(lián)系起來(lái)，既可以拓展學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，又可以提高學(xué)習(xí)興趣。授課教師應(yīng)將自身的學(xué)術(shù)研究與本科教學(xué)結(jié)合起來(lái)。例如，目前在國(guó)內(nèi)外“壓縮感知（Compressed Sensing）”技術(shù)已逐漸成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，并有望打破傳統(tǒng)的奈奎斯特（Nyquist）采樣定理，從而很可能帶來(lái)信號(hào)處理領(lǐng)域的又一次重大變革，而“壓縮感知”中許多新方法的誕生和使用都可以和數(shù)字信號(hào)處理課程中的教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系起來(lái)。這樣，通過(guò)介紹最新學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，不但可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可能會(huì)增強(qiáng)本科生畢業(yè)后繼續(xù)深造的信心。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然在本科階段開(kāi)設(shè)《數(shù)字信號(hào)處理》課程存在著諸多問(wèn)題，但是遵循上述方法我們不僅順利地開(kāi)設(shè)了《數(shù)字信號(hào)處理》本科課程，而且取得了良好的教學(xué)效果。誠(chéng)然，教學(xué)改革是一個(gè)多方面長(zhǎng)期的不斷探索、逐步完善的過(guò)程。在今后的教學(xué)過(guò)程中，我們會(huì)繼續(xù)進(jìn)行教學(xué)改革探索與研究，不斷完善教學(xué)過(guò)程。也希望同行們反饋寶貴建議和意見(jiàn)，交流教學(xué)體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)，以便不斷修正教學(xué)中的誤區(qū)，不斷去粗取精，進(jìn)一步提高教學(xué)效果和質(zhì)量，共同努力為我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)出更多更優(yōu)秀的專(zhuān)業(yè)人才。

[1]謝利民等，現(xiàn)代教學(xué)基礎(chǔ)理論[M].上海：上海教育出版社，2003.

[2]http://ac.zstu.edu.cn/rcdp/bencandy.php?fid=95&id=196.

[3]http://www.etc.edu.cn/show/2009/shuzi10.htm.

[4]http://www.news.ynu.edu.cn/jxky/2006-11-24/0-8-1534.html.

[5]任淑萍，王欣峰.《數(shù)字信號(hào)處理》的優(yōu)化教學(xué)研究[J].電力學(xué)報(bào)，2008，23（3）：255-257.

[6]劉煥淋，何方白，李強(qiáng).多媒體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的《數(shù)字信號(hào)處理》教學(xué)研究[J].中國(guó)教育導(dǎo)刊，2005，（4）：74-75.

[7]朱金秀，張卓，朱昌平.數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27（5）：96-98.

[8]何培宇，孫明義.《數(shù)字信號(hào)處理》課程多媒體雙語(yǔ)教學(xué)的探索與體會(huì)[J].高等理科教育，2006，（1）：72-73.

EXPLORATION AND PRACTICE OF TEACHING METHODS FOR UNDERGRADUATE ON THE COURSE OF DIGITAL SIGNAL PROCESSING

WANG Lei1DOU Hai－e2
（1 Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing Jiangsu 210003）
（2 Chaohu College，Chaohu Anhui 238000）

Digital signal processing theory and applications has made rapid development with the rapid development of information science and technology computing."Digital Signal Processing" has become a relevant professional institutions a compulsory course，which greatly promoted the teaching aids and software development，in turn new requirements of teaching the subject is also put forward.This paper analyzes major problem of the creation of the courses in the undergraduate，and Reforms and explores the solutions to these problems in the teaching content and teaching methods.Practice has proved that，through relevant teaching reform，good teaching results have been obtained.

Digital signal processing； Teaching methods； Teaching reform

G642.0

A

1672－2868（2010）06－0128－03

2010-09-01

南京郵電大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JG00206JX10）

王磊（1977-），男，安徽碭山人。工學(xué)博士，南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院講師，研究方向：現(xiàn)代通信中的智能信號(hào)與信息處理、認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)、壓縮感知技術(shù)以及隨機(jī)矩陣?yán)碚撛跓o(wú)線通信中的應(yīng)用。

責(zé)任編輯：陳 鳳