余 穎， 肖 靜， 劉樹(shù)博

(東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院，江西撫州344000)

數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革的探索和實(shí)踐

余 穎， 肖 靜， 劉樹(shù)博

(東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院，江西撫州344000)

數(shù)字信號(hào)處理課程具有理論性強(qiáng)、比較抽象的特點(diǎn)。針對(duì)目前東華理工大學(xué)學(xué)生學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀，學(xué)校對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程建設(shè)進(jìn)行了相應(yīng)的改革。這主要表現(xiàn)在整合教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化課程體系、豐富教學(xué)手段、運(yùn)用多樣化的實(shí)踐教學(xué)、改革考核方法及加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)等方面。課程建設(shè)更加注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問(wèn)題的能力。實(shí)踐表明教學(xué)改革取得良好的效果。

數(shù)字信號(hào)處理;教學(xué)改革領(lǐng);實(shí)踐教學(xué)

數(shù)字信號(hào)處理是筆者所在的東華理工大學(xué)電子信息專業(yè)的一門(mén)專業(yè)必修課。課程理論性很強(qiáng)，抽象概念多，起點(diǎn)高，難度大，又包含有很多科學(xué)方法，涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)非常多。就目前我校三本專業(yè)學(xué)生的現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，且未開(kāi)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。在教學(xué)過(guò)程中學(xué)生理解和掌握的部分很不理想。為了幫助學(xué)生系統(tǒng)理解掌握課程的基本概念、基本原理和基本分析方法，充分鍛煉他們綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力和工程實(shí)踐創(chuàng)新能力，深入貫徹教育部關(guān)于全面推進(jìn)素質(zhì)教育、強(qiáng)化高校工科三本學(xué)生的工程教育的精神要求，我們對(duì)本課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實(shí)踐教學(xué)、課堂教學(xué)模式和考核方式進(jìn)行了相應(yīng)的改革。

1 整合教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程體系

目前國(guó)內(nèi)外出版的數(shù)字信號(hào)處理教科書(shū)注重理論體系的完整性，內(nèi)容多，并且難度較大，而我校該課程的學(xué)時(shí)較少(46學(xué)時(shí))。這就必須精選課程的內(nèi)容，講授本課程最根本的內(nèi)容及其精華和思想。我們認(rèn)真細(xì)致地對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)合理的整合。數(shù)字信號(hào)處理課程的核心主線是離散傅里葉變換以及濾波器的設(shè)計(jì)［1-5］。圍繞這一主線形成教學(xué)內(nèi)容如圖1所示。

圖1 數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)內(nèi)容

本著加強(qiáng)學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)與技術(shù)的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生專業(yè)素質(zhì)，體現(xiàn)前沿性、實(shí)用性和綜合性的教學(xué)原則，優(yōu)化課程體系如下［2，5］:

1、理論體系

2、實(shí)踐體系

2 豐富教學(xué)手段，改革教學(xué)模式

數(shù)字信號(hào)處理存在概念多、不直觀且非常抽象、公式推導(dǎo)繁瑣等問(wèn)題，我們運(yùn)用課堂板書(shū)、多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)答疑等多種教學(xué)手段，開(kāi)發(fā)完善適合教學(xué)的多媒體輔助系統(tǒng)，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)資源及現(xiàn)代教學(xué)手段的優(yōu)勢(shì)。例如，利用 Java、Flash、Photoshop、Authorware等工具制作動(dòng)畫(huà)，將抽象的概念感性化，以形象生動(dòng)的圖像、動(dòng)畫(huà)來(lái)展示理論內(nèi)涵。引入MATLAB，將抽象的概念形象化，直觀、生動(dòng)地展示概念的物理意義和設(shè)計(jì)方法的物理實(shí)現(xiàn)途徑。充分利用幻燈片和音、視頻配合進(jìn)行互動(dòng)教學(xué)，直觀生動(dòng)，便于學(xué)生理解和記憶，激發(fā)學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生的思維空間，實(shí)施形象教學(xué)［3］。

再如，利用flash動(dòng)畫(huà)來(lái)演示奈奎斯特抽樣定理。通過(guò)flash的動(dòng)畫(huà)效果，讓抽樣頻率小于、大于、等于2倍信號(hào)最高頻率內(nèi)容依次出現(xiàn)(如圖2所示)，并配合教師的講解，從而說(shuō)明為什么采樣頻率要至少大于等于信號(hào)最高頻率成分的2倍。由于圖形演示形象直觀、說(shuō)明簡(jiǎn)潔，從而加深了學(xué)生對(duì)采樣定理的理解和記憶，達(dá)到對(duì)該知識(shí)點(diǎn)真正的融會(huì)貫通，同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖2 奈奎斯特抽樣定理

3 實(shí)踐教學(xué)多樣化，改革實(shí)踐教學(xué)體系

實(shí)踐教學(xué)在強(qiáng)化理論內(nèi)容同時(shí)，能夠培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力及創(chuàng)新能力。以強(qiáng)化工科三本學(xué)生的工程教育的精神要求，推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)多樣化，形成促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)的綜合協(xié)調(diào)發(fā)展的實(shí)踐教學(xué)體系。

首先設(shè)立實(shí)驗(yàn)課時(shí)，將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)改革為上機(jī)實(shí)驗(yàn)。上機(jī)實(shí)驗(yàn)又可以分為基礎(chǔ)性驗(yàn)證型、綜合性和設(shè)計(jì)性上機(jī)實(shí)驗(yàn)，以滿足不同層次學(xué)生的需求。

基礎(chǔ)性驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)理論課的知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，幫助學(xué)生理解和掌握課堂上所學(xué)的基本理論，使學(xué)生學(xué)會(huì)利用MATLAB軟件表示離散信號(hào)或系統(tǒng)，利用MATLAB軟件分析和處理信號(hào)或系統(tǒng)，如離散時(shí)間信號(hào)分析、LSI系統(tǒng)的頻域分析、Z變換、FFT做頻譜分析等。綜合性實(shí)驗(yàn)是指實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及本課程的綜合知識(shí)實(shí)驗(yàn)。如模擬濾波器的設(shè)計(jì)、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)等，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是指給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊蠛蛯?shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，先由教師給出設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目和具體的技術(shù)指標(biāo);學(xué)生首先根據(jù)要求查閱相關(guān)資料，確定出實(shí)驗(yàn)方案;學(xué)生自己設(shè)計(jì)程序，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;最后寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。例如FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)、IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)等。主要培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力和主動(dòng)性［4］。

隨著課程教學(xué)內(nèi)容的逐步展開(kāi)，根據(jù)不同階段的特點(diǎn)，我們構(gòu)建了從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、課程設(shè)計(jì)、開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的一套實(shí)踐體系［4-6］。

(1)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。將先進(jìn)的硬件DSP開(kāi)發(fā)平臺(tái)和MATLAB軟件平臺(tái)融入實(shí)踐教學(xué)中，直接同當(dāng)前工程開(kāi)發(fā)接軌，提高學(xué)生在實(shí)際工作中的適應(yīng)能力。

(2)課程設(shè)計(jì)。數(shù)字信號(hào)處理課程中包含了大量關(guān)于離散信號(hào)的各種運(yùn)算，如相加、相乘、翻轉(zhuǎn)、平移、卷積、圓周卷積;FIR、IIR濾波器的設(shè)計(jì);快速傅里葉變換等，針對(duì)這些問(wèn)題，在整個(gè)數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)過(guò)程中，歸類讓同學(xué)們使用MATLAB程序語(yǔ)言進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。例如完成一個(gè)具體的信號(hào)處理實(shí)例(語(yǔ)音信號(hào)分析與處理、信號(hào)的頻分復(fù)用、語(yǔ)音信號(hào)簡(jiǎn)單的特技處理— —延時(shí)和混響、有噪聲的語(yǔ)音信號(hào)的濾波處理等)，加強(qiáng)濾波器基本理論的理解和實(shí)際實(shí)踐能力的提高，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的信號(hào)處理系統(tǒng)。若不安排課程設(shè)計(jì)，可以把此部分作為綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行練習(xí)［2，6，7］。

(3)增設(shè)開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。我校配備了多臺(tái)TMS320系列DSP實(shí)驗(yàn)箱，為師生提供一個(gè)完整的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為學(xué)生加速學(xué)習(xí)與系統(tǒng)掌握DSP的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供強(qiáng)有力的手段。學(xué)生可以借走利用業(yè)余時(shí)間開(kāi)發(fā)，還可以組成開(kāi)發(fā)小組在實(shí)驗(yàn)室集體開(kāi)發(fā)，為學(xué)生學(xué)習(xí)掌握運(yùn)用DSP技術(shù)提供了保障。實(shí)現(xiàn)了理論學(xué)習(xí)向?qū)嶒?yàn)技能、創(chuàng)新研究的轉(zhuǎn)變。利用網(wǎng)絡(luò)資源構(gòu)建數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生提供豐富的數(shù)字信號(hào)處理環(huán)境，且減少了實(shí)驗(yàn)器件的損耗，配置靈活且擴(kuò)展性好，開(kāi)發(fā)周期短［8］。

4 注重學(xué)習(xí)過(guò)程，改革考核方法

目前考試著眼于考核學(xué)生套用公式的能力和計(jì)算能力，勢(shì)必造成學(xué)生以應(yīng)試為目的，而忽略了能力的培養(yǎng)且不能反映學(xué)生的實(shí)際水平。改革考核方法勢(shì)在必行。改變過(guò)去重知識(shí)輕能力、重理論輕實(shí)踐的做法。對(duì)學(xué)生知識(shí)和能力進(jìn)行綜合考核，注重學(xué)習(xí)過(guò)程淡化期末考試成績(jī)?？荚嚥捎冒腴_(kāi)卷的方式(即公式可帶入考場(chǎng))，學(xué)習(xí)的重點(diǎn)就自然轉(zhuǎn)移到應(yīng)用能力上。對(duì)學(xué)生所有學(xué)習(xí)過(guò)程包括平時(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)踐環(huán)節(jié)、課程設(shè)計(jì)都進(jìn)行考核?？己顺煽?jī)采用平時(shí)成績(jī)、課堂小測(cè)驗(yàn)、大作業(yè)、小論文、實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、期末考試等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生清楚地認(rèn)識(shí)到每一個(gè)環(huán)節(jié)都是不可忽視的。

5 加強(qiáng)隊(duì)伍建設(shè)，研討教學(xué)改革

加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)，不斷提高教師的整體素質(zhì)、業(yè)務(wù)水平和科研能力是課程改革的前提。我們經(jīng)常組織調(diào)研交流和觀摩聽(tīng)課，取長(zhǎng)補(bǔ)短。注重將電子教案編制、CAD課件、多媒體技術(shù)等現(xiàn)代化的教學(xué)手段及最新科技成果運(yùn)用到講課中去，重視創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。針對(duì)我校學(xué)生實(shí)際情況，教師積極做好課前準(zhǔn)備工作，包括修改完善教學(xué)大綱、認(rèn)真鉆研教材;教學(xué)過(guò)程中探討教學(xué)法，并與學(xué)生交流討論學(xué)習(xí)方法、心得體會(huì)，探討課堂得失，掌握學(xué)習(xí)需求并及時(shí)總結(jié)汲取經(jīng)驗(yàn)［9］。目前我們正在準(zhǔn)備編寫(xiě)配套的習(xí)題集。

綜上所述，數(shù)字信號(hào)處理課程在電子專業(yè)各教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用，優(yōu)化該課程體系、豐富教學(xué)手段、運(yùn)用多樣化的實(shí)踐教學(xué)、改革考核方法及加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)等環(huán)節(jié)都會(huì)影響課程教學(xué)效果，只有對(duì)各環(huán)節(jié)總體規(guī)劃、協(xié)調(diào)建設(shè)和改革，才能取得更好的教學(xué)效果。實(shí)踐表明，該探索和嘗試能夠提高數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)質(zhì)量和效果，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情和興趣，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，得到了大多數(shù)學(xué)生的認(rèn)可。

［1］張瑞，李歆.數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)環(huán)節(jié)的改革研究與實(shí)踐［J］.安徽教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(11):30-34.

［2］丁玉美.數(shù)字信號(hào)處理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003:3-5.

［3］王霞，高軍萍.MATLAB在數(shù)字信號(hào)課程教學(xué)改革中的應(yīng)用［J］.河北工業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)報(bào)，2005(3):12-14.

［4］趙知?jiǎng)牛瑒㈨樚m.數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2007:1-5.

［5］唐介.面向21世紀(jì)電工電子系列課程教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革的研究與實(shí)踐總結(jié)［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2001，23(4):11-14.

［6］楊述斌.數(shù)字信號(hào)處理實(shí)踐教學(xué)的層次設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009(2):123-125.

［7］高軍萍.數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革的探索與體會(huì)［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007(2):19-21.

［8］楊鑒，等.“數(shù)字信號(hào)處理”精品課程建設(shè)的幾點(diǎn)體會(huì)［J］.中國(guó)電子教育，2008(4):64-66.

［9］朱立，等.《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課程教學(xué)模式創(chuàng)新探討［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版，2011，30(1):77-80.

Exploration and Practice of Teaching Reform on Digital Signal Processing

YU Ying， XIAO Jing， LIU Shu-bo
(Yangtze College，East China Iustitute of Technology，F(xiàn)uzhou344000，China)

Digital Signal Processing is a rather theoretical and abstract course.Based on the current study situation of students of East China Institute of Technology，thoughts on reform of course construction of DSP are put forward.We should integrate teaching material，optimize curriculum system，enrich teaching methods，employ diversified practical teaching models，reform assessment methods and strength teachers’training.We should also develop students’hands－on ability and problem solving capability.The teaching reform turns out to achieve good results in practice.

digital signal processing;teaching reform;practical teaching

G642

A

1674-3512(2011)03-0294-03

2011-05-23

江西省教改課題資助項(xiàng)目(JXJG－09－80－9)。

余 穎(1975—)，女，江西高安人，講師，主要從事電子、信號(hào)處理研究。