王恩亮 盧勝

摘要： 針對(duì)一般本科高校數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中存在的問題，本文提出了理論教學(xué)結(jié)合工程應(yīng)用，并采用知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的方法，實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法等教學(xué)方法上的改革，并對(duì)考核評(píng)價(jià)方式進(jìn)行了改革探索、實(shí)踐證明，這些教學(xué)改革措施能夠有效地提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理 教學(xué)方法 考核方式 知識(shí)結(jié)構(gòu)圖

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)基本理論和方法的迅猛發(fā)展及廣泛應(yīng)用，“數(shù)字信號(hào)處理”已經(jīng)成為科學(xué)和工程領(lǐng)域最熱門的技術(shù)之一，數(shù)字信號(hào)處理課程也成為國內(nèi)外電子、通信、計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制等專業(yè)的專業(yè)必修課程；筆者根據(jù)應(yīng)用型本科高校學(xué)生的特點(diǎn)對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)方法以及考核評(píng)價(jià)方式進(jìn)行改革和實(shí)踐。

“數(shù)字信號(hào)處理”課程一方面以高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)及信號(hào)與系統(tǒng)等課程為基礎(chǔ)，同時(shí)又是相關(guān)專業(yè)后繼課程如DSP原理及應(yīng)用、數(shù)字圖像處理等專業(yè)課程的先修課程，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用。該課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、概念抽象，涉及大量的數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，內(nèi)容比較枯燥，課程長期以來一直處于教師難教、學(xué)生更難學(xué)的境況。具體體現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)缺乏整體把握，對(duì)各知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系模糊，理論與實(shí)踐相脫節(jié)，學(xué)生不能深入理解概念及了解在生活中的實(shí)際應(yīng)用，直接導(dǎo)致學(xué)生考前突擊背公式應(yīng)付考試，由于沒有真正學(xué)懂，使得該課程的合格率不高；同時(shí)學(xué)生的動(dòng)手能力差，學(xué)習(xí)興趣和積極性不高。針對(duì)目前一般本科中存在的這些問題，從教學(xué)方法和考核方式上進(jìn)行了改革和實(shí)踐，取得了一些成效。

1教學(xué)方法的改革

1.1注重知識(shí)結(jié)構(gòu)圖在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

知識(shí)結(jié)構(gòu)圖是指把所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整理并制成比較系統(tǒng)完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖示，它在心理學(xué)中被稱為知識(shí)網(wǎng)絡(luò)圖。每章內(nèi)容開始前先構(gòu)造本章內(nèi)容的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，采用知識(shí)結(jié)構(gòu)圖表達(dá)知識(shí)線索，使得知識(shí)線索清晰可見，學(xué)生對(duì)一章知識(shí)點(diǎn)有一個(gè)整體的和宏觀的感性認(rèn)識(shí)，待一章結(jié)束后，將知識(shí)點(diǎn)的架構(gòu)圖重新拿出來復(fù)習(xí)，有助于學(xué)生自我檢驗(yàn)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，從而提高數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)效果。以下是構(gòu)造的部分章節(jié)的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。

1.1.1離散傅里葉變化和快速傅里葉變換的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖

本章的教學(xué)目標(biāo)是掌握DFT、DFS及其性質(zhì)，熟悉幾種卷積過程以及他們之間的關(guān)系，掌握FFT算法的運(yùn)算量以及常見算法的原理和特點(diǎn)，并掌握FFT算法的應(yīng)用。

1.1.2 IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖

這一部分內(nèi)容重點(diǎn)是IIR數(shù)字濾波器的基本概念、分類、特點(diǎn)以及IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)思路和方法、設(shè)計(jì)步驟和原理。

1.1.3 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖

FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是因果可實(shí)現(xiàn)。其重點(diǎn)知識(shí)包括線性相位和具體設(shè)計(jì)方法及過程。

1.2注重理論教學(xué)與工程應(yīng)用結(jié)合

數(shù)字信號(hào)處理理論性性強(qiáng)且數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)較多，如果教師上課只注重?cái)?shù)學(xué)分析，忽視其工程實(shí)踐應(yīng)用的講解，很容易變成一門枯燥的課程，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。因此數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)時(shí)可以將看似復(fù)雜的理論知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)例結(jié)合，對(duì)于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、鞏固基礎(chǔ)知識(shí)是最好的方法。

為了說明信號(hào)的采樣與重建理論，可以以生活中的CD唱片的制作和播放過程為例，聲音是模擬信號(hào)，在CD唱片制作時(shí)首先要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這就需要采樣，而在CD唱片播放時(shí)，又是對(duì)數(shù)字信號(hào)的解調(diào)。卷積算法是數(shù)字信號(hào)處理的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，講解這個(gè)知識(shí)點(diǎn)首先要讓學(xué)生知道它在生活中的應(yīng)用，如移動(dòng)通話中回聲是經(jīng)常存在的，通常降低或消除回聲的辦法就是利用回聲估計(jì)器與接收路徑上的話音流進(jìn)行卷積，得到一個(gè)回聲的估計(jì)值，再利用減法器減掉這個(gè)估計(jì)值。濾波器的講解可以以心電圖檢查消除工頻干擾為案例進(jìn)行教學(xué)。此外采用類比方式講解，也能夠很好地幫助學(xué)生理解，如數(shù)字濾波器可以比作一個(gè)篩沙子的篩子，篩沙的過程就是將細(xì)沙子選出來，石頭和大沙子留在篩子上面，而數(shù)字濾波器的處理過程也是提取有用信號(hào)，噪音則不能通過，如此類比，既形象又易記憶。

1.3實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法

“任務(wù)驅(qū)動(dòng)”教學(xué)法，簡單地說，就是“力求以任務(wù)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)際任務(wù)為核心，提出問題及要求，引導(dǎo)學(xué)生思考，它適用于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和獨(dú)立分析問題、解決問題的能力。它強(qiáng)調(diào)，學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)必須與任務(wù)或問題相結(jié)合，以探索問題來引導(dǎo)和維持學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī)。通俗的說，也就是在教學(xué)過程中，以完成一個(gè)個(gè)具體的任務(wù)為線索，把教學(xué)內(nèi)容巧妙地隱含在每個(gè)任務(wù)之中。每個(gè)實(shí)驗(yàn)相當(dāng)于一個(gè)總的任務(wù)，教師在實(shí)驗(yàn)課前將任務(wù)要求和思考題下發(fā)給學(xué)生，學(xué)生以組為單位將任務(wù)分解成子任務(wù)，學(xué)生根據(jù)各自的任務(wù)和要求查閱資料，完成程序代碼的編寫，要求學(xué)生做好實(shí)驗(yàn)課前的充分準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行編程和調(diào)試以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，并對(duì)思考題進(jìn)行討論。

以音頻信號(hào)處理的實(shí)驗(yàn)為例，這是一個(gè)綜合性的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生完成語音的錄入與打開，以及語音的回放，全程對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行分析，為完成任務(wù)學(xué)生提前查閱查資料，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，學(xué)生自由組合，2～3人一組看書討論，分解任務(wù)，一步一步完成，每組做完后派一個(gè)代表演示講解，在這樣的刺激下，“驅(qū)使”學(xué)生認(rèn)真并迅速地完成任務(wù)。通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)法學(xué)生能充分掌握語音錄入及回放的MATLAB編程，并能深入理解了采樣、濾波器等數(shù)字信號(hào)處理理論。

實(shí)踐證明，任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法能夠很好應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。在很大程度上提高了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。

2考核評(píng)價(jià)方式的改革

考試方式改革是課程建設(shè)及教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，也是因材施教，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和開展創(chuàng)新教育的重要手段。加強(qiáng)課程考核方式的改革，是教學(xué)改革的必要體現(xiàn)。數(shù)字信號(hào)處理課程理論性強(qiáng)，應(yīng)用型強(qiáng)，抽象難以理解。運(yùn)用MATLAB軟件仿真能夠有效幫助理解和運(yùn)用相關(guān)知識(shí)點(diǎn)?！稊?shù)字信號(hào)處理》課程的傳統(tǒng)考核方式是考試，期末考試成績（70%）+平時(shí)成績（30%），平時(shí)成績包含考勤、作業(yè)、課上表現(xiàn)情況。在傳統(tǒng)考核方式下多數(shù)學(xué)生只注重最后的理論考核成績，對(duì)實(shí)驗(yàn)重視不夠，無法很好地貫徹以培養(yǎng)應(yīng)用能力為主的實(shí)踐教學(xué)。且學(xué)生平時(shí)過程考核不夠具體化，學(xué)生平時(shí)成績差距不大。

2.1考核方式改革的基本思路

為了使學(xué)生注重平時(shí)的學(xué)習(xí)過程，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用能力，我們逐步對(duì)該課程進(jìn)行考核方式的改革。（1）平時(shí)過程考核具體化，含有隨堂測試、考勤、作業(yè)、課上回答問題情況等。學(xué)生學(xué)習(xí)該課程，普遍覺得理論難，應(yīng)用模糊，總評(píng)成績一定程度考慮實(shí)驗(yàn)成績，綜合全面。（2）逐步調(diào)整理論成績與平時(shí)過程考核及實(shí)驗(yàn)考核的比例，強(qiáng)化過程性的考核，淡化期末考試。通過考試制度的改革，調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)教師深入開展教學(xué)活動(dòng)，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，提高教學(xué)效果。注重平時(shí)實(shí)踐教學(xué)的考核，提高學(xué)生對(duì)實(shí)踐動(dòng)手能力的提高。

2.2考核方式改革的具體方案

2.2.1對(duì)該課程采取平時(shí)占20%，期末占50%，實(shí)驗(yàn)占30%的核算方法。加大平時(shí)成績和實(shí)驗(yàn)成績比例，拉大差距，利于課程進(jìn)行平時(shí)和實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)格管理和考核方式多樣化。

2.2.2平時(shí)成績由原來的教師自定或忽略不計(jì)，轉(zhuǎn)為平時(shí)成績具體化，教師在平時(shí)的考核上進(jìn)行改革和完善，平時(shí)分由隨堂測試、考勤、作業(yè)、課上回答問題情況等構(gòu)成，提高平時(shí)實(shí)踐性分值，利于引導(dǎo)學(xué)生多參加實(shí)踐活動(dòng)。

2.2.3增加實(shí)驗(yàn)考核環(huán)節(jié)。選取兩個(gè)設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，以組為單位，考察每組學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的情況，再根據(jù)具體項(xiàng)目的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成績評(píng)定。主要考核學(xué)生對(duì)該軟件的掌握與使用情況，以及仿真調(diào)試結(jié)果，軟件仿真主要看學(xué)生編寫程序的思路；其次學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫也能從一定程度上反應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度。實(shí)驗(yàn)成績以五分制（優(yōu)、良、中、及格、不及格）計(jì)算，并將其30%的比例納入總評(píng)成績。

2.3考核方式改革的成果及不足

2.3.1 通過初步改革，從總評(píng)成績來看，學(xué)生及格率有明顯的提升，由原來的80%提高到現(xiàn)在的95%。從課上效果來看，改善了平時(shí)不學(xué)習(xí)、不聽課，到期末通過死記硬背達(dá)到優(yōu)良的現(xiàn)象發(fā)生，使學(xué)生更注重平時(shí)的表現(xiàn)，積極參與課堂的討論，積極回答問題，并認(rèn)真思考每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)在實(shí)際中的應(yīng)用，一定程度上改變了以前那種靠死記硬背能考好、不需要聽課理解就能考好的學(xué)習(xí)態(tài)度，同時(shí)使得認(rèn)真聽講的學(xué)生與不認(rèn)真聽講的學(xué)生在分?jǐn)?shù)的分配上更趨于合理，更重要是調(diào)動(dòng)了學(xué)生們平時(shí)學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)，也引導(dǎo)學(xué)生注重實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，改變學(xué)習(xí)觀念。該課程考核方式的改革，已初見成效。

2.3.2 通過課程考核方式的改革，數(shù)字信號(hào)處理課程的實(shí)驗(yàn)效果有了明顯提高，學(xué)生對(duì)實(shí)踐教學(xué)的態(tài)度有了深刻認(rèn)識(shí)，也增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐參與強(qiáng)化意識(shí)，對(duì)培養(yǎng)實(shí)用型人才起到了保證作用。

2.3.3 在實(shí)踐過程中，也發(fā)現(xiàn)一些不足。考核方式改革的著力點(diǎn)主要是過程和零散點(diǎn)，評(píng)價(jià)學(xué)生的主要標(biāo)準(zhǔn)還是期末成績，期末成績占的比例還是偏大，學(xué)生對(duì)教師的平時(shí)分還有不重視傾向，期末猛看筆記，猛學(xué)，淘以往試卷等現(xiàn)象嚴(yán)重，說明考核的力度不夠大，如果設(shè)立平時(shí)成績不及格就不準(zhǔn)參加期末考試，也許會(huì)糾正這一現(xiàn)象，但也會(huì)出現(xiàn)教師平時(shí)過于隨意，存在考試不公現(xiàn)象。

3結(jié)束語

由于“數(shù)字信號(hào)處理”理論涉及面廣，該學(xué)科領(lǐng)域的理論與實(shí)踐研究發(fā)展迅速，技術(shù)應(yīng)用范圍日益擴(kuò)展，教學(xué)內(nèi)容更新快。因此，如何在教學(xué)中更好地發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考及提高學(xué)生獲取知識(shí)的能力和分析能力，增強(qiáng)數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)效果，還有待進(jìn)一步的實(shí)踐和探索。

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