摘要：針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程數(shù)學(xué)理論性強(qiáng)，概念抽象，教學(xué)中算法公式推導(dǎo)繁瑣，學(xué)生難理解掌握等特點(diǎn)，提出啟發(fā)互動(dòng)的課堂教學(xué)形式和建模仿真實(shí)踐的教學(xué)方法對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程進(jìn)行教學(xué)改革實(shí)踐，從教與學(xué)兩個(gè)角度研究如何提高教學(xué)質(zhì)量。啟發(fā)互動(dòng)課堂教學(xué)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，仿真實(shí)訓(xùn)練習(xí)培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐編程設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)了工程素養(yǎng)，教學(xué)方法的應(yīng)用收到了良好的教學(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；教學(xué)方法；仿真實(shí)踐

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911.72-4；G642

1 引言

隨著信息類(lèi)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)用得到飛躍式發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理課程也已經(jīng)成為高等學(xué)校相關(guān)專(zhuān)業(yè)的必修課程[1]。但是“教的困難學(xué)得費(fèi)力”是這門(mén)課程普遍存在的問(wèn)題。數(shù)字信號(hào)處理先修課程有高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、信號(hào)與線性系統(tǒng)等，其教學(xué)特點(diǎn)是數(shù)學(xué)理論性強(qiáng)，概念抽象，理論推導(dǎo)繁瑣，比如快速傅里葉變換算法復(fù)雜難度大及濾波器設(shè)計(jì)多樣性，學(xué)生在理解和掌握中有一定的難度。另外，學(xué)生基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的差異也給教學(xué)帶來(lái)了一定的困難。因此如何在有限學(xué)時(shí)內(nèi)將基本原理、基本概念與分析方法傳授給學(xué)生是需要探索的。如果方法不當(dāng)，只是灌輸大量的具體知識(shí)，學(xué)生死記硬背教材上的推導(dǎo)和公式，并未理解掌握教學(xué)內(nèi)容，考試時(shí)勉強(qiáng)應(yīng)付，從而對(duì)該課程失去興趣。為了提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，筆者在近十年的教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、課堂教學(xué)模式和方法不斷改進(jìn)，摸索出一些便于學(xué)生理解和掌握的具體講法，提出啟發(fā)互動(dòng)與建模仿真實(shí)踐應(yīng)用在數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中，從教與學(xué)兩個(gè)角度對(duì)如何提高教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行研究。

2 教學(xué)改革方法和途徑

2.1 啟發(fā)互動(dòng)的課堂教學(xué)模式

傳統(tǒng)的教學(xué)是知識(shí)的“滿堂灌”。通常課堂教學(xué)中把教材作為學(xué)習(xí)的中心，教師講授引導(dǎo)進(jìn)行知識(shí)的傳授。這樣學(xué)生較少的參與到課堂教學(xué)，學(xué)習(xí)缺乏熱情和主動(dòng)性，思維受到限制。要讓學(xué)生對(duì)課程有興趣，必須思考設(shè)計(jì)課堂教學(xué)方法，在教學(xué)中給出學(xué)生問(wèn)題或者引導(dǎo)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)“問(wèn)題”，以問(wèn)題為教學(xué)起點(diǎn)，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生自主探索，在課堂教學(xué)中老師直接講授和啟發(fā)式提問(wèn)相結(jié)合，讓學(xué)生經(jīng)歷“提出問(wèn)題—思考研究—分析解決”的知識(shí)構(gòu)建過(guò)程。積極主動(dòng)地參與到課堂教學(xué)中。

同時(shí)課堂教學(xué)形式多樣化，教師課堂講解推導(dǎo)公式采用板書(shū)學(xué)生形式，仿真演示邊學(xué)邊驗(yàn)證、多媒體及動(dòng)畫(huà)演示等多種教學(xué)形式活躍課堂，激發(fā)學(xué)生對(duì)該課程的興趣，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。另外可采取專(zhuān)題討論的教學(xué)形式，把和數(shù)字信號(hào)處理有關(guān)聯(lián)的理論和技術(shù)分成小專(zhuān)題，提前把題目分給每個(gè)學(xué)生，請(qǐng)學(xué)生思考查閱資料做好準(zhǔn)備，課堂上發(fā)表見(jiàn)解，進(jìn)行專(zhuān)題討論，讓學(xué)生勇于表達(dá)自己的觀點(diǎn)，同時(shí)傾聽(tīng)其他學(xué)生的觀點(diǎn)也可擴(kuò)展思路，這對(duì)于學(xué)好課程及能力培養(yǎng)都有極大的幫助。

2.2 仿真實(shí)踐的教學(xué)方法

數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)容較多，但本科階段主要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)、分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，而不是灌輸大量的具體知識(shí)。培養(yǎng)這些能力的主要途徑是：打好理論基礎(chǔ)，掌握本學(xué)科的基本原理、基本概念與基本分析方法，學(xué)會(huì)使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)、分析、開(kāi)發(fā)、仿真與實(shí)驗(yàn)工具。使學(xué)生在有限的課時(shí)內(nèi)，通過(guò)學(xué)習(xí)、思考和仿真實(shí)驗(yàn)掌握基本知識(shí)。MATLAB軟件是國(guó)際公認(rèn)的信號(hào)處理標(biāo)準(zhǔn)軟件和仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用MATLAB可以使一些很難理解的抽象理論得到直觀演示解釋?zhuān)鉀Q各種復(fù)雜問(wèn)題的分析與計(jì)算等難題[1]。筆者在近十年的教學(xué)中，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程的課后作業(yè)要求學(xué)生用MATLAB軟件仿真實(shí)現(xiàn)，省去了學(xué)生較為繁瑣的筆算及較大的計(jì)算運(yùn)算量，而且提高了學(xué)生的編程能力，培養(yǎng)了工程素養(yǎng)，起到了事半功倍的作用。

（1）實(shí)施內(nèi)容

將仿真工具引入到數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)的過(guò)程中，從以下兩個(gè)途徑出發(fā)，一是結(jié)合教學(xué)理論進(jìn)程，基于課堂上的一些重要的核心知識(shí)點(diǎn)通過(guò)用仿真軟件將抽象的難以理解的理論知識(shí)用形象的圖形直觀地展現(xiàn)，學(xué)生在一定程度上可以輕松地掌握所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，提高其學(xué)習(xí)興趣。比如在課堂教學(xué)中，講授快速傅里葉變換時(shí)，減少理論推導(dǎo)證明，而著重講述它的理論應(yīng)用，仿真演示快速傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析，用FFT分析信號(hào)頻率成分。例如一被噪聲污染的信號(hào)，很難看出它所包含的頻率成分，如一個(gè)由100HZ和220HZ正弦信號(hào)構(gòu)成的信號(hào)，受到均值隨機(jī)噪聲的干擾，通過(guò)FFT來(lái)分析其信號(hào)頻率成分。利用仿真軟件可以快速的分析其頻率成分，仿真結(jié)果如圖1所示，直觀形象展示給學(xué)生，加深對(duì)FFT應(yīng)用的理解。

復(fù)雜的公式推導(dǎo)和結(jié)論讓同學(xué)們對(duì)頻率采樣理解不透徹，如果用仿真圖形演示如圖2頻域采樣，則會(huì)豁然開(kāi)朗，理解頻域采樣失真的原因，掌握頻率采樣定理。

二是給學(xué)生實(shí)踐任務(wù)，要求教材中的例題和課后習(xí)題用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)，給出習(xí)題求解程序及仿真運(yùn)行結(jié)果。這樣能讓學(xué)生熟悉信號(hào)處理的常用函數(shù)和編程設(shè)計(jì)技巧。另外，把學(xué)生分成小組，可讓學(xué)生合作開(kāi)發(fā)一個(gè)系統(tǒng)，如開(kāi)發(fā)數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，確定系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)由哪些模塊組成，模塊間的調(diào)用關(guān)系如何，需要哪些全局變量等。圖3為指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)發(fā)的傅里葉變換的GUI界面，學(xué)生不僅掌握了MATLAB的程序設(shè)計(jì)，而且掌握了離散傅里葉變換的理論和實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果。由此可以極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓每個(gè)學(xué)生投入到學(xué)習(xí)實(shí)踐中，培養(yǎng)了良好的合作、探索、完成工作的工程素養(yǎng)。

MATLAB仿真演示的教學(xué)效果，使數(shù)字信號(hào)處理中的抽象、難懂的基本概念和基本原理轉(zhuǎn)化成易懂、直觀的圖形圖像形式，較好地幫助學(xué)生理解課堂講授內(nèi)容[2]。

數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)是數(shù)字信號(hào)處理課程的重要內(nèi)容之一，在教學(xué)中理論推導(dǎo)復(fù)雜，計(jì)算量較大。而（FDATool Filter Design Analysis Tool）是simulink 信號(hào)處理工具箱里專(zhuān)用的濾波器設(shè)計(jì)工具，它把濾波器設(shè)計(jì)命令行功能集成在一個(gè)圖形用戶界面窗口中，如圖4所示，在圖中濾波器設(shè)計(jì)結(jié)果顯示區(qū)域在上半部分，它可顯示濾波器的幅頻響應(yīng)，其中濾波器類(lèi)型選項(xiàng)包括低通、高通、帶通、帶阻和特殊FIR的濾波器，設(shè)計(jì)指標(biāo)及性能控制區(qū)域在圖中的下半部分。

設(shè)計(jì)濾波器主要對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，結(jié)合信號(hào)的頻譜分析，理解濾波器的功能與作用。比如有一輸入信號(hào)x（t）中含有干擾信號(hào)，其時(shí)域波形如圖5（a）所示，對(duì)其FFT進(jìn)行頻譜分析如圖5 （b）所示，由圖可見(jiàn)，信號(hào)和干擾的頻帶互不重疊，設(shè)計(jì)如圖6（c）所示的低通濾波器濾除干擾，得到純凈信號(hào)，達(dá)到濾波的目的如圖6（d）所示。在該仿真中既進(jìn)行了濾波器設(shè)計(jì)，又有信號(hào)頻譜分析FFT的應(yīng)用，理論和實(shí)踐結(jié)合易于知識(shí)的理解掌握。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文是在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)內(nèi)容、課堂教學(xué)模式和方法不斷改進(jìn)，摸索出一些便于學(xué)生理解和掌握的具體講法，提出啟發(fā)互動(dòng)的課堂教學(xué)形式和建模仿真實(shí)踐的教學(xué)方法，對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐。啟發(fā)互動(dòng)的課堂教學(xué)模式使學(xué)生積極主動(dòng)參與到課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，更好的理解掌握本學(xué)科理論知識(shí)。仿真實(shí)踐練習(xí)培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手編程設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)了工程素養(yǎng)，教學(xué)方法的應(yīng)用收到了良好的教學(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 高西全，丁玉美.《數(shù)字信號(hào)處理》（第三版），西安電子科技大學(xué)出版社

[2]霍慧芝. MATLAB仿真在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中的應(yīng)用研究.大學(xué)教育，2013年24期

[3]陳懷琛，吳大正，高西全.MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2006

作者簡(jiǎn)介：

趙伶俐，女，1976年4月生，北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 副教授，主要從事的研究方向是信號(hào)與信息處理。