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應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式下的《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)探究

2019-11-07 01:47孔令杰
關(guān)鍵詞:MATLAB軟件數(shù)字信號(hào)處理實(shí)踐性教學(xué)

摘 ? 要:《數(shù)字信號(hào)處理》是電子信息類(lèi)相關(guān)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程,在電子信息類(lèi)應(yīng)用型人才培養(yǎng)方面有著重要作用。為使學(xué)生理解與掌握該課程中的基本概念和基本原理,文章在《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)中,采用了傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)合Matlab仿真軟件加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)的方法。教學(xué)實(shí)踐表明,引入Matlab軟件既豐富了教師的教學(xué)手段,又幫助學(xué)生鞏固了所學(xué)的理論知識(shí),有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與積極性,獲得了滿(mǎn)意的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞:數(shù)字信號(hào)處理;應(yīng)用型人才;Matlab軟件;實(shí)踐性教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào):TN911.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1673-8454(2019)19-0077-05

一、引言

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)應(yīng)用型人才做了詳盡的研究。目前接受較為廣泛的一種觀(guān)點(diǎn)是,根據(jù)發(fā)現(xiàn)規(guī)律、轉(zhuǎn)化應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐的過(guò)程,將人才分為三類(lèi):學(xué)術(shù)型、應(yīng)用型和技能型。學(xué)術(shù)型人才主要面向純學(xué)術(shù)、純理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和探究;技能型人才主要面向?qū)嵺`能力的訓(xùn)練;應(yīng)用型人才則是指不僅具有扎實(shí)理論知識(shí),還具有較強(qiáng)實(shí)踐技能,并能夠熟練將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐的人才。地方高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)對(duì)學(xué)生知識(shí)的構(gòu)建、能力的訓(xùn)練、素質(zhì)的提高都有較高層次的要求,重點(diǎn)突出實(shí)踐應(yīng)用能力強(qiáng)、自主學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、具有進(jìn)一步發(fā)展?jié)摿Φ奶攸c(diǎn)[1-2]。

《數(shù)字信號(hào)處理》課程是高等院校電子信息類(lèi)及相近學(xué)科一門(mén)重要的理論與實(shí)踐、原理與應(yīng)用緊密結(jié)合的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。從培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)素質(zhì)角度來(lái)講,該課程開(kāi)設(shè)時(shí)間大致安排在第四、五學(xué)期,其授課對(duì)象也正好處于從學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識(shí)階段轉(zhuǎn)向?qū)I(yè)技能形成階段,學(xué)習(xí)與該課程相關(guān)的理論知識(shí)、基本技能和基本方法,不僅對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力起到關(guān)鍵的促進(jìn)作用,還能夠?yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程及應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[3]。但是由于該課程公式繁雜、理論性強(qiáng),使得大部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程當(dāng)中,難以理解與掌握該課程中的基本概念和基本原理,普遍產(chǎn)生了厭學(xué)和畏難情緒,從而也增加了該課程的教學(xué)難度[4]。因此,如何幫助學(xué)生理解、掌握《數(shù)字信號(hào)處理》課程中的基本概念、基本原理和基本方法,切實(shí)提高學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力,儼然成為了該課程教學(xué)任務(wù)中的一個(gè)急需解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。所以,要學(xué)好這門(mén)課,需要在教學(xué)實(shí)踐中加深對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》課程中基本概念和基本原理的理解。

鑒于此,本文提出在《數(shù)字信號(hào)處理》課程的傳統(tǒng)教學(xué)基礎(chǔ)上,將Matlab仿真軟件引入到該課程的教學(xué)過(guò)程中。通過(guò)結(jié)合Matlab仿真軟件的直觀(guān)性、實(shí)踐性教學(xué),對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》課程中晦澀難懂、抽象復(fù)雜的理論知識(shí)進(jìn)行Matlab軟件仿真,使得有關(guān)基本概念、基本性質(zhì)和基本原理的知識(shí)能以直觀(guān)的圖形樣式展示出來(lái)。這樣一來(lái),即有利于學(xué)生掌握課程知識(shí),又能將學(xué)生從繁瑣冗長(zhǎng)的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)中解脫出來(lái),提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和積極性,從而達(dá)到應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求。

二、《數(shù)字信號(hào)處理》課程特點(diǎn)

在《數(shù)字信號(hào)處理》課程傳統(tǒng)教學(xué)的過(guò)程中,極易出現(xiàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解困難、學(xué)習(xí)枯燥無(wú)味及教學(xué)效果差等現(xiàn)象,這也是與該課程自身獨(dú)具的“三難”特點(diǎn)緊密相關(guān)的?!稊?shù)字信號(hào)處理》課程的特點(diǎn)具體如下所述[5-6]。

1.高等數(shù)學(xué)知識(shí)多,數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)難

該課程涉及高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)等理論知識(shí),對(duì)學(xué)生相應(yīng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求比較高。如該課程中的傅里葉級(jí)數(shù)、Z變換、快速傅里葉變換FFT、時(shí)域和頻域抽樣定理、利用DFT對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析等內(nèi)容,都有大量繁多的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)。由于這些教學(xué)內(nèi)容本質(zhì)上來(lái)講都是一種數(shù)學(xué)方法,完全可以通過(guò)借助通用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此,并不要求學(xué)生掌握課程中大部分繁雜的公式推導(dǎo),只需理解相應(yīng)的物理含義即可。

2.教學(xué)內(nèi)容廣,掌握重點(diǎn)難

由于該課程涉及內(nèi)容廣且理論抽象,因此,使得該課程教學(xué)量偏大、重點(diǎn)知識(shí)難以掌握。具體表現(xiàn)在:作為學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)“時(shí)域離散信號(hào)”和“系統(tǒng)的頻域分析”這兩章教學(xué)內(nèi)容與前期“信號(hào)與系統(tǒng)”課程有較強(qiáng)的連貫性;離散傅里葉變換和快速傅里葉變換不僅是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的核心算法,也是該課程教學(xué)內(nèi)容中的重難點(diǎn)知識(shí);而對(duì)于無(wú)限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器和有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)內(nèi)容,則屬于綜合應(yīng)用知識(shí),意在促進(jìn)學(xué)生將知識(shí)學(xué)以致用,發(fā)揮動(dòng)手實(shí)踐的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

3.基本概念抽象,物理含義理解難

該課程具有較強(qiáng)的理論性,故基本概念較抽象。學(xué)生對(duì)該課程中所涉及的諸多變換:如離散傅里葉變換DFT、快速傅里葉變換(FFT)、Z變換等概念理解不透、易混淆,特別是對(duì)各種變換的物理含義及其兩者之間的關(guān)系把握不到位,從而難以掌握數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的基本分析方法。

三、加強(qiáng)Matlab的實(shí)踐性教學(xué)分析

1.Matlab軟件簡(jiǎn)介

Matlab軟件由MathWorks公司推出,是一款基于數(shù)值計(jì)算及交互式的可編程、可視化軟件,被廣泛應(yīng)用于科學(xué)工程領(lǐng)域的數(shù)值計(jì)算、分析、設(shè)計(jì)和模擬等過(guò)程。近年來(lái),該軟件已成為一種進(jìn)行信號(hào)處理的標(biāo)準(zhǔn)化軟件,也是一種國(guó)際公認(rèn)的仿真開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)平臺(tái),其主要特點(diǎn)具體如下所述[7-8]。

(1)編程語(yǔ)句簡(jiǎn)單、效率高,具有便捷、完善的繪圖功能以及先進(jìn)的可視化工具。

(2)方便、高效的矩陣與數(shù)組運(yùn)算功能,可以幫助用戶(hù)從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算中節(jié)省大量時(shí)間。

(3)可擴(kuò)展能力強(qiáng),自帶眾多面向各種工程應(yīng)用領(lǐng)域的工具箱。

在Matlab軟件中,數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程的仿真與分析是通過(guò)M函數(shù)編程來(lái)完成的,這些M函數(shù)一般由數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的權(quán)威專(zhuān)家來(lái)進(jìn)行編寫(xiě),可以被直接調(diào)用。因此,只要用戶(hù)理解了《數(shù)字信號(hào)處理》課程中的基本概念、基本原理和基本方法,就能夠使用Matlab軟件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理、仿真與分析工作。

2.Matlab實(shí)踐性教學(xué)的作用

Matlab仿真軟件在《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)中的作用主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面[9]。

(1)在學(xué)生進(jìn)行有關(guān)數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)后,教師可以通過(guò)Matlab仿真軟件的編程,直觀(guān)、生動(dòng)地演示出相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)結(jié)果,以便有效地幫助學(xué)生理解和掌握隱含在數(shù)學(xué)公式中的物理意義。

(2)針對(duì)該課程的課后練習(xí)題,學(xué)生可以通過(guò)Matlab仿真軟件快捷地完成難以用書(shū)面形式完成的作業(yè),從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

(3)利用綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),充分發(fā)揮學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的主動(dòng)性與創(chuàng)造性,使得學(xué)生能將所學(xué)知識(shí)學(xué)以致用,鍛煉學(xué)生獨(dú)立分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力,從而培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

3.課程教學(xué)引入Matlab軟件的必要性與可行性

《數(shù)字信號(hào)處理》課程是高等院校電子信息類(lèi)及相近學(xué)科學(xué)生進(jìn)行后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)的基石,其重要性是不容置疑的,將Matlab仿真軟件引入到該課程的教學(xué)并進(jìn)行相應(yīng)理論知識(shí)的仿真演示不僅是完全必要的,也是完全可行的[10-11]。

(1)必要性表現(xiàn):一方面,該課程具有較強(qiáng)的理論性,且公式推導(dǎo)繁多,造成學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí),普遍產(chǎn)生概念抽象、難以理解透徹的不良感覺(jué)。另一方面,學(xué)生也難以將知識(shí)學(xué)以致用,即對(duì)于怎樣去解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題常感到無(wú)所適從,進(jìn)而難以建立起學(xué)習(xí)該課程的興趣。因此,為了提高該課程的教學(xué)質(zhì)量,幫助學(xué)生理解和掌握《數(shù)字信號(hào)處理》課程中的基本概念、基本理論以及基本分析方法,迫切需要在該課程教學(xué)過(guò)程中,打破單一傳統(tǒng)的板書(shū)教學(xué)模式,淡化公式的推導(dǎo),強(qiáng)化基本概念的建立、基本理論的理解與基本分析方法的掌握,強(qiáng)調(diào)學(xué)以致用與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

(2)可行性表現(xiàn):Matlab軟件集矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析、信號(hào)處理和圖形顯示等功能于一體,它在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在符號(hào)運(yùn)算和數(shù)值計(jì)算的仿真與分析兩個(gè)方面。其中數(shù)值計(jì)算的仿真與分析又包括函數(shù)的運(yùn)算、函數(shù)波形的繪制、信號(hào)的時(shí)頻域分析等內(nèi)容,它可以幫助學(xué)生更加深刻、清晰地理解和掌握《數(shù)字信號(hào)處理》課程中相關(guān)的理論知識(shí)。利用Matlab軟件便捷的繪圖功能和先進(jìn)的可視化工具,還可以直觀(guān)生動(dòng)地呈現(xiàn)《數(shù)字信號(hào)處理》課程中相關(guān)理論知識(shí)所隱含的實(shí)際物理含義。

因此,本文提出將Matlab仿真軟件引入到《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)過(guò)程中來(lái),既能有效地解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中出現(xiàn)投入過(guò)多精力與教學(xué)任務(wù)目標(biāo)相偏離的矛盾,又能使學(xué)生從繁瑣冗長(zhǎng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算中解脫出來(lái)。這樣做,有利于學(xué)生將自身學(xué)習(xí)的重點(diǎn)聚焦在對(duì)課程基本概念、基本理論及基本方法的分析、理解與運(yùn)用上,有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,達(dá)到提升課程教學(xué)質(zhì)量的目的。

四、Matlab軟件在課程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證該方法的有效性和可行性,下面列舉時(shí)域抽樣與信號(hào)重建的仿真實(shí)例,對(duì)Matlab軟件在《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用加以說(shuō)明。

1.時(shí)域抽樣與信號(hào)重建的基本原理

離散時(shí)間信號(hào)通常是對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)-模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣獲得的。在進(jìn)行連續(xù)時(shí)間信號(hào)數(shù)字化處理的過(guò)程中,一般要經(jīng)過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換和低通濾波等過(guò)程,具體如圖1所示。其中,A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的作用是將連續(xù)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、編碼,之后變成數(shù)字信號(hào);而經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理后的數(shù)字信號(hào)則經(jīng)由D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器重新還原出原連續(xù)時(shí)間信號(hào)[12]。

如果A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出抽樣信號(hào)的頻譜發(fā)生混疊現(xiàn)象,則抽樣信號(hào)再經(jīng)過(guò)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器后就不能不失真地重新恢復(fù)成原連續(xù)時(shí)間信號(hào)。因此,在對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理的過(guò)程中,要使一有限帶寬信號(hào)xa(t)被抽樣后能夠不失真地還原出原連續(xù)時(shí)間信號(hào),就應(yīng)使抽樣信號(hào)p(t)的周期Ts及抽樣頻率Fs的取值之間滿(mǎn)足奈奎斯特抽樣定理?xiàng)l件,即若有限帶寬信號(hào)xa(t)的最高頻率為fm,則關(guān)系式Fs?叟2fm成立,同時(shí)也意味著?贅s?叟2?贅m。一個(gè)連續(xù)時(shí)間信號(hào)xa(t)及相應(yīng)的抽樣信號(hào) a(t)所對(duì)應(yīng)的頻譜如圖2所示。

由圖2可以看出,當(dāng)時(shí)Fs?叟2fm,抽樣信號(hào) a(t)經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器后,就能夠不失真地還原出原連續(xù)時(shí)間信號(hào);反之,抽樣信號(hào) a(t)的頻譜將發(fā)生一定程度的混疊現(xiàn)象,即抽樣信號(hào) a(t)經(jīng)過(guò)低通濾波器后,無(wú)法不失真地還原出原連續(xù)時(shí)間信號(hào)。下面,利用Matlab軟件編程對(duì)信號(hào)從抽樣到恢復(fù)的全過(guò)程進(jìn)行仿真演示。

2.對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行抽樣

為方便研究,該文選擇兩個(gè)正弦頻率疊加的帶限信號(hào)作為研究對(duì)象[13]。已知原連續(xù)信號(hào)y(t)=sin(2?仔f0t)+ sin(6?仔f0t),f0=1Hz,取最高有限帶寬頻率fm=5f0,則原連續(xù)信號(hào)及在采樣頻率Fs<2fm、Fs=2fm和Fs>2fm三種情況下的抽樣信號(hào)如圖3所示。

3.連續(xù)信號(hào)和抽樣信號(hào)的頻譜

依據(jù)上述基本原理可得出,抽樣信號(hào)能否恢復(fù)還原出原模擬信號(hào)可以由原模擬信號(hào)的頻譜圖直觀(guān)地反映出來(lái)。因此,對(duì)采樣頻率Fs<2fm、Fs=2fm和Fs>2fm三種情況下的抽樣信號(hào)求其頻譜,并進(jìn)一步證明時(shí)域抽樣定理的正確性,抽樣信號(hào)的頻譜如圖4所示。

由圖4可見(jiàn),當(dāng)Fs?叟2fm時(shí),抽樣信號(hào)的頻譜不發(fā)生混疊現(xiàn)象;反之,抽樣信號(hào)的頻譜發(fā)生混疊現(xiàn)象,并且頻譜出現(xiàn)鏡像對(duì)稱(chēng)的部分。

4.由內(nèi)插公式重建信號(hào)

只要滿(mǎn)足奈奎斯特抽樣定理?xiàng)l件的信號(hào) a(t)經(jīng)過(guò)一個(gè)理想的低通濾波器,就可以濾除原信號(hào)有限帶寬以外的頻率部分,進(jìn)而重建信號(hào)xa(t),其具體重建過(guò)程如圖5(a)所示。

理想低通濾波器的單位脈沖響應(yīng)為:

由式(2)可見(jiàn),信號(hào)xa(t)可以通過(guò)抽樣值xa(nT)和內(nèi)插函數(shù)進(jìn)行重構(gòu),其重構(gòu)過(guò)程可用Matlab軟件中的sinc函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在采樣頻率Fs<2fm、Fs=2fm和Fs>2fm三種情況下,用內(nèi)插公式重建信號(hào)的結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出,當(dāng)Fs?叟2fm時(shí),重建的信號(hào)與原連續(xù)信號(hào)的波形趨勢(shì)是一致的,且在Fs>2fm時(shí),兩者的波形幾乎是可以重疊的。

由以上仿真結(jié)果可以看出,對(duì)單一傳統(tǒng)板書(shū)式的課堂教學(xué)進(jìn)行改革,將Matlab仿真軟件引入到《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)中,進(jìn)行直觀(guān)性、實(shí)踐性教學(xué),不僅能方便快捷地得到用內(nèi)插公式重建的信號(hào),也使學(xué)生加深了對(duì)信號(hào)從抽樣到恢復(fù)全過(guò)程的理解,克服了奈奎斯特抽樣定理理論上的空洞講解,增強(qiáng)了定理的可信度。教學(xué)實(shí)例也表明,在《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)中引入Matlab仿真軟件的方法,顯著壓縮了課程教學(xué)中的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)過(guò)程,在節(jié)約寶貴時(shí)間的同時(shí),既能方便教師輕松突破難點(diǎn),也能方便學(xué)生順利學(xué)習(xí),使學(xué)生能夠清清楚楚、快速地理解和掌握課程中相應(yīng)的理論知識(shí),極大地提高了課程的教學(xué)效果。

五、結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)主要以課堂理論講解為主,常采用單一教師講授的教學(xué)方法,給學(xué)生帶來(lái)枯燥、乏味的感覺(jué),難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐操作能力,導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)該課程的動(dòng)力和熱情。同時(shí),這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法也嚴(yán)重偏離了應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的基本要求:“以應(yīng)用為主導(dǎo),以滿(mǎn)足社會(huì)需求為導(dǎo)向,強(qiáng)調(diào)實(shí)踐性、應(yīng)用性和技術(shù)性?!币虼?,進(jìn)行《數(shù)字信號(hào)處理》課程教學(xué)改革是一項(xiàng)艱巨的任務(wù),也是一個(gè)與時(shí)俱進(jìn)的過(guò)程,需要廣大一線(xiàn)教師不斷轉(zhuǎn)變教育理念、改進(jìn)教學(xué)方法。

本文所述仿真實(shí)例表明,將傳統(tǒng)理論教學(xué)與Matlab仿真軟件的實(shí)踐性教學(xué)相結(jié)合,并將其引入 《數(shù)字信號(hào)處理》課程的教學(xué)過(guò)程中來(lái),一方面豐富了教師的教學(xué)手段,增強(qiáng)了課程教學(xué)的形象直觀(guān)性,提高了教學(xué)效率;另一方面促使學(xué)生更加直觀(guān)、透徹地領(lǐng)會(huì)了課程中抽象的理論知識(shí),便于學(xué)生從感性認(rèn)識(shí)逐步深入到理性認(rèn)識(shí)。該教學(xué)模式進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)和靈活應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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(編輯:王曉明)

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