信號(hào)處理課程群教學(xué)改革和優(yōu)化的研究與實(shí)踐

陳愛(ài)萍，張可為，龍泳濤，林 愿

(湖南工程學(xué)院電氣信息學(xué)院，湖南湘潭411101)

信號(hào)處理系列課程是電子信息系統(tǒng)的專業(yè)理論基礎(chǔ)。為培養(yǎng)具有創(chuàng)造性的應(yīng)用型人材，湖南工程學(xué)院對(duì)信號(hào)處理課群的系列課程進(jìn)行整體規(guī)劃，重新構(gòu)建課程群。在設(shè)置課程體系、優(yōu)化整合理論和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)手段、建設(shè)網(wǎng)站、建設(shè)教材等方面進(jìn)行研究與探討。［1］

一 信號(hào)處理課程群的重新設(shè)置

信號(hào)處理課程群包含有信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、DSP原理與應(yīng)用、“數(shù)字圖像處理及系統(tǒng)仿真(MATLAB)等課程，是電子信息類專業(yè)的核心課程，以信號(hào)處理課程群為背景重構(gòu)信號(hào)處理系列課程體系，通過(guò)更新教學(xué)內(nèi)容，建設(shè)精品課程，完善了理論和實(shí)踐教學(xué)體系。［2，3］做到前后課程銜接好，左右課程結(jié)合好，突出了理論基礎(chǔ)、工程應(yīng)用、系統(tǒng)綜合的課程主線，建立了縱向傳承、橫向互補(bǔ)的課程體系。如將數(shù)字信號(hào)處理與系統(tǒng)仿真安排在同一學(xué)期教授，系統(tǒng)仿真可以輔助數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，數(shù)字信號(hào)處理的理論又為系統(tǒng)仿真課程服務(wù)，教學(xué)效果非常好。

二 優(yōu)化整合課程群理論教學(xué)內(nèi)容

在課程組織上，對(duì)整個(gè)課群進(jìn)行整體規(guī)劃，突出每門課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)課程的關(guān)聯(lián)性，避免課程之間內(nèi)容的重復(fù)，整合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

信號(hào)與系統(tǒng)課題突出理論基礎(chǔ)和考研優(yōu)勢(shì)，注重時(shí)域分析和變換域分析方法，強(qiáng)調(diào)傳里葉變換、拉普拉斯變換和z變換的數(shù)學(xué)概念、物理概念和工程概念，突出信號(hào)與系統(tǒng)概念，如信號(hào)頻譜和系統(tǒng)函數(shù)的概念，介紹工程應(yīng)用實(shí)例。［4，5］淡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程。在課堂教學(xué)中，引入MATLAB仿真軟件，實(shí)現(xiàn)圖形和數(shù)據(jù)相結(jié)合，便于學(xué)生加深理解所學(xué)知識(shí)。在此基礎(chǔ)，還可以建立教學(xué)網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)資源共享。［4，6］

數(shù)字信號(hào)處理課程突出信號(hào)處理算法研究，結(jié)合MATLAB軟件，理論教學(xué)的同時(shí)，注重軟件計(jì)算和仿真結(jié)果的分析。針對(duì)課程的理論知識(shí)抽象，數(shù)學(xué)知識(shí)多，學(xué)生很難理解與掌握的特點(diǎn)，在多媒體教學(xué)中采用MATLAB軟件進(jìn)行仿真演示，幫助學(xué)生理解和掌握基本概念，并使課堂教學(xué)生動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。如在用FFT作譜分析時(shí)會(huì)出現(xiàn)頻譜混疊現(xiàn)象、頻譜泄漏及柵欄效應(yīng)，用MATLAB演示這三種現(xiàn)象及改進(jìn)的方法非常生動(dòng)逼真;IIR和FIR濾波器的設(shè)計(jì)，淡化公式計(jì)算，強(qiáng)調(diào)MATLAB計(jì)算與設(shè)計(jì)方法。

DSP原理與應(yīng)用課程突出信號(hào)處理工程實(shí)現(xiàn)方法。該課程主要是介紹DSP的結(jié)構(gòu)、原理及編程，強(qiáng)調(diào)數(shù)字信號(hào)處理算法的工程實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字圖像處理課程突出科研優(yōu)勢(shì)。課程主要介紹數(shù)字圖像處理的基本理論和主要技術(shù)，包括圖像獲取、變換、增強(qiáng)、復(fù)原、彩色圖像處理、圖像編碼、壓縮、檢測(cè)與分割、圖像表示與描述、圖像識(shí)別等。課堂上結(jié)合MATLAB軟件進(jìn)行仿真演示。

系統(tǒng)仿真(MATLAB)課程主要介紹MATLAB的基礎(chǔ)知識(shí)及其在信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理和通信原理中的應(yīng)用。用于輔助數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

三 課程群實(shí)踐教學(xué)體系的建立

課程群內(nèi)課程都設(shè)有實(shí)踐環(huán)節(jié)，實(shí)踐方法包括軟件、硬件及軟硬件相結(jié)合進(jìn)行操作。實(shí)踐內(nèi)容的安排考慮到相關(guān)課程的前后銜接問(wèn)題。

信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用硬件實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)箱上完成，主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有零輸入響應(yīng)零狀態(tài)響應(yīng)、信號(hào)分解與合成、信號(hào)的采樣與恢復(fù)、無(wú)失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)、模擬濾波器分析、二階網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的模擬、二階系統(tǒng)的特性測(cè)量、二階網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)軌跡的分析、一階和二階系統(tǒng)的幅頻特性測(cè)試、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)頻響的影響、系統(tǒng)相平面的分析、模擬濾波器的設(shè)計(jì)等。［4］

數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)采用MATLAB軟件做仿真實(shí)驗(yàn)，主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有離散序列的產(chǎn)生運(yùn)算與分解、系統(tǒng)頻率響應(yīng)和單位脈沖響應(yīng)、信號(hào)系統(tǒng)及響應(yīng)、時(shí)域采樣定理和頻域采樣定理的驗(yàn)證、用FFT作譜分析、IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)、FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)等。

DSP原理與應(yīng)用采用軟件硬件結(jié)合的方法，在CCS集成環(huán)境下編程，下載到DSP實(shí)驗(yàn)箱上完成。主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有指示燈、撥碼開(kāi)關(guān)控制、定時(shí)器、中斷、發(fā)光二極管陣列顯示、液晶顯示器控制、音頻信號(hào)發(fā)生、FIR濾波器、IIR濾波器、FFT算法、卷積、自適應(yīng)濾波器、語(yǔ)音的采集與放送、語(yǔ)音信號(hào)編碼等。

數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)采用MATLAB軟件做仿真實(shí)驗(yàn)，主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有圖像獲取、圖像處理變換、圖像濾波、圖像分割、圖像壓縮與編碼、圖像特征提取、幾何變換、圖像融合等。

系統(tǒng)仿真(MATLAB)主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有MATLAB基本運(yùn)算、M文件編輯和圖形處理、MATLAB在信號(hào)與系統(tǒng)課程中的應(yīng)用、MATLAB在數(shù)字信號(hào)處理課程中的應(yīng)用、Simulink的應(yīng)用、MATLAB在數(shù)字信號(hào)處理課程中的應(yīng)用、MATLAB在通信原理課程中的應(yīng)用等。

除實(shí)驗(yàn)外，還可安排專業(yè)課程設(shè)計(jì)。課程設(shè)計(jì)是將DSP原理與應(yīng)用、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理課程融合在一起。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要突出信號(hào)處理理論和技術(shù)的綜合運(yùn)用，主要是先用MATLAB進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算和仿真，再在CCS集成環(huán)境中編程，在DSP實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)現(xiàn)。

四 教學(xué)方法和手段的創(chuàng)新

信號(hào)處理課程群的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，概念多，涉及大量的數(shù)學(xué)公式和理論推導(dǎo)，為了提高教學(xué)質(zhì)量，改進(jìn)傳統(tǒng)的教學(xué)方式，可以采用板書(shū)與計(jì)算機(jī)多媒體相結(jié)合的教學(xué)手段，采用引進(jìn)和自編的方式編寫(xiě)所有課程的多媒體課件，加大課堂教學(xué)的信息量。教學(xué)中，充分利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)課程中的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行仿真，用圖形和數(shù)據(jù)結(jié)合的方式展現(xiàn)給學(xué)生，便于學(xué)生掌握和理解。數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)字圖像處理課程的大部分課后習(xí)題要求學(xué)生用MATLAB完成。

為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的共享，還可以建設(shè)課程群網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，為群內(nèi)課程提供多個(gè)教學(xué)資源的共享，包括課程教學(xué)大綱、電子教案、電子課件、教學(xué)錄像、習(xí)題解答、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)等。

五 教材建設(shè)

結(jié)合湖南工程學(xué)院實(shí)際教學(xué)情況，理論課程選用權(quán)威教材，為了提高學(xué)生的專業(yè)英語(yǔ)應(yīng)用能力，數(shù)字信號(hào)處理課程采用雙語(yǔ)教學(xué)，選用全英文的原板教材。實(shí)驗(yàn)教材由自己編寫(xiě)，保證了教學(xué)質(zhì)量。老師也積極參與規(guī)劃教材的編寫(xiě)工作。

六 結(jié)語(yǔ)

為培養(yǎng)創(chuàng)造性、應(yīng)用型人才，湖南工程學(xué)院以信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理課程的基本理論為核心，以系統(tǒng)仿真及DSP原理與應(yīng)用為軟件和硬件的輔助設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)工具，在課程群體系的構(gòu)建、教學(xué)內(nèi)容的整合與優(yōu)化、教學(xué)方法與手段、實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行了改革與實(shí)踐，使信號(hào)類課程具有強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)、點(diǎn)面結(jié)合、反映最新技術(shù)、內(nèi)容分布合理、理論與實(shí)踐結(jié)合緊密的特色，突出了對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

［1］ 張愛(ài)華，董秀潔，高 輝．信號(hào)處理系列課程的教學(xué)改革與實(shí)踐［J］．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010(8)．

［2］ 歐陽(yáng)繕，歐陽(yáng)寧，劉慶華．信號(hào)處理課程群的建設(shè)與改革實(shí)踐［J］．大眾科技，2008(11)．

［3］ 熊慶旭．“信號(hào)與系統(tǒng)”中三個(gè)層次教學(xué)探索［J］．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009(1):5－7.

［4］ 陳愛(ài)萍，等．“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐［J］．湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(4):100－102．

［5］ 鄭君里，應(yīng)啟珩，楊為理．信號(hào)與系統(tǒng):第2版［M］．高等教育出版社，2005．

［6］ 劉翠響，王寶珠，吳煥麗．信號(hào)與系統(tǒng)精品課程建設(shè)的探討與實(shí)踐［J］．河北工業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(3):16－20.