獨(dú)立學(xué)院“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)研究與實(shí)踐

凌霖　李鋒

【摘 要】 針對“數(shù)字信號處理”課程理論性強(qiáng)、教學(xué)效果差等問題，對獨(dú)立學(xué)院“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)進(jìn)行了研究與實(shí)踐，根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，綜合運(yùn)用多種手段，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了課程教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】 教學(xué)研究;教學(xué)實(shí)踐;數(shù)字信號處理

"Digital Signal Processing" Course Teaching Research and Practice of Independent Colleges

LING Lin， LI Feng

（School of Electronic & Information， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China）

【Abstract】For the reasons of strong theoretical and bad teaching effect of "digital signal processing" course， has carried on the research and practice of course teaching of independent colleges. According to the characteristics of students，has optimized the teaching content. The integrated use of a variety of teaching methods has stimulated students interest in learning to improve the teaching effect.

【Key Words】teaching research; teaching practice;digital signal processing

【中圖分類號】G64.22 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）15-000-02

引言：隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，半個(gè)世紀(jì)以來，理論性和工程性都很強(qiáng)的數(shù)字信號處理學(xué)科得到了飛躍式的發(fā)展，成為眾多學(xué)科和領(lǐng)域的重要理論與技術(shù)基礎(chǔ)。[1]目前，《數(shù)字信號處理》課程已成為大多數(shù)電子信息類相關(guān)專業(yè)的核心課程，對后續(xù)課程影響很大。我校獨(dú)立學(xué)院也開設(shè)了該課程。

1 當(dāng)前獨(dú)立學(xué)院“數(shù)字信號處理”教學(xué)中的問題

在當(dāng)前獨(dú)立學(xué)院“數(shù)字信號處理”教學(xué)中有兩個(gè)比較突出的問題。

（1）“數(shù)字信號處理“課程本身具有理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)多、概念抽象的特點(diǎn)，對學(xué)生的數(shù)學(xué)計(jì)算、抽象及分析能力有較高的要求。然而，獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生普遍具有基礎(chǔ)知識(shí)相對薄弱，尤其是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差;家庭條件優(yōu)越，缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)力;對理論缺乏興趣，喜歡動(dòng)手的特點(diǎn)。[2]

（2）獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)和普通院校有所區(qū)別，獨(dú)立學(xué)院以培養(yǎng)“技術(shù)技能型”的應(yīng)用型人才為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)的是將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際工作的能力或者運(yùn)用理論解決實(shí)際工作問題的能力。與理論型人才相比，應(yīng)用型人才的專業(yè)理論不要求太深，但要求更廣;不要求有進(jìn)行理論研究和理論創(chuàng)新的能力，但更注重解決實(shí)際問題的能力。[1]然而，獨(dú)立學(xué)院課程授課教師大多來自母體學(xué)校，教師往往沿用一二本學(xué)生的教學(xué)方式來對待獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的課程教學(xué)，教學(xué)過程中，對獨(dú)立學(xué)院的培養(yǎng)目標(biāo)及學(xué)生特點(diǎn)不能做針對性調(diào)整。

2 課程教學(xué)研究與實(shí)踐

基于上述存在問題，我們對獨(dú)立學(xué)院“數(shù)字信號處理”教學(xué)進(jìn)行了教學(xué)研究，采取了一些措施，在教學(xué)實(shí)踐中嘗試與探索。

（1）課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)優(yōu)化

對于課程教學(xué)內(nèi)容，精簡后，實(shí)際上就是抓住兩條主線。一是離散時(shí)間信號與系統(tǒng)的理論分析，包含時(shí)域分析與變換域分析，教學(xué)內(nèi)容包括卷積、差分方程、三類變換，這部分內(nèi)容數(shù)學(xué)計(jì)算、推導(dǎo)多，但是教學(xué)目標(biāo)重點(diǎn)在于讓學(xué)生理解掌握為什么要做時(shí)域、頻域的轉(zhuǎn)換，做變換的物理意義，將學(xué)生要求掌握的數(shù)學(xué)公式及數(shù)學(xué)關(guān)系簡化至10個(gè)以內(nèi)，大大降低學(xué)生的畏難心理;二是數(shù)字濾波器（系統(tǒng)）設(shè)計(jì)，教學(xué)內(nèi)容包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器與無限沖激響應(yīng)（IIR）濾波器設(shè)計(jì)方法，這部分內(nèi)容操作性強(qiáng)、動(dòng)手多，教學(xué)目標(biāo)重點(diǎn)在于讓學(xué)生理解掌握如何根據(jù)工程實(shí)際選擇和完成濾波器設(shè)計(jì)。教學(xué)中，學(xué)生如果能深刻理解把握好這兩條主線，實(shí)際上這門課程也就學(xué)好了，數(shù)學(xué)計(jì)算反倒是其次，因?yàn)閿?shù)學(xué)運(yùn)算不管硬件還是軟件都有現(xiàn)成的實(shí)現(xiàn)。

（2）多種教學(xué)輔助手段的綜合運(yùn)用

傳統(tǒng)的教學(xué)，以教師為主導(dǎo)，多為填鴨式、灌輸式的學(xué)習(xí)，即使采用多媒體教學(xué)，也往往是快速翻過，學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)差，教學(xué)效果并不好，與以學(xué)生為學(xué)習(xí)中心的現(xiàn)代教育理念相背離。我們的授課方式采取課堂板書、多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合，以豐富的教學(xué)手段提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。課堂講授時(shí)，教師是中心，多媒體課件絕不可喧賓奪主，重要的知識(shí)點(diǎn)、數(shù)學(xué)公式及推導(dǎo)，必須板書手寫，在板書過程中讓學(xué)生體會(huì)邏輯的嚴(yán)密性，多媒體課件更多是起輔助效果，可以共享給學(xué)生課后復(fù)習(xí)，板書和多媒體課件在課堂的使用比例，視教學(xué)內(nèi)容情況靈活調(diào)整。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)也作為課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充，我們的課程建有網(wǎng)絡(luò)天空教室，提供大量的教學(xué)資源以及有用的網(wǎng)絡(luò)鏈接，還有動(dòng)畫、習(xí)題等等，輔助學(xué)生課程學(xué)習(xí)，另外，通過網(wǎng)絡(luò)課堂發(fā)布網(wǎng)絡(luò)作業(yè)讓學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源自主探究，進(jìn)行小組研究性學(xué)習(xí)的實(shí)踐與探索。

（3）形象化教學(xué)、比較教學(xué)方式

形象化教學(xué)具有直觀、易于理解的特點(diǎn)。將數(shù)字信號處理的數(shù)學(xué)表述用物理過程的形象化建立，可以幫助學(xué)生理解掌握關(guān)鍵的知識(shí)點(diǎn)。對于“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)來說，有一個(gè)非常有力的形象化教學(xué)工具，就是MATLAB軟件，利用MATLAB仿真可以把抽象化的概念直觀化，以圖片的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生能對其所學(xué)的理論知識(shí)在實(shí)際應(yīng)用中有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，從而讓理論和工程實(shí)踐結(jié)合更加緊密。例如，在教學(xué)過程中，講解濾波器設(shè)計(jì)時(shí)候，可以使用SPTool和FDATool工具箱，給學(xué)生做一些演示，讓學(xué)生先有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。形象化教學(xué)也可以利用其它的一些工具，例如，在介紹頻譜的概念時(shí)，借助大多數(shù)電腦都安裝的音樂播放器顯示聲音信號的譜變化;還有，制作動(dòng)畫演示卷積、采樣等過程。當(dāng)然，將一些抽象的知識(shí)點(diǎn)用圖表形式總結(jié)出來也屬于形象化教學(xué)。

比較教學(xué)法是將有一定聯(lián)系和差異的教學(xué)內(nèi)容放在一起進(jìn)行對比討論和分析，找出其中的異同點(diǎn)，將有關(guān)的知識(shí)和理論遷移到另一對象上。這種方法不是簡單的比較，而是舉一反三、對比類推的過程，學(xué)生在理解一個(gè)內(nèi)容之后很自然地想到另外一個(gè)內(nèi)容，易于掌握和理解，所以能很好地達(dá)到教學(xué)目的。[3，4]“數(shù)字信號處理”的比較教學(xué)，可以聯(lián)系先修課程“信號與系統(tǒng)”知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行比較，也可以本課程內(nèi)知識(shí)點(diǎn)或以往所學(xué)知識(shí)比較。在實(shí)際教學(xué)中，比較教學(xué)也常與形象教學(xué)相結(jié)合。

有一些比較典型的例子可以介紹。比如，在講解傅里葉變換的物理意義時(shí)，一個(gè)恰當(dāng)?shù)谋容^是將傅里葉變換比作物理中學(xué)過的玻璃棱鏡。棱鏡是可以將光分解為不同顏色的物理儀器，每個(gè)成分的顏色由波長（或頻率）來決定。傅里葉變換可以看作是數(shù)學(xué)上的棱鏡，將信號基于頻率分解為不同的成分，從而讓學(xué)生理解傅立葉變換使我們能通過頻率成分來分析一個(gè)信號。再如，對于系統(tǒng)線性相位的概念，很多同學(xué)難以理解，課堂上可以用軍訓(xùn)走隊(duì)列的例子進(jìn)行比較，將信號的各個(gè)頻率成分想象成站成一排隊(duì)列的不同人，信號的不同頻率經(jīng)過系統(tǒng)后的延時(shí)就像隊(duì)列中不同人跨出的步子，步子不同，會(huì)使隊(duì)列排面變形，信號成分延時(shí)不同就會(huì)引起經(jīng)過系統(tǒng)后信號失真，所以學(xué)生很快就能理解線性相位實(shí)際就是要求系統(tǒng)對不同頻率成分的延時(shí)應(yīng)該相同。還有，在學(xué)習(xí)頻域采樣時(shí)候，可以和時(shí)域采樣進(jìn)行比較，如下表1所示：

表1 時(shí)域采樣和頻域采樣比較

采樣間隔 觀察域 觀察域特征 無失真條件

時(shí)域采樣 頻域 頻域周期延拓，可能頻域混疊

頻域采樣 時(shí)域 時(shí)域周期延拓，可能時(shí)域混疊

通過比較學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)，原來時(shí)域、頻域之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系是相似的，同時(shí)還可以引申到時(shí)域、頻域信號乘積、卷積的相互轉(zhuǎn)換。

另外，像連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng)在數(shù)學(xué)公式形式及內(nèi)在聯(lián)系上的比較，也應(yīng)該在教學(xué)中有意識(shí)的提醒學(xué)生分類總結(jié)，可以極大的幫助學(xué)生記憶公式和理解。

（4）MATLAB實(shí)驗(yàn)實(shí)踐訓(xùn)練

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是課程教學(xué)的重要組成。課堂講授時(shí)的MATLAB實(shí)例演示能幫助學(xué)生掌握知識(shí)，但這種掌握往往是膚淺、表面的，離學(xué)生真正理解掌握知識(shí)還有不少距離，這就需要對學(xué)生進(jìn)行充分必要的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐訓(xùn)練。我們依據(jù)前述兩條教學(xué)主線，通過8課時(shí)的實(shí)驗(yàn)，分別對時(shí)域分析、頻域分析以及兩類濾波器設(shè)計(jì)進(jìn)行MATLAB編程實(shí)驗(yàn)仿真，學(xué)生動(dòng)手編寫程序，理論與實(shí)踐相結(jié)合，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證理論所學(xué)知識(shí)，加深了對相關(guān)知識(shí)的理解，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力方面取得明顯效果。

3 結(jié)束語

課題組通過教學(xué)實(shí)踐與摸索，根據(jù)獨(dú)立學(xué)院學(xué)生特點(diǎn)，以滿足培養(yǎng)“技術(shù)技能型人才”為目標(biāo)，開展“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)研究，合理運(yùn)用多種教學(xué)手段和方法，努力克服學(xué)生學(xué)習(xí)中重?cái)?shù)學(xué)推導(dǎo)論證，輕物理概念與實(shí)踐應(yīng)用的現(xiàn)象，切實(shí)改進(jìn)了教學(xué)效果。對于和本課程特點(diǎn)相似的一些課程，本課題成果能提供有益的參考和可行的操作方案。

參考文獻(xiàn)

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