數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

邱雄邇 李輝

摘 要： “數(shù)字信號(hào)處理”課程是電氣測(cè)控類專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。文章指出了教學(xué)過程中存在的主要問題，分析了產(chǎn)生問題的主要原因；初步探討了“數(shù)字信號(hào)處理”的教學(xué)改革，闡述了教學(xué)過程中遵循的基本原則和采取的相應(yīng)措施。教學(xué)實(shí)踐表明，“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)改革有益于培養(yǎng)學(xué)生的能力。

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

“數(shù)字信號(hào)處理”是測(cè)控技術(shù)與儀器、通信、電氣自動(dòng)化、電子等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在理工科高等教育體系中占有重要的地位。隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理的地位和作用越來越突出，大部分高校開設(shè)了“數(shù)字信號(hào)處理”課程，我校測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)于2004年起開設(shè)本課程作為本科三年級(jí)學(xué)生的專業(yè)必修課程。由于該課程涉及的內(nèi)容多、概念抽象、設(shè)計(jì)復(fù)雜，課程教學(xué)中多采用的是“填鴨式”的教學(xué)方法，學(xué)生很容易覺得枯燥乏味，結(jié)合邵陽學(xué)院的人才培養(yǎng)目標(biāo)和實(shí)際教學(xué)的特點(diǎn)，筆者在教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、教學(xué)環(huán)境和教學(xué)評(píng)價(jià)做了一定的改革和探討。

1.教材選擇與教學(xué)內(nèi)容改革

1.1教材選擇

“數(shù)字信號(hào)處理”課程有很多抽象理論和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，受我校電氣測(cè)控類專業(yè)開設(shè)40課時(shí)的限制，講授時(shí)不能面面俱到，應(yīng)結(jié)合實(shí)際適當(dāng)增刪課程內(nèi)容，因而選用一本合適的教材很重要。筆者教學(xué)程佩青編著的《數(shù)字信號(hào)處理》，該書條理清楚，內(nèi)容豐富，有利于學(xué)生牢固地掌握課程的基本概念和理論。但隨著高校的擴(kuò)招，學(xué)生的素質(zhì)參差不齊，整體基礎(chǔ)水平下降，對(duì)于著眼于完整性的理論體系的“數(shù)字信號(hào)處理”教材感覺難學(xué)、難懂，因此，根據(jù)教學(xué)實(shí)際，選用了高西全主編、電子科技大學(xué)出版社出版的《數(shù)字信號(hào)處理》，該書的特點(diǎn)是深入淺出，簡(jiǎn)練易懂，且配有習(xí)題，這樣學(xué)生可以通過對(duì)作業(yè)的解答掌握各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)一些勤奮好學(xué)且自學(xué)能力比較強(qiáng)的學(xué)生，推薦其參閱一些國(guó)外經(jīng)典教材。

1.2教學(xué)內(nèi)容改革

教學(xué)內(nèi)容的改革是提高數(shù)字信號(hào)處理課程質(zhì)量的基本保證。數(shù)字信號(hào)處理的基本理論包括兩大部分內(nèi)容：快速傅里葉變換（FFT）和數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。我校電氣測(cè)控類專業(yè)學(xué)生沒有開設(shè)信號(hào)與系統(tǒng)課程，“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中所涉及的重要基礎(chǔ)知識(shí)比較薄弱。為了讓測(cè)控專業(yè)學(xué)生在40學(xué)時(shí)內(nèi)掌握課程的基本知識(shí)和必要技能，必須選擇一條適應(yīng)學(xué)科發(fā)展的主線，構(gòu)建課程體系，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行去粗取精、有機(jī)整合。我們對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的授課內(nèi)容進(jìn)行了合理篩選，精簡(jiǎn)了部分內(nèi)容，重點(diǎn)講授了帶有普遍意義的知識(shí)點(diǎn)和關(guān)鍵結(jié)論，盡量在課堂教學(xué)中避免大量冗長(zhǎng)復(fù)雜的公式推導(dǎo)。如關(guān)于離散信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域分析、Z變換等在“自動(dòng)控制原理”等課程中已學(xué)習(xí)過，可作簡(jiǎn)單的回顧和復(fù)習(xí)，重點(diǎn)講解DTFT變換、DFT變換的算法原理和DFT的快速實(shí)現(xiàn)算法FFT，同時(shí)主講教師課前利用Matlab軟件編寫程序，將抽象的數(shù)學(xué)概念為學(xué)生易接受和理解的生動(dòng)實(shí)例，一邊講一邊演示，方便學(xué)生理解與自學(xué)，同時(shí)配以大量Matlab例子及習(xí)題，收到了良好的效果。

2.教學(xué)方法改革與實(shí)踐

2.1教學(xué)方式改革

“授人以魚不如授人以漁”，教師在課堂這個(gè)小小的舞臺(tái)上不僅僅是傳授知識(shí)，更重要的是幫助學(xué)生建立正確的科學(xué)思維方式，引導(dǎo)學(xué)生如何發(fā)現(xiàn)問題，使學(xué)生有能力用已學(xué)過的知識(shí)分析問題和解決問題。要做到這一點(diǎn)，首先要求教師十分熟悉課程內(nèi)容，對(duì)本門課程具有獨(dú)到見解，還要不斷接觸新知識(shí)、新技術(shù)，了解本學(xué)科的發(fā)展前沿，真正做到教學(xué)相長(zhǎng)。在教學(xué)方式上，可以采用預(yù)習(xí)講解式、啟發(fā)式、研討式、交互式等，轉(zhuǎn)變單純依賴教師、依賴教材的“填鴨式”的“滿堂灌”教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)參與意識(shí)。如學(xué)生掌握了一定的基礎(chǔ)知識(shí)后，可以給學(xué)生布置一定的內(nèi)容，讓他們利用課后的閑暇時(shí)間上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，準(zhǔn)備自己上臺(tái)講授。學(xué)生在查找過程中，一方面可以拓寬知識(shí)面，另一方面可以發(fā)現(xiàn)自己哪些沒有掌握好。在學(xué)生上講臺(tái)講授的過程中，教師要認(rèn)真聽課，特別是學(xué)生講解不清的地方，要仔細(xì)做好記錄，以便在組織學(xué)生討論時(shí)有發(fā)言權(quán)。經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)踐，大部分學(xué)生反映從中得到了鍛煉，頗有收獲。

2.2教學(xué)手段改革

為了提高教學(xué)的有效性和形象性，我們采用板書和多媒體教學(xué)相結(jié)合的授課方式。多媒體教學(xué)能夠充分利用文字、聲音、圖像、視頻、動(dòng)畫等多種形式進(jìn)行互動(dòng)教學(xué)，直觀生動(dòng)，便于學(xué)生理解和記憶；傳統(tǒng)手段教學(xué)便于學(xué)生記筆記，掌握重點(diǎn)和難點(diǎn)，可以讓學(xué)生減少探索時(shí)間，有助于形成知識(shí)的系統(tǒng)性，理解有關(guān)知識(shí)。在教學(xué)過程中教師應(yīng)根據(jù)課程知識(shí)點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。如一些數(shù)學(xué)概念、物理概念及工程概念等內(nèi)容便可采取投影式教學(xué)，一些教師不易講解的問題，如Gibbs現(xiàn)象、相關(guān)運(yùn)算、卷積運(yùn)算（特別是圓周卷積運(yùn)算）等、利用FLASH等軟件設(shè)計(jì)出動(dòng)畫。另外，我們使用Matlab軟件作為授課的輔助手段，對(duì)于課程中一些重要的知識(shí)點(diǎn)和相對(duì)抽象的內(nèi)容用圖形的方式直觀形象地表示出來。這樣可極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，拓展學(xué)生的思維空間。在推導(dǎo)和演算的教學(xué)內(nèi)容上，特別是在習(xí)題課和一些基本原理和基本方法的證明便采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法。多媒體教學(xué)手段和傳統(tǒng)教學(xué)手段并用，即不過于夸大現(xiàn)代教學(xué)手段的作用，也不完全拋棄傳統(tǒng)教學(xué)手段的優(yōu)點(diǎn)，二者相得益彰，達(dá)到最佳教學(xué)效果。此外，我們還建立數(shù)字信號(hào)處理課程網(wǎng)站，把全部的課堂內(nèi)容上傳到課程網(wǎng)站，利用教師的個(gè)人主頁或郵箱答疑輔導(dǎo)，用電子郵件遞交和批改作業(yè)，解決課堂統(tǒng)一步調(diào)下的“吃不了”和“吃不飽”現(xiàn)象。

2.3習(xí)題教學(xué)改革

課后練習(xí)是教學(xué)過程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，做好習(xí)題的過程可以鞏固和加深學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的理解，可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。數(shù)字信號(hào)處理課程課后習(xí)題很多，很多學(xué)生會(huì)采用學(xué)高數(shù)等課程的方法，疲于大量做題。有些學(xué)生學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)，渴望對(duì)課程內(nèi)容有較深程度的掌握，有些學(xué)生學(xué)習(xí)自覺性較差。針對(duì)這種情況，我們對(duì)不同層次的學(xué)生分別提出基本要求和較高要求，將課后習(xí)題按不同的難度進(jìn)行分類，引導(dǎo)學(xué)生在充分理解和掌握了教材內(nèi)容的前提下再做。針對(duì)學(xué)生各個(gè)知識(shí)點(diǎn)互聯(lián)能力差，容易“就題做題”傾向，要求教師在教學(xué)過程中，必須強(qiáng)調(diào)需掌握知識(shí)點(diǎn)，需理解知識(shí)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)夭贾靡恍┚C合性或設(shè)計(jì)性課題，加深學(xué)生對(duì)各部分知識(shí)的理解，做到舉一反三，融會(huì)貫通。任課教師采用平時(shí)測(cè)驗(yàn)方法，及時(shí)掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)理解的程度，積極發(fā)現(xiàn)問題，找出解決問題的方法，并將其成績(jī)計(jì)入最終的綜合成績(jī)，這樣就促使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)該課程內(nèi)容的平時(shí)復(fù)習(xí)，盡可能防止“平時(shí)閑得無聊，考前突擊熬夜”情況的發(fā)生。由于該課程需用大量工程數(shù)學(xué)知識(shí)，如果教師對(duì)典型例題和習(xí)題進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)就可以舉一反三、達(dá)到融會(huì)貫通的效果。講解部分高校歷年研究生入學(xué)考試試題，吸引學(xué)生注意力，提高興趣，改被動(dòng)型學(xué)習(xí)為主動(dòng)型學(xué)習(xí)。

3.教學(xué)環(huán)境改革

主要從兩個(gè)方面改善教學(xué)環(huán)境：一方面改善課堂教學(xué)環(huán)境。平等的交流方式和寬松的環(huán)境氛圍能激發(fā)學(xué)生自覺、主動(dòng)的學(xué)習(xí)情感，教師作為教學(xué)的指導(dǎo)者，應(yīng)不失時(shí)機(jī)地營(yíng)造輕松、愉悅的課堂環(huán)境，為師生互動(dòng)、生生互動(dòng)、師生與環(huán)境互動(dòng)架設(shè)橋梁，使學(xué)生理解知識(shí)的同時(shí)，在思維能力、情感態(tài)度和價(jià)值觀等方面得到發(fā)展。二是強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，注重能力培養(yǎng)，按照職業(yè)工作環(huán)境設(shè)計(jì)和建設(shè)仿真教學(xué)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生帶著真實(shí)的“職業(yè)角色”進(jìn)入學(xué)習(xí)情境，充分感受到職業(yè)工作場(chǎng)景的影響，提高教學(xué)的針對(duì)性和實(shí)效性。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)為了配合理論教學(xué)，我們從軟件和硬件兩方面開設(shè)實(shí)驗(yàn)，如利用Matlab軟件和DSP芯片共同完成實(shí)驗(yàn)，同時(shí)增購(gòu)浙江天煌公司的儀器設(shè)備加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，開始時(shí)購(gòu)置TI公司的2000系列的F2407，后來又購(gòu)置了控制性能更優(yōu)越的F2812。利用DSP芯片完成實(shí)驗(yàn)，包含IIR、FIR、FFT的DSP實(shí)現(xiàn)等實(shí)驗(yàn)，增加綜合性、設(shè)計(jì)性等“二性”實(shí)驗(yàn)，改變驗(yàn)證性、演示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，注重工程?yīng)用和多元化方式求解，并體現(xiàn)側(cè)重基礎(chǔ)、啟迪思維、培養(yǎng)動(dòng)手能力等特點(diǎn)。同時(shí)保持先進(jìn)性，可以提供教師進(jìn)行科學(xué)研究和學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)。

4.課程考核評(píng)價(jià)改革

據(jù)調(diào)查，測(cè)控專業(yè)學(xué)生中“數(shù)字信號(hào)處理”課程的不及格率一直居20%左右，被學(xué)生冠以“名補(bǔ)”課程之一。究其原因，除了部分學(xué)生不認(rèn)真聽講的主觀因素外，還有一些其他客觀因素。如數(shù)字信號(hào)處理課程現(xiàn)行的考核模式著眼于考核學(xué)生套用公式的能力和計(jì)算能力，考前學(xué)生主要精力用于做習(xí)題、記憶公式，這忽略了能力的培養(yǎng)，同時(shí)學(xué)生的考試成績(jī)也不一定能反映實(shí)際水平。因此，數(shù)字信號(hào)處理課程在考核實(shí)際操作中，要采取知識(shí)、能力和學(xué)風(fēng)綜合評(píng)定的辦法，客觀、綜合地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況、知識(shí)能力和水平。在考核方式上，增加了Matlab上機(jī)考試環(huán)節(jié)，采用筆試、實(shí)驗(yàn)考試、上機(jī)考試、課外作業(yè)加平時(shí)綜合評(píng)定的考試方式，加大平時(shí)成績(jī)的比重，由30%增加到40%，其中實(shí)驗(yàn)和上機(jī)成績(jī)占20%，平時(shí)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力通過大作業(yè)的形式占10%，出勤和課堂表現(xiàn)占10%。在考核內(nèi)容上，將重點(diǎn)從計(jì)算轉(zhuǎn)移到分析和綜合上，做到命題時(shí)保證傳統(tǒng)型的客觀題的基礎(chǔ)性和全面性的前提下，適度地加大解決實(shí)際問題的案例題和綜合分析型題的權(quán)重，并有拓展型與試創(chuàng)新型題，提高考試成績(jī)的層次性，從而客觀全面地檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的理解程度、基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度和綜合應(yīng)用能力。

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資助項(xiàng)目：邵陽學(xué)院教改項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2013JG34）湖南省教育廳一般項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：11C1130）