“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)改革研究與探索

劉曉明

摘 要 針對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，本文主要從理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩方面對(duì)課程的教學(xué)改革進(jìn)行了研究和探索。

關(guān)鍵詞 數(shù)字信號(hào)處理 教學(xué)改革 研究

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理學(xué)科已成為通信、雷達(dá)、聲納、電視、測(cè)控、生物醫(yī)學(xué)工程等眾多學(xué)科和領(lǐng)域的重要理論和技術(shù)基礎(chǔ)，其地位和作用變得愈發(fā)重要?！皵?shù)字信號(hào)處理”課程在內(nèi)容上涉及了高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)等多門(mén)學(xué)科的內(nèi)容，是一門(mén)既側(cè)重理論但同時(shí)又與實(shí)際密切聯(lián)系的學(xué)科。目前《數(shù)字信號(hào)處理》課程已成為我院電子信息工程、測(cè)控技術(shù)與儀器、自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)重要的一門(mén)專(zhuān)業(yè)必修課。在理論教學(xué)方面，該課程數(shù)學(xué)公式和理論推導(dǎo)較多，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)這門(mén)課程時(shí)，普遍感到數(shù)字信號(hào)處理的概念抽象，公式推導(dǎo)繁瑣，對(duì)其中的分析方法與基本理論不能很好的理解與掌握，缺少對(duì)數(shù)字信號(hào)處理結(jié)果的直觀認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致不少學(xué)生產(chǎn)生難理解、難學(xué)，甚至厭學(xué)的情緒，例如：在濾波器的設(shè)計(jì)中，學(xué)生大多數(shù)只看到一些理論的推導(dǎo)和大量的數(shù)學(xué)表達(dá)式，卻無(wú)法看到結(jié)果的直觀演示。另外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)置的實(shí)驗(yàn)多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而以提高應(yīng)用能力的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)偏少，僅注重理論部分的驗(yàn)證，缺乏與實(shí)際應(yīng)用的關(guān)聯(lián)，這些問(wèn)題都對(duì)學(xué)生理解所學(xué)的知識(shí)有嚴(yán)重的影響。為了提高教學(xué)質(zhì)量，需要對(duì)課程的教學(xué)進(jìn)行改革。

1理論教學(xué)改革

在教學(xué)內(nèi)容上，首先注重教學(xué)內(nèi)容的過(guò)渡和銜接?！皵?shù)字信號(hào)處理”課程的內(nèi)容比較成熟和經(jīng)典，其與“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的教學(xué)內(nèi)容有著密不可分的內(nèi)在聯(lián)系，二者核心都是對(duì)各種不同的信號(hào)進(jìn)行分析，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信號(hào)的處理，進(jìn)而得到所希望的信號(hào)。為了保證各自理論體系的完整性，這兩門(mén)課程在離散部分的內(nèi)容是幾乎是重復(fù)的，例如：離散信號(hào)分析和z變換。所以這兩門(mén)課的銜接和過(guò)渡顯得尤為重要，否則會(huì)顯得拖沓，許多學(xué)生在初學(xué)時(shí)容易產(chǎn)生厭學(xué)的情緒。因此這部分的內(nèi)容的講授應(yīng)用盡可能少的學(xué)時(shí)，以內(nèi)容回顧和補(bǔ)充的形式來(lái)進(jìn)行安排，已達(dá)到喚醒記憶，查漏補(bǔ)缺的目的，避免重復(fù)過(guò)多。

其次，將Matlab導(dǎo)入“數(shù)字信號(hào)處理”課程，作為課程的重要補(bǔ)充。利用Matlab軟件強(qiáng)大的計(jì)算仿真功能和方便易用的圖形繪制能力，可以將課程中的抽象的概念和結(jié)論轉(zhuǎn)化為形象化的圖形曲線展現(xiàn)在學(xué)生面前。為了讓學(xué)生盡快學(xué)會(huì)使用該軟件，可以結(jié)合課程中涉及到的基本運(yùn)算，選擇好Matlab中相關(guān)的基本內(nèi)容 盡快進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而了解各種信號(hào)和系統(tǒng)在軟件中的表達(dá)方法，并為實(shí)驗(yàn)課的順利進(jìn)行做好準(zhǔn)備。

同時(shí)改變教學(xué)方式。改變傳統(tǒng)的以教師為主體、書(shū)本為中心的封閉型的知識(shí)傳授體系，轉(zhuǎn)而向以學(xué)生為主體、提高學(xué)生能力為中心的開(kāi)放型知識(shí)傳授體系轉(zhuǎn)變。不斷豐富課堂教學(xué)手段，改革教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生興趣，提升課堂教學(xué)效果?！皵?shù)字信號(hào)處理”課程中有許多的數(shù)學(xué)概念、物理概念和工程概念，需要借助圖形來(lái)進(jìn)行講解，例如利用幾何法描述系統(tǒng)的頻率特性、循環(huán)卷積等內(nèi)容，利用多媒體教學(xué)手段可以形象、直觀的展示相關(guān)原理和過(guò)程，給學(xué)生留下深刻的印象，同時(shí)節(jié)省了授課時(shí)間。但對(duì)于基本原理和公式的推導(dǎo)，例如Z變換、DFT變換的計(jì)算和性質(zhì)等內(nèi)容，傳統(tǒng)黑板加粉筆的教學(xué)方法更加清晰，使學(xué)生能夠跟上老師的節(jié)奏，并留有一定的思考時(shí)間，教學(xué)效果良好。因此本課程改革綜合二者利弊，采用多媒體教學(xué)手段和傳統(tǒng)教學(xué)手段并用的方式，使課堂教學(xué)達(dá)到雙贏的效果。

例如，關(guān)于時(shí)域卷積定理的證明。如果采用公式推導(dǎo)的方式得到該定理，需要大量的數(shù)學(xué)演算，學(xué)生會(huì)感到乏味，而且僅把它當(dāng)成無(wú)數(shù)數(shù)學(xué)公式中的一個(gè)。理論不能與實(shí)際工程聯(lián)系起來(lái)，學(xué)生無(wú)法得到一個(gè)感性認(rèn)識(shí)，最終導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣的降低。圖（a）、（b）和（c）展示了一個(gè)信號(hào)通過(guò)某一系統(tǒng)前后的時(shí)域波形及其頻譜。從時(shí)域卷積的概念是不易理解的，而從頻域相乘的角度則一目了然。濾波后信號(hào)的頻譜中，只有最低的頻率成分被保留了下來(lái)，其余的頻率成分被抑制掉，因此該系統(tǒng)實(shí)際上實(shí)現(xiàn)了低通濾波的功能。

通過(guò)這個(gè)仿真實(shí)例的演示和講解，學(xué)生對(duì)什么是信號(hào)，什么是系統(tǒng)，以及系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的作用的數(shù)學(xué)表示有了更加形象、直觀的認(rèn)識(shí)，從而對(duì)基本概念有了更深層次的理解，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣。

2實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

由于獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的高考分?jǐn)?shù)參差不齊，且普遍低于二本分?jǐn)?shù)線，學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)薄弱，但也不乏優(yōu)秀的學(xué)生。目前，我校“數(shù)字信號(hào)處理”課程實(shí)驗(yàn)主要采用Matlab仿真軟件完成，共開(kāi)設(shè)4個(gè)實(shí)驗(yàn)，全部為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)⑺鶎W(xué)理論和原理形象化和直觀化，促進(jìn)學(xué)生理解，但是無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。為此可以在原有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，合理安排一些思考題和綜合設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，滿足不同學(xué)生的需要。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生往往把重心放在計(jì)算機(jī)程序的理解和編寫(xiě)上，而不是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析上，致使很多同學(xué)認(rèn)為數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)就是計(jì)算機(jī)編程，而且學(xué)生在指定時(shí)間內(nèi)僅能完成指定算法的驗(yàn)證，無(wú)法根據(jù)自己對(duì)概念的理解來(lái)改變算法參數(shù)和實(shí)現(xiàn)方式，完全失去了實(shí)驗(yàn)本身的意義。為此實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究設(shè)計(jì)基于Matlab的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，內(nèi)容涉及離散時(shí)間系統(tǒng)與系統(tǒng)與濾波器設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)包括離散時(shí)間信號(hào)的產(chǎn)生及運(yùn)算、Z變換的應(yīng)用、DFT的計(jì)算及應(yīng)用、時(shí)頻域采樣定理、IIR及FIR濾波器的設(shè)計(jì)等。學(xué)生在該仿真系統(tǒng)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中只需修改相應(yīng)的參數(shù)，便可馬上得到相應(yīng)的仿真結(jié)果，降低了對(duì)于學(xué)生計(jì)算機(jī)編程能力的要求，增強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)象的分析上，從而使得理論知識(shí)得到更好的理解和掌握。

3結(jié)語(yǔ)

本文在研究獨(dú)立學(xué)院學(xué)生特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合“數(shù)字信號(hào)處理”課程的地位和教學(xué)現(xiàn)狀，從理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩方面進(jìn)行了教學(xué)改革研究。實(shí)踐證明，課程改革取得了較好的成績(jī)，但是還存在一些問(wèn)題。例如：如何引入更多的實(shí)踐環(huán)節(jié)來(lái)更好實(shí)現(xiàn)與后續(xù)課程“DSP技術(shù)及其應(yīng)用”的銜接，課堂教學(xué)中如何更好的激發(fā)學(xué)生興趣等等。我們將在今后的教學(xué)實(shí)踐中繼續(xù)改進(jìn)教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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