信息與計算科學專業(yè)《數(shù)字信號處理》教學的實踐探索

閆麗宏

摘要：本文首先分析了信息與計算科學專業(yè)《數(shù)字信號處理》課程教學中存在的問題。結(jié)合我校實際，總結(jié)了近年來該課程教學中進行的若干探索，如進行案例教學、主題教學、實驗課程改革等。實踐證明，因材施教可以有效地激發(fā)學生的學習興趣，提升教學質(zhì)量。

關鍵詞：數(shù)字信號處理；信息與計算科學專業(yè)；案例教學

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2018.03.017

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1671-1580（2018）03-0060-03

開辦十幾年來，信息與計算科學在專業(yè)內(nèi)涵、專業(yè)規(guī)范、教學內(nèi)容和課程體系等方面都已形成較為固定的模式。數(shù)字信號處理作為本專業(yè)的一門專業(yè)必修課，在實際教學中存在一些問題。筆者經(jīng)過近幾年的教學探索，在大數(shù)據(jù)背景下，分析總結(jié)了一些實用的教學方法，如案例教學法、主題教學法等。通過具體的教學實踐，發(fā)現(xiàn)在《數(shù)字信號處理》教學中，因材施教，進行引進適合課程的教學方法可以極大地激發(fā)學生的學習興趣，提高學生學習的自覺性和主動性，從而可以提升學生獲取知識和解決問題的能力。

一、信計專業(yè)《數(shù)字信號處理》課程的教學現(xiàn)狀

（一）課時有限

在我校，本專業(yè)實行2+2培養(yǎng)模式，即前兩年課程設置與“數(shù)學與應用數(shù)學專業(yè)完全一致，后兩年開設信息與計算科學專業(yè)課程?！稊?shù)字信號處理》課程講授安排32學時，實驗24課時。

如何在有限的學時內(nèi)使學生理解數(shù)字信號處理的基本原理，掌握信號處理的核心方法，這是教師需要認真思考的問題。對于前兩年接受純粹數(shù)學專業(yè)訓練的學生來講，如何將數(shù)學理論應用到信號處理中，實現(xiàn)從單一理論學習到理工結(jié)合的良好過渡，這對老師而言，具有一定的挑戰(zhàn)性。

（二）概念抽象

眾所周知，《數(shù)字信號處理》是通信專業(yè)的一門必修專業(yè)課，具有很強的工科性質(zhì)。信計專業(yè)開設本課程，重點強調(diào)要求學生掌握信號處理的數(shù)學原理，但是課程中的許多概念都非常抽象，如頻譜、脈沖響應、濾波器等，學生難于理解，這為課程的學習帶來了很大難度。

（三）理工科差異

由于《數(shù)字信號處理》課程中許多問題有較強的物理背景，學生不僅對枯燥繁瑣的推導難以理解，對其應用更是無從下手。同時學習該課程的思考、角度較之前有很大改變，許多學生并未意識到這一點，這與學生之前的思維方式有一定落差，致使學生學習目的不明確，學習主動性較差，部分學生還存在厭學情緒，出現(xiàn)學生學習無計劃、無恒心，意志力薄弱等情況。

二、《數(shù)字信號處理》課程教學的若干探索

按照專業(yè)培養(yǎng)目標，針對目前數(shù)字信號處理課程中存在的問題，經(jīng)過筆者近幾年的教學實踐，總結(jié)了以下教學方案策略。

（一）明確目標，使用案例教學

當學生被強迫灌輸學習內(nèi)容時，填鴨式教育極大地束縛了學生的自主思考能力。事實上他們更想知道學習內(nèi)容的目的和作用。考慮到這一情況，在教學中，我們把實際案例放在教學過程的第一步，根據(jù)學生交流過程中出現(xiàn)的問題，引出新知識點。

例如數(shù)字信號處理是以頻譜分析為基礎的，為了使學生對“頻譜”一詞有更好的理解，授課前先放了由費翔和庾澄慶分別演唱的歌曲《冬天里的一把火》的高潮部分，學生馬上分辨出兩個歌手的聲音。這自然就產(chǎn)生一個問題：兩首歌曲調(diào)一樣，響度一樣，為什么人們一聽便知哪個是費翔唱的，哪個是庾澄慶唱的呢？這時可以介紹不同頻譜下音色的差異，原因是信號中的細節(jié)是由高頻成分確定的。兩個歌手各自的高頻泛音不同，高頻成分的幅度不同，所以說兩個人的音色個性也就不同，因而具有不同的表現(xiàn)力。接著播放《冬天里的一把火》的開頭部分，學生就會感到低音頻段比較豐滿，音色渾厚，有空間感。這時總結(jié)，不同頻譜下音樂的聽感和音質(zhì)均不同，從而介紹頻譜概念的重要性，進行信號頻譜分析的必要性。

類似的案例教學不僅可以充分發(fā)揮學生學習的主動性和積極性，引導學生學會分析問題，而且可以促進創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，引導學生主動進行知識建構(gòu)，得到雙重技能訓練。

（二）優(yōu)化整合，進行主題教學

古人云：不識廬山真面目，只緣身在此山中。按照課文內(nèi)容章節(jié)次序，難免有些照本宣科，按部就班的講解會使學生感到內(nèi)容混亂，缺乏層次感。事實上，數(shù)字信號處理自身具有很好的結(jié)構(gòu)，教學中，對授課內(nèi)容進行了提煉，某學期課程圍繞以下五個主題講解：

1.傅里葉變換基礎；

2.離散信號的濾波問題；

3.線性時不變系統(tǒng)；

4.快速傅里葉變換；

5.濾波器的設計。

通過實踐，同學們普遍反映，脈絡清晰，節(jié)奏緊湊，系統(tǒng)性強。

自學是節(jié)約課時的好方法，課程優(yōu)化不只包括內(nèi)容的濃縮，也涵蓋學時的精減。課程中，“離散信號的濾波和卷積”的定義定理完全是連續(xù)情形的離散化，連續(xù)情況講完之后，學生自學“離散信號的濾波與卷積”，在對比中加深知識理解，極大地提高了學習效率。

（三）啟發(fā)借鑒，提升認識

1.數(shù)字信號處理不僅在工業(yè)、航空軍事、醫(yī)學、經(jīng)濟管理等領域有著廣泛應用，而且已經(jīng)滲透到人們生活的各個角落。近幾年，數(shù)字產(chǎn)品迅速普及，4G手機、MP4及數(shù)字電視便是典型的數(shù)字信號處理系統(tǒng)。通過講述這些數(shù)字消費產(chǎn)品中的數(shù)字信號處理問題，不僅給學生形象的認識，而且使學生認識到了課程的重要性、實用性。

2.在理論課教學中，傳統(tǒng)的黑板加粉筆式的講解、繁瑣的公式推導、紙上談兵式的算法介紹，常使學生聽得一頭霧水，實驗課程編程時摸不著頭緒，很難進入狀態(tài)。基于此，筆者結(jié)合MATLAB軟件，讓學生編寫程序，將仿真結(jié)果可視化。并進行分組展示，互相評議，收到了良好的教學效果，如離散信號的運算和三角波的頻譜等實驗內(nèi)容。同時合理利用網(wǎng)絡信息，參考《數(shù)字信號處理》精品課程，下載搜集實用信息，增強課程直觀性。

3.帶領學生參觀物理與電子工程學院的數(shù)字信號處理實驗室，了解模擬濾波器等設備的工作過程，加強對數(shù)字濾波過程的認識。同時，對于“濾波器的頻譜分析”等實用性實驗，直接和物理系學生合作，這樣增強了實踐性，同時也培養(yǎng)了學生的合作精神。

（四）實驗課程改革

1.介紹信號處理相關原理和算法的背景故事，在學生了解歷史的同時，激發(fā)學習動力。

2.發(fā)揮數(shù)學專業(yè)學生的專業(yè)優(yōu)勢，課程中的部分計算問題和習題，讓學生自己講解。如連續(xù)信號頻譜的計算等問題。

3.期中布置小論文，分析總結(jié)的同時不僅加深了知識的理解，同時培養(yǎng)了學生的科研興趣，為有志于進一步深造的同學提供了良好的鍛煉機會。

4.發(fā)揮教師引導與教學團隊作用，學期內(nèi)邀請專業(yè)教師開設講座，介紹有關信號處理的最新進展與最新科研成果，以此開拓學生的視野，說明其在后續(xù)課程如小波分析、數(shù)字圖像處理中的應用。

（五）多方著力，提高教師專業(yè)素養(yǎng)

在教學中，有意識地培養(yǎng)學生的持久學習興趣，激勵學生不斷處于較佳的學習狀態(tài)，這將極大地促進高校學生的學習主動性和自覺性。為此，我們在教學中特別注重以下問題：

1.抓住課本備好課。人常道，臺上一分鐘，臺下十年功。備前沿、備書本、備學生是我們專業(yè)教師的“三備”。針對學生情況，力爭做到突出重點，突破難點。

2.提升教師課堂表現(xiàn)力。上課時，教師盡可能多地用抑揚頓挫、語調(diào)豐富、風趣幽默、充滿誘因或懸念的語言，并配合豐富的表情和手勢來組織課堂教學，給學生創(chuàng)造一個開放寬松的教學環(huán)境，從而調(diào)動學生的主觀能動性。

3.課后反思。教學后的反思具有批判性，能使教師經(jīng)驗理論化，并有助于提高教師的教學總結(jié)能力。反思教學內(nèi)容，反思課堂教學的不足，反思學生的優(yōu)點，從而揚長避短。課后反思貴在及時，貴在堅持。以思促教，為提高后續(xù)備課質(zhì)量提供寶貴的經(jīng)驗素材。

4.組織專業(yè)教師參加科研會議、教學研討班，提升教師的科研教學水平，促進教師的專業(yè)成長。

三、結(jié)語

通過近幾年的教學方法的探索，相比先前的教學狀況而言，發(fā)現(xiàn)全面調(diào)動了學生學習這門課程的積極性，較好地幫助學生從思想上實現(xiàn)了數(shù)學理論到理工結(jié)合的過渡。當然，隨著我國教學改革的深入，互聯(lián)網(wǎng)+時代的到來，在國家“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”思想的指引下，高等學校專業(yè)課程教學改革正在逐步向應用型邁進。要緊跟時代步伐，不斷將先進教育思想和理念融入《數(shù)字信號處理》等相關信計專業(yè)課程的教學當中來，以教學促進科研，科研反哺教學，進一步提高教學質(zhì)量，提升教學效果。

[責任編輯：馬妍春]