數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)課程教學(xué)改革與探究

劉宇 勾俊芳 李俊杰 潘玉青 張鳳雙

摘?要：數(shù)字信號(hào)處理是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門專業(yè)課。其應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，包括現(xiàn)如今非常熱門的移動(dòng)通信5G技術(shù)、語音及圖像的處理技術(shù)，生物醫(yī)學(xué)工程，雷達(dá)導(dǎo)航及定位系統(tǒng)等。這門課程以復(fù)變函數(shù)以及信號(hào)與系統(tǒng)這兩門課程為先修課。文章以計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)為中心，以數(shù)學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)其實(shí)際應(yīng)用效果為準(zhǔn)則，從教學(xué)方式及考核方式兩個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ);教學(xué)方式;考核方式;改革

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，是指能夠?qū)⑷粘Ｉ钪型ㄟ^耳朵獲取到的聲音、眼睛看到的圖像或者是傳感器采集到的物理信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的一種技術(shù)。在計(jì)算機(jī)和電子信息領(lǐng)域以及利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理與分析的領(lǐng)域，都得到了廣泛的應(yīng)用。在數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生之后，將經(jīng)過處理的信息輸出來，使得人們的工作效率有了很大的提升，因此為整個(gè)人類社會(huì)中科技的進(jìn)步及生產(chǎn)效率的提高做出了突出的貢獻(xiàn)。

數(shù)字信號(hào)處理主要涉及的教學(xué)內(nèi)容主要有離散時(shí)間信號(hào)及系統(tǒng)的簡(jiǎn)介，離散時(shí)間信號(hào)的傅里葉變換及其逆變換，z變換及其逆變換，離散傅里葉變換以及快速傅里葉變換等。因此該課程在教學(xué)中涉及大量嚴(yán)謹(jǐn)枯燥的公式推導(dǎo)證明，需要學(xué)生高度集中注意力并要求熟練掌握先修課程中的理論知識(shí)及相關(guān)概念。上課過程中稍有疏忽或精神不集中很容易出現(xiàn)掉隊(duì)及脫節(jié)現(xiàn)象，對(duì)后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)造成不良影響，從而影響學(xué)生的聽課效率及效果。因此如何以數(shù)學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)其實(shí)際應(yīng)用效果是該課程教學(xué)改革中的重點(diǎn)內(nèi)容。

一、教學(xué)方式的改革

（一） 以學(xué)生為主體的教學(xué)方式

老師的教要與學(xué)生的學(xué)有效結(jié)合起來才能產(chǎn)生最好的課堂效果。數(shù)字信號(hào)處理的課程需要學(xué)生具有良好扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐茖?dǎo)計(jì)算能力，這樣才能在老師的課堂教學(xué)中受益良多。但是該課程為計(jì)算機(jī)及電子信息工程的專業(yè)課，一般高校會(huì)在大三時(shí)開設(shè)。此時(shí)距離學(xué)生學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)、離散數(shù)學(xué)以及復(fù)變函數(shù)等基礎(chǔ)課程已有一段時(shí)間，學(xué)生會(huì)遺忘相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。因此為了引導(dǎo)學(xué)生課下主動(dòng)復(fù)習(xí)回憶與課程相關(guān)的數(shù)學(xué)方法和推導(dǎo)步驟，將課堂上所有學(xué)生每五人一組進(jìn)行分組。分組的目的在于對(duì)學(xué)生進(jìn)行任務(wù)分配，每個(gè)組的學(xué)生抽簽選取相關(guān)知識(shí)，課下進(jìn)行資料的搜集與整理，并以PPT的形式進(jìn)行課上講演，規(guī)定每組講演的時(shí)間不超過十分鐘。因此要求所搜集整理的資料不但要豐富多樣而且要凝練嚴(yán)謹(jǐn)。此外資料的搜集不止局限于文字，還應(yīng)包括豐富精煉的影音資料，以使課堂上的同學(xué)們能理解回憶相關(guān)知識(shí)。

以傅里葉變換為例進(jìn)行說明，搜集的資料可包含以下內(nèi)容：

1.

關(guān)于傅里葉本人的背景介紹，包括其所著專著、學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)和生平軼事等，目的在于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2.

何為傅里葉變換。關(guān)于傅里葉變換的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式。如何直觀的記憶該表達(dá)式以及傅里葉變換產(chǎn)生的背景，其應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)點(diǎn)。

3.

傅里葉變換在數(shù)字信號(hào)處理中的具體應(yīng)用。

通過課下的充足準(zhǔn)備和了解以及課上的講演和展示，不但有利于學(xué)生加強(qiáng)對(duì)課程的理解和應(yīng)用，還有助于提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。此舉在鍛煉學(xué)生語言表達(dá)能力的同時(shí)還能提高學(xué)生的心理素質(zhì)并積累了在大眾面前演示PPT的經(jīng)驗(yàn)，十分有利于以后的工作面試及考研面試，相當(dāng)于是畢業(yè)季前的一次實(shí)戰(zhàn)演練。

（二） 理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的作業(yè)布置

在數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)中，巧妙地應(yīng)用數(shù)形結(jié)合的實(shí)例有助于學(xué)生更好地理解和記憶相關(guān)公式及某些數(shù)學(xué)性質(zhì)。因此在數(shù)字信號(hào)處理過程中，除需掌握相關(guān)數(shù)學(xué)背景知識(shí)作為基礎(chǔ)外。還需要理解抽象的概念以及復(fù)雜的公式結(jié)果。比如利用傅里葉變換將信號(hào)從時(shí)域向頻域進(jìn)行轉(zhuǎn)變后得到的結(jié)果通常以復(fù)變函數(shù)中指數(shù)表達(dá)式的形式給出。如此可以清晰地看出該變換結(jié)果的模長(zhǎng)及輻角均是頻率w的函數(shù)。但是，用傳統(tǒng)數(shù)學(xué)的知識(shí)畫出模長(zhǎng)和輻角隨w變化的曲線是相對(duì)困難的。

因此我們?cè)谡n堂教學(xué)中引入數(shù)學(xué)工具M(jìn)ATLAB進(jìn)行仿真及圖像輸出，用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)函數(shù)將抽象的概念和復(fù)雜的公式以圖像的形式直觀明了地展現(xiàn)出來，有助于學(xué)生的理解和記憶。

二、 考核方式的改革

該課程設(shè)置為32學(xué)時(shí)，之前的教學(xué)工作以理論講授為主。改革后其中理論講授28學(xué)時(shí)。Matlab上機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)。學(xué)生的結(jié)課成績(jī)構(gòu)成為：期末成績(jī)=70%卷面成績(jī)+20%平時(shí)成績(jī)+10%實(shí)驗(yàn)成績(jī)組成。因?yàn)橐雽W(xué)生分組后的課堂講演環(huán)節(jié)，因此平時(shí)成績(jī)的構(gòu)成分配如下：平時(shí)成績(jī)=50%出勤+30%課堂講演+20%平時(shí)作業(yè)。課堂講演成績(jī)的組成包含教師打分及學(xué)生代表的打分，此舉兼具公平性與公正性原則。

三、 總結(jié)

本課程在教學(xué)改革與實(shí)踐中，通過以學(xué)生為主體教學(xué)方式的改革手段不但有利于學(xué)生理解記憶數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)還能鍛煉學(xué)生的講演能力。將理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，便于學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)推導(dǎo)結(jié)果。考核方式的改革有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并提升學(xué)習(xí)效果。

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作者簡(jiǎn)介：

劉宇，勾俊芳，李俊杰，潘玉青，張鳳雙，河北省滄州市，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院。