面向卓越工程師培養(yǎng)的數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革探索

王典 李鵬 勾福巖 劉財(cái) 劉洋

[摘? ? ? ? ? ?要]? 根據(jù)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的總體要求，面向勘查技術(shù)與工程專業(yè)卓越工程師的培養(yǎng)，分析和研究數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)改革，從教材選擇、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面進(jìn)行調(diào)整，旨在提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 卓越工程師;教育培養(yǎng)計(jì)劃;數(shù)字信號(hào)處理;教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)]? G642? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2019）10-0098-02

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（以下簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）是貫徹落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》和《國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》的重大改革項(xiàng)目，目標(biāo)在于培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才（以下簡(jiǎn)稱“卓越工程師”）。教學(xué)內(nèi)容改革是成功地進(jìn)行卓越工程師培養(yǎng)必須完成的一項(xiàng)至關(guān)重要而又具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵工作[1]。

隨著科學(xué)技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理的理論和技術(shù)取得了飛躍性的進(jìn)展，已經(jīng)滲透到生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛、成效最顯著的新興學(xué)科之一[2]。數(shù)字信號(hào)處理課程已經(jīng)不僅是電子與通信本科專業(yè)的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時(shí)也是勘查技術(shù)與工程等專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。以培養(yǎng)“卓越工程師”為目標(biāo)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)改革，對(duì)提高學(xué)生動(dòng)手能力、應(yīng)用能力和自主創(chuàng)新能力，為后續(xù)的地震勘探原理與數(shù)據(jù)處理等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)提供有力的支撐。

數(shù)字信號(hào)處理作為以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的學(xué)科，包含了很多的抽象概念和理論，很多結(jié)論的推導(dǎo)涉及大量的數(shù)學(xué)過(guò)程，學(xué)生容易產(chǎn)生抗拒和厭煩心理。如何讓枯燥的理論課變得生動(dòng)？如何讓學(xué)生由“被動(dòng)學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)為“主動(dòng)學(xué)習(xí)”？如何讓高校培養(yǎng)的學(xué)生稱為真正的“卓越工程師”？這是教育工作者所面臨的重要問(wèn)題。本文以此為目標(biāo)，從教材合理選擇、教學(xué)內(nèi)容調(diào)整、教學(xué)方法調(diào)整等方面出發(fā)，旨在提高數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，順利完成“卓越計(jì)劃”服務(wù)。

一、教材合理選擇——多教材整合、課外教材輔助

優(yōu)秀的教材是課堂教學(xué)的靈魂。數(shù)字信號(hào)處理這門課程可選擇的教材很多，以往的勘查技術(shù)與工程專業(yè)選擇西安電子科技大學(xué)出版社出版、丁玉美主編的《數(shù)字信號(hào)處理》[2]，該書內(nèi)容簡(jiǎn)潔、選材精煉，適合非電子和通信類專業(yè)學(xué)生使用。結(jié)合本次“卓越工程師”的培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)教材的選擇進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。采取以目標(biāo)為先導(dǎo)，“多教材整合、課外教材輔助”的原則，突破了“一門課一本教材”的限制，讓學(xué)生采眾家之所長(zhǎng)。以程乾生著的《數(shù)字信號(hào)處理》[3]（教材一）和高西全主編的《數(shù)字信號(hào)處理》（第三版）[4]（教材二）為主要授課教材。前者由于作者參加過(guò)勘查技術(shù)與工程專業(yè)的課題，所以在教材內(nèi)容選取上與專業(yè)課程銜接緊密，易于學(xué)生對(duì)后續(xù)課程的理解;后者經(jīng)過(guò)再版，增加了實(shí)驗(yàn)和MATLAB信號(hào)處理工具箱函數(shù)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時(shí)能夠進(jìn)行高效的上機(jī)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)和仿真。同時(shí)，選擇OPPENHEIM的經(jīng)典教材《DISCRETE-TIME SIGNAL PROCESSING》和程佩青的《數(shù)字信號(hào)處理教程》作為課外輔助教材，經(jīng)典課外教材的輔助閱讀能夠培養(yǎng)學(xué)生課外自主學(xué)習(xí)能力，拓寬學(xué)生視野，提高學(xué)生專業(yè)英語(yǔ)的水平。

二、教學(xué)內(nèi)容調(diào)整——基礎(chǔ)理論與工程實(shí)踐并重

以往工科專業(yè)本科生的培養(yǎng)方式多是以理論教學(xué)為主，實(shí)踐教學(xué)為輔;以“卓越工程師”為培養(yǎng)目標(biāo)的培養(yǎng)方式必須結(jié)合本專業(yè)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化，堅(jiān)持“基礎(chǔ)理論和工程實(shí)踐并重”的原則，才能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣，提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

適當(dāng)調(diào)整學(xué)時(shí)，增大實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)比重，使其達(dá)到總學(xué)時(shí)的三分之一。實(shí)踐課程是“卓越工程師”培養(yǎng)的重要途徑，通過(guò)設(shè)計(jì)九個(gè)綜合性和創(chuàng)新性結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使理論和實(shí)踐緊密結(jié)合，凸顯理論知識(shí)的運(yùn)用和價(jià)值，讓學(xué)生真正動(dòng)手做起來(lái)、思考起來(lái)，體現(xiàn)學(xué)生的教學(xué)主體地位，消除學(xué)生學(xué)習(xí)的被動(dòng)、消極與盲從心態(tài)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)新性[5-6]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)比重提高導(dǎo)致理論教學(xué)學(xué)時(shí)的壓縮，因此要求教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)上要緊密聯(lián)系理論教學(xué)，采取邊理論教學(xué)邊實(shí)驗(yàn)的方式，利用實(shí)驗(yàn)來(lái)深化理論，加強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)識(shí)。

教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精選整合，是讓學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)掌握好數(shù)字信號(hào)處理的基本概念和理論，了解學(xué)科的基礎(chǔ)框架和關(guān)鍵細(xì)節(jié)的重要前提。本門課程是以傅里葉變換為基礎(chǔ)和主線，以濾波器的設(shè)計(jì)為目標(biāo)，在教學(xué)內(nèi)容調(diào)整時(shí)不能偏離主線和目標(biāo)。由于學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)連續(xù)信號(hào)的傅里葉變換，此部分只需做簡(jiǎn)單的回顧和總結(jié)，將有限學(xué)時(shí)分配到后續(xù)教學(xué)內(nèi)容中。將教材二中第8章、第9章中的“采樣和量化問(wèn)題”進(jìn)行壓縮，調(diào)整到第1章“模擬信號(hào)數(shù)字處理方法”中講解，既節(jié)約學(xué)時(shí)，又提高了學(xué)生對(duì)本部分相關(guān)內(nèi)容的理解。適當(dāng)增加相關(guān)分析、希爾伯特變換、最小相位信號(hào)等內(nèi)容的講解，緊密結(jié)合后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。課程內(nèi)容的調(diào)整和更新，注重各知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)在聯(lián)系和相關(guān)性，體現(xiàn)課程的綜合性和系統(tǒng)性。

三、教學(xué)方法調(diào)整——激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、提高實(shí)踐能力

首先，數(shù)字信號(hào)處理課程理論性強(qiáng)、抽象概念多、公式推導(dǎo)多，形象化教學(xué)的引入，激發(fā)學(xué)生對(duì)理論學(xué)習(xí)的興趣[7]。形象化教學(xué)的方式多種多樣，公式的形象化是讓學(xué)生把死記硬背抽象的數(shù)學(xué)公式，變?yōu)橛洃浧浔磉_(dá)的物理意義，例如關(guān)于Z變換的性質(zhì)3，可以引導(dǎo)學(xué)生記憶函數(shù)的指數(shù)加權(quán)的Z變換等價(jià)于Z域的尺度變換。再比如，教師在講解采樣信號(hào)頻譜和原信號(hào)頻譜的關(guān)系公式時(shí)，一定要學(xué)生理解這個(gè)公式所代表的周期延拓的概念，記公式不是直接地讀公式，而是理解其所表達(dá)的物理意義。計(jì)算過(guò)程的形象化，就是把枯燥的計(jì)算推導(dǎo)過(guò)程用圖表表示出來(lái)。例如，在計(jì)算序列的褶積時(shí)，可以充分利用多媒體的靈活的教學(xué)方式，將兩個(gè)序列的褶積運(yùn)算動(dòng)態(tài)地表示出來(lái)，既形象又生動(dòng)。再如，教師對(duì)連續(xù)信號(hào)用DFT進(jìn)行譜分析的過(guò)程，也可以通過(guò)圖表結(jié)合的方式有效地表達(dá)出來(lái)。

其次，多媒體教學(xué)和板書教學(xué)相結(jié)合的方式，使枯燥的數(shù)字信號(hào)處理課程變得豐富多彩。多媒體教學(xué)是目前大學(xué)課程中主要的教學(xué)方式之一，這種新生的教學(xué)手段可以提高教學(xué)效率，形式新穎，使教學(xué)內(nèi)容形象化、直觀化[8]。但是并不能全部課程都采用多媒體教學(xué)方式，因?yàn)橥耆捎枚嗝襟w教學(xué)方式，使課堂信息量過(guò)大，忽視了學(xué)生的思考空間，特別是數(shù)字信號(hào)處理涉及的數(shù)學(xué)理論和公式繁多，利用板書教學(xué)進(jìn)行詳細(xì)的公式推導(dǎo)，可以吸引學(xué)生的注意力，使學(xué)生關(guān)注推導(dǎo)的細(xì)節(jié)，同時(shí)可以增加師生間的互動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與課程學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的主體地位。

再次，MATLAB輔助課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高了教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率[9]。MATLAB作為數(shù)字信號(hào)處理的有力助手，已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視。合理地運(yùn)用工具軟件，設(shè)計(jì)綜合性、實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)，輔助課堂教學(xué)演示，是檢驗(yàn)理論知識(shí)綜合運(yùn)用能力和體現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的有效手段。例如，講授離散信號(hào)的褶積相關(guān)運(yùn)算、離散信號(hào)的頻域分析、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)等問(wèn)題時(shí)，學(xué)生容易感到枯燥難懂，而采用理論講解和MATLAB仿真工具相結(jié)合方式，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)和形象展示，可以增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解[10]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生親自動(dòng)手參與仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)、結(jié)果演示，分析解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，激發(fā)了主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)了實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

最后，仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)讓抽象問(wèn)題形象化，提高了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)。將工程實(shí)際應(yīng)用實(shí)例引入課堂，利用專門的仿真實(shí)驗(yàn)軟件，如進(jìn)行聲音信號(hào)的濾波、調(diào)頻等變換，比較男女聲音的頻譜，讓學(xué)生準(zhǔn)確、直觀地掌握信號(hào)在不同頻率下的特征，加深對(duì)理論知識(shí)的應(yīng)用和理解，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力。

四、結(jié)語(yǔ)

“卓越計(jì)劃”是要培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才[11]，樹立以學(xué)生為主體的教學(xué)觀，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生提出新問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)新知識(shí)和解決新問(wèn)題的能力。數(shù)字信號(hào)處理作為勘查技術(shù)與工程專業(yè)基礎(chǔ)課程，以知識(shí)獲取、能力培養(yǎng)、素質(zhì)提升為課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想進(jìn)行教學(xué)改革，是服務(wù)“卓越計(jì)劃”、完善課程體系建設(shè)的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

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◎編輯 陳鮮艷