數(shù)字信號(hào)處理在研究生教學(xué)中的“分層信息化”教學(xué)模式探討

徐瑩 葛亞坤 厲力華

摘要：文章主要分析了本學(xué)院研究生《數(shù)字信號(hào)處理》課程在教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，面向研究生教育提出“分層信息化”教育改革模式。同時(shí)，文章針對(duì)信息化和分層化兩個(gè)層面對(duì)該課程改革內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)探討，對(duì)本專業(yè)研究生課《數(shù)字信號(hào)處理》的教與學(xué)進(jìn)行具體研究和討論，在實(shí)踐中不斷摸索面向交叉學(xué)科背景為主的研究生更有效的多渠道教學(xué)途徑和方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；研究生教育；課程改革

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）31-0137-02

《數(shù)字信號(hào)處理》是理工科非通信專業(yè)研究生學(xué)習(xí)離散信號(hào)處理的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課之一，目標(biāo)是使學(xué)生掌握信號(hào)處理的基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法，培養(yǎng)學(xué)生利用信號(hào)與系統(tǒng)概念分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的基本思路與能力，為學(xué)習(xí)后繼課程打下必要的基礎(chǔ)。本課程涉及離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)、傅里葉變換、Z變換、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)等內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容體量大，抽象概念多，教與學(xué)的難度都很大，因此需要對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行合理布局。其基本原則是：（1）避免面面俱到，重點(diǎn)關(guān)注基本概念、基本原理、工程背景及實(shí)現(xiàn)方法的闡述；（2）強(qiáng)化用數(shù)學(xué)理念分析問(wèn)題，淡化數(shù)學(xué)運(yùn)算與公式推導(dǎo)；（3）保證教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性、先進(jìn)性與實(shí)用性，希望通過(guò)對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，保持學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力和新鮮感，使學(xué)生夯實(shí)所需基礎(chǔ)知識(shí)，為今后打下必要的基礎(chǔ)。[1]

數(shù)字信號(hào)處理課程在研究生教學(xué)實(shí)施過(guò)程中的難點(diǎn)主要有：（1）重理論，輕實(shí)踐。限于大綱和課時(shí)，本課程過(guò)于重視理論課程，上機(jī)實(shí)踐機(jī)會(huì)不多。眾所周知，信號(hào)處理課程的一個(gè)特點(diǎn)就是實(shí)踐性強(qiáng)，廣泛流傳于高校的一句口頭禪“信號(hào)處理高手都是在板子上泡出來(lái)的”，就形象地說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。實(shí)踐環(huán)節(jié)時(shí)間過(guò)少，使學(xué)生不能深入掌握所學(xué)書(shū)本知識(shí)。（2）實(shí)踐缺乏系統(tǒng)性，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)完本課程后只能做一些支離破碎的練習(xí)，不能完成系統(tǒng)性、完整、合適規(guī)模的軟件設(shè)計(jì)訓(xùn)練，動(dòng)手能力較差。目前，通信技術(shù)發(fā)展很快，社會(huì)上的各個(gè)通信公司或相關(guān)企業(yè)急需系統(tǒng)性的信號(hào)處理人才，而目前高校的培養(yǎng)理念還停留在多年前的水平上，這樣培養(yǎng)出來(lái)的研究生不受社會(huì)歡迎是必然的事情。[2]

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外高校的調(diào)研結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)查閱，國(guó)內(nèi)高校在這方面大同小異，這應(yīng)該是限于大綱和課時(shí)的要求；國(guó)外情況相對(duì)好一些，以加州大學(xué)伯克利分校等著名高校為例，比較重視信號(hào)處理實(shí)踐方面的訓(xùn)練。但由于本課程交叉性強(qiáng)，可移植程度不高，需要根據(jù)國(guó)內(nèi)情況具體分析。對(duì)于工科研究生與大學(xué)生來(lái)說(shuō)，實(shí)踐環(huán)節(jié)是他們將所學(xué)理論知識(shí)轉(zhuǎn)換為實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)現(xiàn)該環(huán)節(jié)的主要形式[3]。針對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程，改革理念是“大大增加以面向?qū)I(yè)特色和實(shí)際工程應(yīng)用的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的比例”。其主要特點(diǎn)是根據(jù)專業(yè)領(lǐng)域和工程實(shí)踐增加實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的比例。每個(gè)專業(yè)面向的對(duì)象不同，以作者所在的生儀學(xué)院為例，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)主要面向醫(yī)院和生物制藥等企業(yè)，電子信息技術(shù)及儀器專業(yè)則面向各類需要電子信息處理技術(shù)的企業(yè)和公司。

它的總的改革目標(biāo)是“遵循以學(xué)生為本，注重以互動(dòng)式教學(xué)為核心的教學(xué)觀念，構(gòu)建有利于增強(qiáng)求知欲和創(chuàng)造力的課程教學(xué)模式”；并且，積極推進(jìn)國(guó)家研究生培養(yǎng)質(zhì)量工程改革理念，培養(yǎng)具有專業(yè)領(lǐng)域特色、能夠基本獨(dú)立完成初級(jí)面向?qū)ο笮盘?hào)處理工作的工程師。

面向研究生開(kāi)展“分層信息化”改革，主要包括如下內(nèi)容：

1.在緒論階段，采用講座形式介紹與數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)的國(guó)內(nèi)外前沿知識(shí)，如微弱信號(hào)檢測(cè)、鎖相信號(hào)處理、平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的處理方式等，拓展學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

2.在教學(xué)初期，采用引導(dǎo)式教學(xué)方法。通過(guò)典型的DSP應(yīng)用案例引導(dǎo)學(xué)生了解算法原理在實(shí)踐中的應(yīng)用，介紹新型芯片中的典型算法，充分利用學(xué)科建設(shè)優(yōu)勢(shì)，讓學(xué)生時(shí)刻了解學(xué)科發(fā)展最新動(dòng)向。

3.在教學(xué)實(shí)施中，采用啟發(fā)式教學(xué)法結(jié)合討論式教學(xué)法，增加師生互動(dòng)，使學(xué)生積極主動(dòng)地投入課堂。由于本課程是48學(xué)時(shí)，每次3學(xué)時(shí)，往往到最后一節(jié)課，學(xué)生的注意力已經(jīng)分散，學(xué)習(xí)積極性已經(jīng)懈怠，這時(shí)可以安排一些簡(jiǎn)短的討論或者學(xué)生感興趣的前沿專題介紹，以重新活躍氣氛，鞏固教學(xué)效果。

舉例來(lái)說(shuō)，根據(jù)研究生生源較難統(tǒng)一，且研究生教育“信息化”的特點(diǎn)，對(duì)于不同背景的學(xué)生進(jìn)行分層教育。以生物醫(yī)學(xué)工程背景的學(xué)生為例：本專業(yè)實(shí)驗(yàn)本著利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和資源的原則，綜合考慮知識(shí)的重難點(diǎn)，對(duì)研究生的課外作業(yè)做出調(diào)整，以“綜合課程設(shè)計(jì)”的兩三個(gè)相互銜接的課題對(duì)原有知識(shí)背景中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行整合，基于學(xué)生現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技能依次開(kāi)展基本操作實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。以微生物方向的研究生為例，他們熟悉微觀生物實(shí)驗(yàn)，本科階段已掌握顯微鏡的基本操作，完成顯微測(cè)量、細(xì)胞形態(tài)觀察等實(shí)驗(yàn)操作；設(shè)計(jì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)則包括活體染色、核酸存在部位及檢測(cè)方法、細(xì)胞膜的滲透壓及細(xì)胞吞噬作用等內(nèi)容；在一系列生物實(shí)驗(yàn)后，著重加強(qiáng)特定生物信號(hào)與相應(yīng)軟件處理的結(jié)合工作，開(kāi)展的課題可以為“生物醫(yī)學(xué)工程軟件設(shè)計(jì)”或“電子信息技術(shù)及儀器軟件設(shè)計(jì)”，將本科生階段獲得的一維、二維、三維實(shí)驗(yàn)作為數(shù)據(jù)處理對(duì)象。以基本的動(dòng)物生理學(xué)數(shù)據(jù)為例，將小雞或蛙心肌細(xì)胞經(jīng)離體培養(yǎng)一段時(shí)間后的信號(hào)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得存儲(chǔ)為txt數(shù)據(jù)格式，通過(guò)LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。課題中教授的濾波方法，如鎖相處理編程及特定濾波處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的分析，使學(xué)生掌握相應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理工具，對(duì)數(shù)據(jù)有更精進(jìn)的認(rèn)識(shí)。

4.在教學(xué)后期階段，采用研究式教學(xué)方法，注重學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過(guò)布置思考題和課程小論文，如語(yǔ)音信號(hào)的去噪和美化處理、圖像壓縮和重建等的方式，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用DSP技術(shù)分析解決實(shí)際問(wèn)題，踐行“學(xué)以致用”的理念。

在提高階段，我們嘗試由學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)通過(guò)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自行設(shè)計(jì)傳感器實(shí)驗(yàn)軟件。虛擬儀器技術(shù)是儀器智能化發(fā)展中尤為重要的一步。課程增加的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求學(xué)生學(xué)習(xí)使用LabVIEW或VB、VC等開(kāi)發(fā)軟件，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明了的用戶交互界面。學(xué)生學(xué)習(xí)使用各種類型的傳感器，將各種形式的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)放大和濾波等調(diào)理電路的預(yù)處理，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)的虛擬儀器。學(xué)生須通過(guò)自己設(shè)計(jì)的用戶界面完成被測(cè)對(duì)象信息的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)和處理，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。

總之，綜合利用多種教學(xué)方法，是為了提升教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，也就是轉(zhuǎn)變教學(xué)重心，從關(guān)注教轉(zhuǎn)向關(guān)注學(xué)。在此基礎(chǔ)上，我們?cè)谡n程網(wǎng)站上開(kāi)展實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)的教學(xué)活動(dòng)，進(jìn)行課下討論、答疑和交流，以英文文獻(xiàn)為主擴(kuò)充信息化教改思路，增加對(duì)課堂理論知識(shí)的理解。[3]討論時(shí)，以學(xué)生為主體進(jìn)行發(fā)言，教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)、把握和厘清關(guān)鍵問(wèn)題。

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