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    數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

    2019-09-19 11:34:52劉倩柳兆軍
    電腦知識(shí)與技術(shù) 2019年20期
    關(guān)鍵詞:層次數(shù)字信號(hào)處理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

    劉倩 柳兆軍

    摘要:針對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題,提出采用“基礎(chǔ)-提高-綜合”層次性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,強(qiáng)化對(duì)理論知識(shí)的理解掌握;其次,增加創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,提高主動(dòng)思考能力。實(shí)踐結(jié)果證明,實(shí)驗(yàn)改革提高學(xué)生創(chuàng)新思維能力,取得了較好的教學(xué)效果,提高了教學(xué)質(zhì)量。

    關(guān)鍵詞:數(shù)字信號(hào)處理;實(shí)驗(yàn)教學(xué);層次;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);改革

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

    文章編號(hào):1009-3044(2019)20-0146-02

    開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):

    Abstract: In view of the problems existing in the traditional experiment teaching of digital signal processing, this paper proposes to adopt the hierarchical experiment of "foundation-improvement-synthesis" to strengthen the understanding and mastery of theoretical knowledge; secondly, the paper increases innovative experiment content to improve the ability of active thinking. Results show that the experiment reform improves the innovative thinking ability, achieves better teaching effect and improves teaching quality.

    Key words: digital signal processing; experiment teaching;hierarchical; innovative experiment;? reform

    數(shù)字信號(hào)處理作為電子和通信類專業(yè)的基礎(chǔ)課程,具有知識(shí)抽象難理解,公式繁多,推導(dǎo)復(fù)雜等特點(diǎn),尤其需要具備一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),導(dǎo)致部分學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣。數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)驗(yàn)課程能夠?qū)?fù)雜的公式推導(dǎo)過(guò)程形象直觀地展現(xiàn)出來(lái),輔助學(xué)生更好的理解理論知識(shí),調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,因此,實(shí)驗(yàn)課堂非常重要。我校通信專業(yè)學(xué)生在大三上學(xué)期開(kāi)設(shè)“數(shù)字信號(hào)處理”課程,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課程知識(shí)緊密聯(lián)系,但是,學(xué)生僅是照搬實(shí)驗(yàn)代碼,仍然無(wú)法很好地理解課程知識(shí),更無(wú)法將課程知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來(lái),無(wú)法達(dá)到本科學(xué)生“應(yīng)具有從事科學(xué)研究和解決工程實(shí)際問(wèn)題所要求的初步的實(shí)驗(yàn)工作能力”的培養(yǎng)目標(biāo)要求。為了更好地實(shí)現(xiàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)目標(biāo),對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分層次設(shè)計(jì),對(duì)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改革和創(chuàng)新。

    1 “數(shù)字信號(hào)處理”實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)狀分析

    1.1 實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)狀

    山東理工大學(xué)“數(shù)字信號(hào)處理”實(shí)驗(yàn)共8學(xué)時(shí),共4次,課本選取西安電子科技大學(xué)高西全編著的《數(shù)字信號(hào)處理》,課本內(nèi)容知識(shí)基礎(chǔ),條理清晰,每章的基本原理都有MATLAB釋疑與實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上,本校實(shí)驗(yàn)一直以來(lái)沿用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)授課內(nèi)容,主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),包括“卷積運(yùn)算”、“DFT和FFT”以及“濾波器的設(shè)計(jì)”等MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)主要目的是幫助學(xué)生更好地理解數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本原理和基本設(shè)計(jì)方法。但在后續(xù)的課程如“數(shù)字圖像處理”中發(fā)現(xiàn),學(xué)生并未更好地理解信號(hào)處理的基本概念,在實(shí)際操作中不能熟練應(yīng)用。

    1.2 實(shí)驗(yàn)課程存在的問(wèn)題

    1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是根據(jù)課程的重點(diǎn)難點(diǎn)部分來(lái)確定的,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都為驗(yàn)證性實(shí)現(xiàn),采用MATLAB軟件仿真,而實(shí)驗(yàn)代碼網(wǎng)上比比皆是,導(dǎo)致很多學(xué)生照搬代碼,根本不去理解實(shí)現(xiàn)的過(guò)程與課程知識(shí)的對(duì)應(yīng),喪失了實(shí)驗(yàn)課堂的意義。

    2)實(shí)驗(yàn)課堂枯燥。實(shí)驗(yàn)課堂一般是由教師先介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的原理,而后學(xué)生完成實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容全部是課程知識(shí),實(shí)現(xiàn)方式也是簡(jiǎn)單的復(fù)制性的仿真實(shí)現(xiàn),并未有任何創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,導(dǎo)致學(xué)生的積極性不高。

    3)綜合性創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)缺乏。對(duì)于工科學(xué)生而言,應(yīng)該具備一定的動(dòng)手思考能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力,而實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并未體現(xiàn)出來(lái),無(wú)法達(dá)到學(xué)以致用的目標(biāo)。

    2 實(shí)驗(yàn)課程改革內(nèi)容

    1)豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。原先簡(jiǎn)單的以驗(yàn)證算法、觀察結(jié)果為主的實(shí)驗(yàn),遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)。根據(jù)課程內(nèi)容要求,根據(jù)“數(shù)字信號(hào)處理”課程中的基礎(chǔ)、重點(diǎn)和難點(diǎn),實(shí)驗(yàn)課程系統(tǒng)地規(guī)劃為三個(gè)分層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(系統(tǒng)),將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容配合課堂講授,調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主觀能動(dòng)性。具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如圖1所示。

    第一個(gè)層次是基礎(chǔ)模塊,是基礎(chǔ)概念、基本算法的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),包括“時(shí)域離散信號(hào)的基本運(yùn)算”、“卷積運(yùn)算”和“零極點(diǎn)分析”等,主要目的是通過(guò)MATLAB的結(jié)果形象直觀的理解時(shí)域離散信號(hào)的基本概念;從卷積運(yùn)算的動(dòng)態(tài)演示中,深入理解線性卷積的整個(gè)過(guò)程,獲得對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”這門課程的最初級(jí)的知識(shí)印象。

    第二個(gè)層次是提高模塊,是對(duì)于基本設(shè)計(jì)原理的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),包括“DFT和FFT”和“濾波器的設(shè)計(jì)”等,主要過(guò)程需要學(xué)生根據(jù)第一個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)自己產(chǎn)生比較復(fù)雜的信號(hào),然后通過(guò)FFT的運(yùn)算,理解頻譜變換的概念,及其通過(guò)濾波器的設(shè)計(jì)掌握濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程及其濾波效果的理論分析,從而能具備在具體實(shí)踐問(wèn)題中,通過(guò)頻譜分析來(lái)選擇合適的濾波器進(jìn)行處理的能力。

    第三個(gè)層次是綜合項(xiàng)目模塊,是對(duì)整門課程的知識(shí)檢驗(yàn)的綜合性實(shí)驗(yàn),包括“語(yǔ)音信號(hào)處理”、“生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理”和“圖像處理”等等。綜合性實(shí)驗(yàn)一方面需要學(xué)生除具備該門課程的基礎(chǔ)理論、基本原理等知識(shí)外,還需要了解與其相關(guān)的如語(yǔ)音、圖像、心電、心音信號(hào)的知識(shí)等;另一方面有些實(shí)驗(yàn)的綜合復(fù)雜性,還需要多人合作完成,有利于學(xué)生團(tuán)隊(duì)意識(shí)的培養(yǎng)。

    2)增加選擇性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。從整體優(yōu)化的角度出發(fā),將“孤立的實(shí)驗(yàn)”轉(zhuǎn)化為“設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”,不斷充實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與科研項(xiàng)目、社會(huì)應(yīng)用實(shí)踐密切聯(lián)系起來(lái),努力提高課程的綜合化、系統(tǒng)化程度。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)既需要綜合其他課程的所學(xué)知識(shí),還需要?jiǎng)邮炙伎荚O(shè)計(jì)出相關(guān)系統(tǒng)或者平臺(tái)。鑒于學(xué)生在大一已學(xué)習(xí)過(guò)“程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”,具備基本的編程能力,創(chuàng)新性內(nèi)容包括:設(shè)計(jì)教學(xué)平臺(tái)、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)等,學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣愛(ài)好選擇適合自己的課題,單獨(dú)或團(tuán)隊(duì)合作完成。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)性為主,以解決實(shí)際問(wèn)題為目的,在設(shè)計(jì)中學(xué)生會(huì)經(jīng)歷出現(xiàn)問(wèn)題,思考問(wèn)題及通過(guò)查閱資料或者教師指導(dǎo)來(lái)解決問(wèn)題的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中,學(xué)生得到創(chuàng)新能力和科學(xué)研究素質(zhì)培養(yǎng),是接受創(chuàng)新思維啟迪的一種好的方式,符合因材施教的原則,也為拓展應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供了一種思路。

    3)營(yíng)造開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境。針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少的問(wèn)題,將實(shí)驗(yàn)拓展到實(shí)驗(yàn)課程外,為學(xué)生創(chuàng)造自主學(xué)習(xí)、自主提高的實(shí)驗(yàn)氛圍。學(xué)生將本課程知識(shí)與其他課程的知識(shí)相結(jié)合,選擇提出申請(qǐng)的實(shí)驗(yàn)課題名稱,通過(guò)答辯形式,獲得進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室自主學(xué)習(xí)的名額。在這個(gè)過(guò)程中,學(xué)生通過(guò)綜合各門專業(yè)課程知識(shí)來(lái)提出問(wèn)題,分析問(wèn)題,解決問(wèn)題,強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)造能力和獨(dú)立思考能力,促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)觀念和教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變。

    自實(shí)施實(shí)驗(yàn)改革以來(lái),從課程教學(xué)效果來(lái)看,學(xué)生的積極性,主動(dòng)性有了很大水平的提高;從實(shí)驗(yàn)考核來(lái)看,考核成績(jī)有了較大的提升;而據(jù)學(xué)生的反饋情況,學(xué)生愿意自己動(dòng)手,自己思考與課程理論相關(guān)的問(wèn)題,甚至積極主動(dòng)解決與實(shí)際相關(guān)的問(wèn)題。這為培養(yǎng)和提高學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新素養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

    3 結(jié)語(yǔ)

    數(shù)字信號(hào)處理課程概念抽象,難于理解,而實(shí)驗(yàn)是輔助課程學(xué)習(xí)的重要手段。通過(guò)改革實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,劃分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容層次,將實(shí)驗(yàn)分解為基礎(chǔ)、提高和綜合三個(gè)模板,既能滿足不同水平學(xué)生的知識(shí)需求,也能提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)意識(shí)。根據(jù)近三年課程的教學(xué)反饋,學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)處理理論知識(shí)的理解更加清晰,并且在動(dòng)手能力,自主學(xué)習(xí)與主動(dòng)思考能力方面也有了較大提高。

    后面的工作還需要設(shè)計(jì)更多的綜合性課題,滿足更多的需求。對(duì)于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方面,問(wèn)題設(shè)計(jì),題目選擇,完成目標(biāo)等方面還需進(jìn)一步細(xì)化。

    參考文獻(xiàn):

    [1] 徐讓書,黃福幸.專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的綜合性創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)改革方案[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué),2002(9):30-31.

    [2] 鐘麗輝,戴正權(quán),李莎. 基于MATLAB的工程實(shí)踐性“數(shù)字信號(hào)處理”實(shí)驗(yàn)改革初探[J].工業(yè)和信息化教育,2016(12):45-49,71.

    [3] 葛青,葛良全,吳建平.“ 數(shù)字信號(hào)處理” 實(shí)踐教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2013, 11(5):71-73.

    [4] 楊智明,彭喜元,俞洋.數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)踐型教學(xué)方法研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(9):180-183.

    【通聯(lián)編輯:王力】

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