地方高校電子信息類《數(shù)字信號處理》課程教學(xué)改革探索

朱鵬，余超，謝文武，彭鑫，童耀南

（湖南理工學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，岳陽414006）

0 引言

《數(shù)字信號處理》是電子信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。一般在三年級開課，它是學(xué)生在完成信號與系統(tǒng)課程后，進(jìn)一步為學(xué)習(xí)專業(yè)知識打基礎(chǔ)的課程。多年來，該課程教學(xué)主要采用黑板式或多媒體式的教學(xué)方式，課程內(nèi)容多偏重相似的數(shù)學(xué)分析和抽象概念。學(xué)生也主要通過課堂例題及課后作業(yè)來理解和鞏固課程內(nèi)容，這就嚴(yán)重限制了學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，無法真正理解所學(xué)知識的實(shí)際應(yīng)用，這也導(dǎo)致了該課程教學(xué)實(shí)施上存在如下特點(diǎn)[1]：如課堂內(nèi)容抽象、教學(xué)內(nèi)容偏多而課時縮減、實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時偏少且偏重于驗(yàn)證性項(xiàng)目，同時作為課程對象，學(xué)生學(xué)習(xí)自主性不高，主要依賴于課堂講授。針對這些特點(diǎn)，目前國內(nèi)外對本課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式等各教學(xué)過程上也進(jìn)行了一些改革探索：為提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量，采用任務(wù)、項(xiàng)目方式驅(qū)動，激化學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情，從而提高教學(xué)效果[2-6]；在課程教學(xué)模式上也有一定的探索[7-9]，例如提高教師自身能力、理論與實(shí)踐相結(jié)合、翻轉(zhuǎn)課堂、慕課等。也有學(xué)校通過課程內(nèi)容整合，將多門課程內(nèi)容通過適當(dāng)優(yōu)化，更好的開展教學(xué)活動[10-11]。

在此背景下，結(jié)合地方高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)特點(diǎn)，深入研究《數(shù)字信號處理》課程內(nèi)涵，面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)過程，對提高本課程教學(xué)效果和應(yīng)用型建設(shè)具有重要的理論和實(shí)踐意義。為了達(dá)到這一目標(biāo)，筆者對該課程的教學(xué)進(jìn)行了改革，取得了較好的教學(xué)效果。

1 教學(xué)改革思路

針對應(yīng)用型辦學(xué)定位，通過多國內(nèi)各層次高校對本文課程的教學(xué)現(xiàn)狀的現(xiàn)場及網(wǎng)上調(diào)研，較為客觀掌握《數(shù)字信號處理》課程現(xiàn)有教學(xué)方式及授課現(xiàn)狀，明確課程建設(shè)以基本概念和工程應(yīng)用能力為主線的改革思路。

依據(jù)《數(shù)字信號處理》課程的教學(xué)大綱，該課程的教學(xué)包括七章內(nèi)容，選用的教材為西安電子科技大學(xué)出版社出版的高西全等主編的《數(shù)字信號處理（第四版）》。教學(xué)內(nèi)容理論性強(qiáng)、學(xué)生普遍反映抽象難學(xué)，為了在有限學(xué)時內(nèi)有效完成教學(xué)內(nèi)容，一方面取消實(shí)驗(yàn)課時，將其合并到教學(xué)過程中；另一方面對課程內(nèi)容作了安排，沿兩條主線（如圖1）進(jìn)行：一條是信號與系統(tǒng)分析，包括離散時間信號和系統(tǒng)分析基礎(chǔ)、數(shù)字信號分析；另一條是信號濾波，包括IIR、FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法。沿著這兩條主線將離散信號與系統(tǒng)的時域分析、頻域分析、Z域分析、時域頻域采樣、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換、濾波器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法等知識點(diǎn)逐步呈現(xiàn)。

圖1 教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)

在教學(xué)過程上主要通過基礎(chǔ)知識講解、主要技巧分析、學(xué)生編程演示、綜合應(yīng)用演練等過程完成。

基礎(chǔ)知識講解主要由教師完成，以傳統(tǒng)的授課方式將教學(xué)內(nèi)容中涉及的基本知識進(jìn)行介紹。主要技巧分析在重要知識點(diǎn)或計(jì)算推導(dǎo)中所涉及的運(yùn)算技巧。如分解、換元、交換運(yùn)算順序等。

學(xué)生編程演練需要學(xué)生充分發(fā)揮主觀能動性，將基礎(chǔ)知識轉(zhuǎn)換為程序，以便能夠更加深刻和清晰地理解這些知識。表1給出了筆者在教學(xué)實(shí)踐中設(shè)計(jì)的編程演練內(nèi)容。以離散信號基本運(yùn)算為例，在課堂簡要介紹基本運(yùn)算后，要求學(xué)生利用程序在課后實(shí)現(xiàn)信號的加、乘、移位、卷積等基本運(yùn)算。學(xué)生通過對這些基本運(yùn)算的編程實(shí)現(xiàn)，能夠較好地理解這些運(yùn)算的過程，有利于將抽象的運(yùn)算變成實(shí)際可見的圖像，更增加學(xué)生的成就感，提升學(xué)習(xí)興趣。在學(xué)生完成基本運(yùn)算后，還可以引入回聲等這類生活中較為常見的聲音現(xiàn)象，讓學(xué)生思考能否利用基本運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。在學(xué)生思考出基本思路后直接利用程序仿真出回聲。

表1 編程演練內(nèi)容示例

綜合應(yīng)用演練則基于 CDIO（Conceive、Design、Im?plement、Operate）理念設(shè)計(jì)教學(xué)過程。主要分為以下四步：

（1）項(xiàng)目內(nèi)容設(shè)計(jì)。學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識之后，教師引入工程實(shí)際問題，引導(dǎo)學(xué)生思考和深化問題。進(jìn)而協(xié)助學(xué)生將問題歸納為項(xiàng)目，明確項(xiàng)目背景和需解決的問題。

（2）技術(shù)方案設(shè)計(jì)。針對以提出的具體項(xiàng)目，學(xué)生通過對項(xiàng)目進(jìn)行分解，逐步解剖，將問題細(xì)化。找出問題解決方案，形成完整技術(shù)方案并進(jìn)行論證。通過這一環(huán)節(jié)的實(shí)施，學(xué)生就會慢慢學(xué)會利用所學(xué)知識去分析和解決問題，從而彌補(bǔ)了純理論教學(xué)的不足，是學(xué)生在方案設(shè)計(jì)過程中消化、理解和應(yīng)用知識點(diǎn)。

（3）技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。該過程是利用一定的手段或工具，對設(shè)計(jì)好的技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)。對于《數(shù)字信號處理》課程，主要借助于程序。因此可以利用MAT?LAB、C等。這樣既學(xué)會了這些工具的使用，又能進(jìn)一步的理解所設(shè)計(jì)的知識點(diǎn)。更有意義的是，在實(shí)現(xiàn)過程中碰到的各種實(shí)際問題的解決，這些都是在理論教學(xué)中被忽略的。同時學(xué)生也能體會工程問題解決是一個不斷修改驗(yàn)證的過程，不能忽視任何微小的漏洞，形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工程應(yīng)用態(tài)度。

（4）項(xiàng)目答辯與評價反饋。學(xué)生將項(xiàng)目完成后予以總結(jié)，形成項(xiàng)目報(bào)告。由任課教師組織答辯，答辯內(nèi)容需覆蓋設(shè)計(jì)思路、原理、技術(shù)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、調(diào)試過程。答辯的重點(diǎn)應(yīng)放在技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)與調(diào)試過程上。教師組織學(xué)生依據(jù)匯報(bào)內(nèi)容進(jìn)行評價，同時，教師點(diǎn)評項(xiàng)目完成質(zhì)量、團(tuán)隊(duì)協(xié)作及匯報(bào)等方面。

在實(shí)際生活中語音信號處理、圖像處理等技術(shù)與本門課程較為相關(guān)，因此將這些技術(shù)結(jié)合教學(xué)內(nèi)容提煉形成綜合演練問題（表2）。例如在學(xué)習(xí)完濾波器設(shè)計(jì)后，引入語音信號中的變聲應(yīng)用。語音作為生活中常見的信號，對它的各種運(yùn)算和處理也能較大程度的引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。語音變聲就是一個比較有意思的應(yīng)用，這種技術(shù)可以將自己說話的聲音變成男人、女人、小孩、老人的聲音，從而達(dá)到搞怪或保密的目的。因此要求學(xué)生進(jìn)行分組，對語音變聲技術(shù)開展調(diào)研，形成如何將聲音轉(zhuǎn)為各種類型的聲音的技術(shù)方案并編程實(shí)現(xiàn)，然后根據(jù)技術(shù)方案和實(shí)現(xiàn)在課堂做相應(yīng)的展示。

表2 參考綜合演練選題

2 考核與成效

為了驗(yàn)證課程教學(xué)效果，筆者對該課程的考核也進(jìn)行了改革，將平時出勤情況和思想表現(xiàn)納入課堂表現(xiàn)，占最終成績的5%。編程演練表現(xiàn)作為課堂作業(yè)，占比15%。綜合演練作為綜合實(shí)踐，占比20%。而期末考試由原來占最終考核成績的80%降為60%，并且出卷緊扣工程認(rèn)證要求，著重考查學(xué)生對知識的應(yīng)用能力。通過該考核方案的考核結(jié)果分析，學(xué)生在日常學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用能力上有了較為明顯的提高，展現(xiàn)出較為濃厚的學(xué)習(xí)興趣。

3 結(jié)語

作為電子信息類專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，《數(shù)字信號處理》的教學(xué)應(yīng)該緊密結(jié)合地方高校特點(diǎn)，圍繞應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，將應(yīng)用能力培養(yǎng)貫穿與教學(xué)整個過程。為此筆者結(jié)合近年來教學(xué)實(shí)踐，參考近年來廣泛采用的CDIO工程教育理念，對《數(shù)字信號處理》課程教學(xué)進(jìn)行了改革探索。實(shí)踐證明該教學(xué)改革對地方本科院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)起到了良好的效果，提供了學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，為后續(xù)教學(xué)奠定了良好基礎(chǔ)。同時也為其他同類課程的教學(xué)提供思路。