基于深度學(xué)習(xí)的現(xiàn)代數(shù)字信號處理教學(xué)模式改革探討

牟海維 韓建 劉超 呂秀麗

摘?要：現(xiàn)代數(shù)字信號處理課程是信號處理理論重要知識體系，是研究隨機(jī)信號的分析和信號處理算法的基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性。為適應(yīng)信息類研究生對課程內(nèi)容學(xué)習(xí)需要，通過引入深度學(xué)習(xí)來深入掌握現(xiàn)代數(shù)字信號處理知識點(diǎn)，以維納濾波為例，通過引入深度學(xué)習(xí)框架，解決數(shù)字圖像處理過程方法，提升學(xué)生在深度學(xué)習(xí)在數(shù)字信號處理中的實(shí)踐能力，在課程教學(xué)中取得了較好效果。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);數(shù)字信號處理;維納濾波

目前隨著電子信息技術(shù)、微電子技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)與深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)得到了快速提升，并廣泛應(yīng)用于石油勘探、生物醫(yī)學(xué)、消費(fèi)電子、國防軍事、航空航天、現(xiàn)代工業(yè)等其他領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展的最重要應(yīng)用技術(shù)之一。由于該課程的理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，且其基本原理和方法已廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，因此有必要對本課程進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容及方法改革，優(yōu)化課程體系結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)利用python軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。

一、課程結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

《現(xiàn)代數(shù)字信號處理課程》具有數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)較多、內(nèi)容廣泛、概念抽象等特點(diǎn)，同時，如果教學(xué)方法不當(dāng)，一方面課程的持續(xù)時間也會受到限制，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中經(jīng)常感到枯燥，難以理解和掌握;另一方面，容易造成學(xué)生對學(xué)習(xí)的恐懼，失去學(xué)習(xí)的興趣。涉及教學(xué)過程如圖1所示。

現(xiàn)代數(shù)字信號處理是一種以算法信號處理為核心，是一門理論和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的實(shí)用課程。涉及的算法是基于計算機(jī)數(shù)值計算和深度學(xué)習(xí)框架，目前教師使用的傳統(tǒng)教學(xué)方式，主要教演繹的基本理論和算法，在教學(xué)中主要使用了大量的公式、算法和推導(dǎo)的學(xué)習(xí)，而忽視讓學(xué)生用計算機(jī)模擬設(shè)計調(diào)試，分析課程的內(nèi)容和解決問題的能力，讓學(xué)生覺得這門課是一個數(shù)學(xué)理論，并不有利于他們深刻理解數(shù)學(xué)概念的物理和工程問題，并且，課外實(shí)踐項(xiàng)目的限制，不利于學(xué)生今后的研究領(lǐng)域的信號處理。因此，如何提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和主動性，增強(qiáng)學(xué)生對知識的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)解決實(shí)際問題的實(shí)踐能力，是本課程教學(xué)中需要解決的關(guān)鍵問題。

二、引入案例及柔性化教學(xué)模式

理論性較強(qiáng)的課程通常側(cè)重于理論推導(dǎo)，而忽略了具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)的介紹。因此，將理論知識與實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系起來是不可能的。表現(xiàn)在他們做工程實(shí)際項(xiàng)目時，即使是對學(xué)過的相關(guān)內(nèi)容也無法用具體的手段來實(shí)現(xiàn)。在學(xué)習(xí)過程中，把理論、實(shí)踐及案例有機(jī)結(jié)合起來，知識點(diǎn)揉成一團(tuán)，相互支撐，這就是所謂的柔性教學(xué)模式，如圖2所示，每個教學(xué)模式并不是孤立的。

在現(xiàn)代數(shù)字信號處理的教學(xué)過程中，應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維方法。數(shù)字信號處理理論中包含了許多研究問題和解決問題科學(xué)的方法，如頻域分析方法、功率譜估計方法、傅里葉變換的快速計算方法等都是很好的。盡管它出現(xiàn)在信號處理的專業(yè)領(lǐng)域，但它的基本思想是利用事物的特點(diǎn)和規(guī)律來解決實(shí)際問題，這在所有領(lǐng)域應(yīng)用都是一樣的，尤其是結(jié)合深度學(xué)習(xí)來處理隨機(jī)信號問題。

三、維納濾波方法案例

深度學(xué)習(xí)解決信息處理是今后發(fā)展趨勢，因此本課程利用python軟件，利用深度學(xué)習(xí)框架結(jié)構(gòu)，調(diào)用函數(shù)和深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行案例教學(xué)，本例為調(diào)用維納濾波的函數(shù)，利用SciPy數(shù)據(jù)包中wiener濾波庫函數(shù)的調(diào)用。具體語句為from scipy.signal import wiener函數(shù)調(diào)入。

本課程通過案例式等多種教學(xué)方式，使學(xué)生從被動接受知識轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥膶W(xué)習(xí)者，通過精心組織教學(xué)內(nèi)容和詳細(xì)的教學(xué)計劃，開發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，鼓勵學(xué)生實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性學(xué)習(xí)，根據(jù)學(xué)生專業(yè)不同的背景，不同的興趣，不同的能力和不同的工作目標(biāo)，對學(xué)生需求進(jìn)行多樣化的教學(xué)，可以讓學(xué)生根據(jù)自己的職業(yè)目標(biāo)設(shè)定他們自己的學(xué)習(xí)計劃，使學(xué)生與資源實(shí)現(xiàn)合理的調(diào)度和靈活的匹配，這樣案例式項(xiàng)目式學(xué)習(xí)引導(dǎo)學(xué)生有被動變?yōu)橹鲃印?/p>

四、結(jié)論

通過課程的不斷改革，在課程教學(xué)的結(jié)束階段時，學(xué)生進(jìn)行分組選擇教學(xué)案例討論，對項(xiàng)目的解決過程，演示程序和答辯問題。這種實(shí)踐性教學(xué)方法是考核學(xué)生成績的重要依據(jù)之一。設(shè)計的專題項(xiàng)目和案例訓(xùn)練，不僅彌補(bǔ)了對抽象和困難的課程內(nèi)容對不足的認(rèn)識，也充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，使學(xué)生得到良好的鍛煉的同時，理論知識可以得到深化和鞏固，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力、分析問題和解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹霞，王波，張紅劍.新工科背景下數(shù)字信號處理課程的改革[J].學(xué)園，2017（25）：23-24.

[2]丁文飛，孫會楠，趙建新.項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法在《數(shù)字信號處理技術(shù)》課程中的應(yīng)用——以語音信號為例[J].高教學(xué)刊，2017（17）：95-97.

[3]何朝霞.數(shù)字信號處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2015，18（03）：103-105.

[4]趙楠，李世豪，肖雄，吳令浩.Matlab在語音信號處理教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2015，13（06）：54-57.

[5]沈希忠.數(shù)字信號處理課程的應(yīng)用型教學(xué)模式探索[J].高教學(xué)刊，2016（22）：98-99.

[6]李彤.創(chuàng)新設(shè)計課程項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法探索[J].計算機(jī)教育，2015（9）：72-74.

基金項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“現(xiàn)代數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐”（SJGY20170047）;黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“學(xué)科交叉復(fù)合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)研究與實(shí)踐”（SJGY20190106）;黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃重點(diǎn)課題“基于學(xué)科交叉融合的電子信息類專業(yè)改造路徑研究與實(shí)踐”（GJB1319023）;黑龍江省高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“工程教育認(rèn)證背景下復(fù)雜工程問題的構(gòu)造與教學(xué)設(shè)計研究”（SJGY20180069）

作者簡介：牟海維（1963—?），男，漢族，黑龍江綏化人，博士，教授，主要從事油田大數(shù)據(jù)及信號信息處理研究。