漸進(jìn)式學(xué)習(xí)下的“數(shù)字信號處理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

魏洪峰

摘要：為了適應(yīng)當(dāng)前社會對電子通信等專業(yè)人才的需求，文章結(jié)合學(xué)科的發(fā)展和課程的特點(diǎn)，探析了“數(shù)字信號處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，主要表現(xiàn)在整合教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)手段、運(yùn)用多樣化等漸進(jìn)式學(xué)習(xí)的實(shí)踐教學(xué)，注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：漸進(jìn)式學(xué)習(xí)；“數(shù)字信號處理”；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，“數(shù)字信號處理”課程的重要性日益突出。“數(shù)字信號處理”課程理論性強(qiáng)，概念抽象，知識點(diǎn)難于理解和掌握，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中缺乏主觀能動(dòng)性，學(xué)習(xí)興趣不高。為了適應(yīng)市場對應(yīng)用型人才的需求，改變教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)與人才能力的培養(yǎng)嚴(yán)重脫節(jié)的現(xiàn)象，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容等勢在必行。根據(jù)學(xué)科的特點(diǎn)，教師應(yīng)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式做出適當(dāng)?shù)母母?，采用適合學(xué)生實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，使學(xué)生能學(xué)以致用、學(xué)有所得，提高課堂的教學(xué)效率。

1 “數(shù)字信號處理”課程實(shí)驗(yàn)面臨的問題

“數(shù)字信號處理”作為高等院校電子信息類專業(yè)的主干課程之一，具有技術(shù)更新快、理論和實(shí)踐并重的特點(diǎn)，但是實(shí)驗(yàn)課不易開展，即使開設(shè)了實(shí)驗(yàn)課，驗(yàn)證類的實(shí)驗(yàn)課居多，而系統(tǒng)仿真類的實(shí)驗(yàn)課幾乎沒有。在課程教學(xué)中，教學(xué)方法盲目照搬，應(yīng)用和理論劃分不清，沒有自己的特色；學(xué)生動(dòng)手能力欠缺，不具備一定的分析問題和解決問題的能力；教學(xué)內(nèi)容存在理論驗(yàn)證過多，綜合性與設(shè)計(jì)性內(nèi)容較少的主要問題，借助MATLAB軟件編程驗(yàn)證理論結(jié)論過多，圖像演示、模型設(shè)計(jì)、濾波器分析等過少，綜合性與設(shè)計(jì)性的內(nèi)容欠缺，不利于學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的全面發(fā)展和分析問題、解決問題能力的培養(yǎng)^［1-2］。

1.1 教學(xué)過程中，與其他學(xué)科的銜接較少

“數(shù)字信號處理”課程在電子專業(yè)各教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用，前修課程為“信號與系統(tǒng)”，后續(xù)課程有“通信原理”“移動(dòng)通信”和“DSP技術(shù)”等?！皵?shù)字信號處理”課程和“信號與系統(tǒng)”課程在數(shù)字篇有很大的重復(fù)性，“信號與系統(tǒng)”課程的重點(diǎn)是連續(xù)信號與系統(tǒng)的分析和處理，強(qiáng)調(diào)基本概念、變換和方法的學(xué)習(xí)，主抓思維模式和研究方法，數(shù)字部分的研究很少；而“數(shù)字信號處理”課程則著重離散信號與系統(tǒng)的分析和處理，強(qiáng)化工程應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，與“信號與系統(tǒng)”課程既有聯(lián)系又有本質(zhì)的區(qū)別^［3-4］。另外，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)為后續(xù)課程的鋪墊很少，基本圍繞本課程的知識體系進(jìn)行教授，不能與其他課程做好銜接，不能把電路設(shè)計(jì)、PCB制版等聯(lián)系在一起。

1.2 教學(xué)的目的性不強(qiáng)，教學(xué)效率不高

“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)一般只是圍繞課本的基礎(chǔ)知識點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，不能借助MATLAB軟件和DSP硬件平臺實(shí)現(xiàn)“數(shù)字信號處理”課程的設(shè)計(jì)，只是利用MATLAB軟件做了一些簡單的原理和方法的驗(yàn)證，設(shè)計(jì)類、仿真類和系統(tǒng)綜合類的實(shí)驗(yàn)基本沒有涉及，所學(xué)知識不能有機(jī)結(jié)合，也不能很好地利用教學(xué)資源，教學(xué)效果和教學(xué)效率很低^［5-6］。

1.3 教師指導(dǎo)性強(qiáng)，學(xué)生的主觀能動(dòng)性差

教學(xué)方法上，教師不關(guān)心學(xué)生的個(gè)體差異，教師唱主角，一味地知識灌輸，違背了“因材施教”的教學(xué)理念；學(xué)生常常處于被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)，缺少學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和原動(dòng)力；課堂上缺少學(xué)生的積極參與，教師只讓學(xué)生完成設(shè)定的任務(wù)，學(xué)生的主觀能動(dòng)性不好，不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立能力的培養(yǎng)，造成學(xué)生對實(shí)際問題的分析和解決能力欠缺，對學(xué)生就業(yè)上崗等不利，也達(dá)不到實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革具體實(shí)施內(nèi)容

如何幫助學(xué)生提高解決實(shí)際問題的能力，以適應(yīng)人才培養(yǎng)的需要，是“數(shù)字信號處理”課程的實(shí)踐教學(xué)所要解決的關(guān)鍵問題。優(yōu)化該課程體系、豐富教學(xué)手段、運(yùn)用多樣化的實(shí)踐教學(xué)、改革考核方法等環(huán)節(jié)都會影響課程教學(xué)效果，只有對各環(huán)節(jié)總體規(guī)劃、協(xié)調(diào)建設(shè)和改革，才能取得更好的教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的熱情和興趣，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

2.1 強(qiáng)化理論知識模塊，掌握課程知識體系

通過課程的理論知識講解，使學(xué)生掌握課程的理論內(nèi)容，在深入分析課程理論內(nèi)容及組成結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生探索創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的學(xué)科知識掌握和運(yùn)用能力。

以“信號的運(yùn)算”知識點(diǎn)為例，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不等長的有限長序列的加法運(yùn)算，對應(yīng)程序如下，結(jié)果如圖1所示。

程序：

n1=1：4;

x10=［1 0.7 0.4 0.1］;

n2=3：8;

x20=［0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1］;

n=1：8

x1=［x10 zeros（1，8-length（n1））］;

x2=［zeros（1，8-length（n2）） x20］;

x=x1+x2;

subplot（3，1，1）; stem（n，x1）;

subplot（3，1，2）

stem（n，x2）;

subplot（3，1，3）; stem（n，x）;

通過編程仿真，學(xué)生能對所學(xué)的知識點(diǎn)加深理解和掌握，能修正學(xué)習(xí)中遇到的問題，提升學(xué)生的學(xué)科知識掌握和運(yùn)用能力。

2.2 促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，掌握軟件語言編程

根據(jù)“以學(xué)生的能力培養(yǎng)為目標(biāo)”的教學(xué)理念，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生運(yùn)用學(xué)過的C語言程序設(shè)計(jì)和MATLAB語言程序設(shè)計(jì)知識，根據(jù)實(shí)驗(yàn)大綱里給出的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行自主編程設(shè)計(jì)，可以了解語言編程在本課程軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，也可以加深對語言程序設(shè)計(jì)的掌握和運(yùn)用，了解MATLAB軟件仿真過程，并通過驗(yàn)證性的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)加深對課程知識的理解和掌握。

以離散傅立葉變換的知識點(diǎn)為例，利用MATLAB語言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。例如：實(shí)現(xiàn)N=16的有限序列x（n）=sin（nπ/4）+sin（nπ/8）的DFT，對應(yīng)程序如下，結(jié)果如圖2所示。

程序：

N=16;

n=0：1：N-1;

xn=sin（n×pi/8）+sin（n×pi/4）;

k=0：1：N-1;

WN=exp（-j×2×pi/N）;

nk=n-×k;

WNnk=WN.^nk;

Xk=xn×WNnk;

subplot（2，1，1）

stem（n，xn）;

subplot（2，1，2）

stem（k，abs（Xk））

通過編程仿真，學(xué)生既掌握了MATLAB語言程序編程的要點(diǎn)，又鞏固了對應(yīng)的知識點(diǎn)，加深了對課程知識的理解和掌握。

2.3 多門課程相綜合，拓寬知識體系

將“數(shù)字信號處理”課程群多門課程的知識綜合在一起，制定綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。把DSP硬件模塊與之相結(jié)合，開展綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，突出MATLAB軟件仿真和DSP硬件設(shè)計(jì)的兩種設(shè)計(jì)方案，培養(yǎng)學(xué)生軟件編程和硬件開發(fā)的能力，再拓展學(xué)生的創(chuàng)新能力。

以可調(diào)電壓的單電源供電的電源電路設(shè)計(jì)為例來實(shí)現(xiàn)硬件電路設(shè)計(jì)。TPS7301提供了可調(diào)節(jié)的輸出電壓，其調(diào)節(jié)范圍為1.2～9.75 V，可改變兩個(gè)外接電阻阻值實(shí)現(xiàn)可調(diào)電壓的單電源供電的電源電路設(shè)計(jì)，具體電路如圖3所示。

通過硬件設(shè)計(jì)，學(xué)生掌握了多門課程的關(guān)聯(lián)知識，其創(chuàng)新能力得以拓展，硬件開發(fā)能力得以提升。

2.4 通過建模仿真，奠定學(xué)生科學(xué)研究的基礎(chǔ)

在實(shí)驗(yàn)中設(shè)定模型仿真環(huán)節(jié)，可以把“數(shù)字信號處理”課程群多門課程的知識進(jìn)行綜合，使學(xué)生建立系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的理念，加強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)應(yīng)用能力、自主學(xué)習(xí)能力和解決問題能力的培養(yǎng)。

建模仿真是以MATLAB為平臺，利用DSP Builder完成的。DSP Builder是Altera推出的一個(gè)開發(fā)工具，可以在Simulink中進(jìn)行圖形化設(shè)計(jì)和仿真，利用DSP Builder進(jìn)行設(shè)計(jì)的流程如圖4所示。

DSP Builder設(shè)計(jì)流程的第一步是在MATLAB的Simulink環(huán)境中建立一個(gè)mdl模型文件，用圖形方式調(diào)用Altera DSP Builder和其他Simulink庫中的圖形模塊（Block），構(gòu)成系統(tǒng)級或算法級設(shè)計(jì)框圖（或稱Simulink設(shè)計(jì)模型）；第二步是利用Simulink強(qiáng)大的圖形化仿真、分析功能，分析此設(shè)計(jì)模型的正確性，完成模型仿真。

利用DSP Builder，以3階FIR濾波器模型為例仿真的圖形和結(jié)果如圖5—6所示。

通過建模仿真，可以把多門課程的知識進(jìn)行綜合，使學(xué)生建立系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的理念，奠定學(xué)生科學(xué)研究的基礎(chǔ)，加強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)應(yīng)用能力、自主學(xué)習(xí)能力和解決問題能力的培養(yǎng)。

2.5 完善教學(xué)質(zhì)量監(jiān)督體系，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理

所有實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的目的都是希望提高教學(xué)質(zhì)量，全方位、多元化的考核體系有助于激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的規(guī)范化管理。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，保證實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)完滿、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容充足、學(xué)生的出勤率高、保證學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案正確可行、實(shí)驗(yàn)中學(xué)生操作規(guī)范、課后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫要滿足要求等，采用多元化考核辦法進(jìn)行綜合評定，注重考評方式的多樣化和考評指標(biāo)的規(guī)范化，以保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績和教師教學(xué)

效果檢驗(yàn)的客觀公正性，使學(xué)生更加重視實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向主動(dòng)學(xué)習(xí)。

3 結(jié)語

教師通過整合教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)手段、運(yùn)用多樣化等漸進(jìn)式學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方法。教師在教學(xué)過程中，注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題能力，學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向主動(dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)生的綜合素質(zhì)有了很大的提升，教學(xué)效果良好。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王雪芬）

Research on experimental teaching of “Digital Signal Processing” under progressive learningWei Hongfeng

（College of Physical Science and Technology， Bohai University， Jinzhou 121013， China）

Abstract： In order to meet the current demand for professionals in electronic communication and other fields in society， the article explores the reform of experimental teaching in the course of “Digital Signal Processing” based on the development of the subject and the characteristics of the curriculum. The main manifestations are the integration of teaching content， enrichment of teaching methods， and the use of diversified practical teaching methods， which gradually improve students hands-on ability and problem-solving ability.

Key words： progressive learning; “Digital Signal Processing”; experimental teaching