《数字信号处理》课程本科教学方法的探索与实践

王 磊 窦海娥

（1南京邮电大学，江苏 南京 210003）

（2巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

《数字信号处理》课程本科教学方法的探索与实践

王 磊1窦海娥2

（1南京邮电大学，江苏 南京 210003）

（2巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

随着信息科学和计算技术的迅速发展，数字信号处理的理论与应用得到了飞速的发展。《数字信号处理》课程已经成为大专院校相关专业一门必修课程，这极大地促进了教学辅助工具和软件的发展，也反过来对该学科的教学提出了新的要求。本文分析了在本科阶段开设该课程存在的主要问题，并针对这些问题在教学内容和教学方法等方面进行了改革与探索。实践证明通过相关改革可以取得良好的教学效果。

数字信号处理；教学方法；教学改革

1 引言

《数字信号处理》是信息类专业的一门重要的专业基础课程，它研究的内容广泛应用于通信工程、信息工程、网络工程、广播电视工程、计算机科学、信息安全等许多专业领域，对这些专业的理论研究和工程应用均起到重要的指导作用。可以说数字信号处理技术是现代信息产业的重要基石，它在网络时代的地位与CPU在PC时代的地位是一样的。但由于该课程的抽象性和理论性，我校最初重点向研究生开设此课程，现在它已成为我校通信与信息工程等专业本科生的必修课程。本科生在学习这门课程时，常常感到概念抽象，对其中的分析方法和基本理论等不能很好地理解和掌握。为提高教学效果，我们对“数字信号处理”课程的本科教学过程中出现的主要问题进行分析，并结合教学实践给出相应的教学改革方法。

2 教学内容与主要问题分析

数字信号处理的理论基础是离散线性时不变系统理论和离散时间傅里叶变换（DTFT），这些内容在“信号与线性系统”课程中已做了详细的讨论，而数字滤波和快速傅里叶变换（FFT）才是数字信号处理这门课的经典内容，我们将重点介绍这两方面内容。学习这些内容的同时还应当着眼于设计和应用手段的不断更新。数字信号处理器和数字信号处理软件工具是数字信号处理应用的两大支撑工具，应结合相关的理论对他们作了必要的介绍，特别是需要引入了以Matlab为工具的仿真实验。考虑到一些新的发展领域与当前的电子信息系统关系密切并能够和本课程内容成一体系，例如多采样率信号处理等内容，也将在这门课程中给予介绍。至于最优滤波理论、自适应滤波、二维滤波、数字频谱的参数模型法和高阶谱分析等内容应归入 “现代数字信号处理”或“随机信号处理”的课程。

近年来，数字信号处理在理论和应用方面都有了飞速的发展，也因此对该学科的教学提出了新的要求。通过教学实践及分析讨论，我们认为这门课程最主要的主要特点和突出问题为：

2.1 《数字信号处理》课程的理论性强。信号处理本身就是一门源于数学的学科，也被有些学者称为是数学的一个分支。它使用数学语言对工程问题进行描述，其中的定理和结论以严格的数学证明作为依据，并对其赋予实际的工程物理意义来指导工程实践。所以数字信号处理课程包含了很多抽象的概念和理论，也涉及到较多的数学推导过程。这是工科类本科生理解和掌握起来有一定难度的最主要原因。

2.2 本科学生缺少一些先修的基础知识。《数字信号处理》课程要求学生掌握的先修基础知识有很多，如高等数学、概率论和随机过程、线性代数、信号与线性系统、通信原理等。部分学生对这些先修课程掌握的不够扎实，这就会影响数字信号处理课程的学习。另外，部分先修课程在本科阶段讲授的内容还不足以用来理解数字信号处理中的一些内容，例如对多采样率信号处理、等波纹最佳逼近原理等问题的理解。

3 教学方法的探索与实践

在本科阶段开设《数字信号处理》存在着一定的难度，对授课教师来讲也是一个挑战。我们通过对教学方法的改革和实践，比较成功地解决了上述问题，取得了良好的教学效果。

3.1 采用丰富多样的授课方式。在教学中要充分利用多媒体辅助教学的优势，采用板书和幻灯片优势互补的授课方式。对于一些教学提纲、归纳小结、图文图示以及动画演示的内容，宜采用幻灯片。而对一些公式的推导，基本原理的解释，则用板书授课效果更好，互动性强，学生也能够跟随教师的思路来领会课堂知识。此外，将教学过程与当前最优秀的科学计算软件Matlab进行有机结合是非常重要的，这样可以使一些很难理解的抽象理论得到直观演示解释，同时解决了各种复杂问题的分析与计算等难题。我们在授课的过程中通过多种方式的结合，努力使复杂的数字信号处理理论变成了学生易接受、易实现的简单问题。

3.2 合理选择教学内容。数字信号处理理论与应用发展迅速，《数字信号处理》课程涉及的内容很多、逻辑性很强，而教学的学时和学生的接受能力有限，因此必须合理地筛选授课内容。在侧重基本概念、基本原理和基本方法的原则下，重点讲授基础的或者带有普遍意义的知识点，而对类似或衍生的知识只进行简单地介绍。在具体内容的取舍方面，我们结合数字信号处理技术的发展做了精心的安排。例如，在滤波器设计方面，由于设计手段的更新，以往依赖于设计手册的方法已毫无意义，故我们只在复习模拟滤波器设计时侧重于介绍其特点、性能和参数的意义，而讨论数字滤波器设计时重点介绍了用计算机设计数字滤波器的有关内容。再如，对于滤波器系数量化效应的统计分析方法几乎已经没有实用价值，而Matlab仿真却可以准确地计算出系数量化对频率响应的影响，因而在教学中应舍弃统计分析方法代之以Matlab仿真。

3.3 强调重点概念和理论的物理意义。要努力通过联系实际应用以培养学习兴趣，降低问题的抽象性。由于本课程的理论和结论是通过数学推导的方式得到，学生在关注公式推导证明时往往不注意理解其实质内涵，逐渐造成了学习兴趣的下降。针对这种情况，我们除了进行必要的推导以外，教学中要特别强调结论的物理意义和应用。如在面向通信工程专业本科生授课时，我们以现代通信系统为工程背景，结合课程的内容，具体分析了数字信号处理在通信系统中的应用。

3.4 及时反馈并注重关联。在教学工作中，除了安排定期的答疑和课间答疑外，每次作业中出现的问题要及时反映在习题课的讲解中，为本课程后续内容的学习扫清障碍，杜绝“累积效应”。此外，要注重与先修课程的关联，对先修课程中出现的相同内容的不同表达方式一定要解释清楚，使学生不会混淆概念，反而更好地理解和掌握多门课程。例如，本课程中也出现了噪声功率谱密度，在通信原理课程中存在单边带功率谱密度和双边带功率谱密度的区分，这里就要向学生解释清楚。

3.5 学术研究与本科教学紧密结合。努力开拓学生视野，适时地将国内外的重大科技事件和授课内容联系起来，既可以拓展学生的学术视野，又可以提高学习兴趣。授课教师应将自身的学术研究与本科教学结合起来。例如，目前在国内外“压缩感知（Compressed Sensing）”技术已逐渐成为学术界的研究热点，并有望打破传统的奈奎斯特（Nyquist）采样定理，从而很可能带来信号处理领域的又一次重大变革，而“压缩感知”中许多新方法的诞生和使用都可以和数字信号处理课程中的教学内容联系起来。这样，通过介绍最新学术动态，不但可以激发学生的学习兴趣，还可能会增强本科生毕业后继续深造的信心。

4 结束语

虽然在本科阶段开设《数字信号处理》课程存在着诸多问题，但是遵循上述方法我们不仅顺利地开设了《数字信号处理》本科课程，而且取得了良好的教学效果。诚然，教学改革是一个多方面长期的不断探索、逐步完善的过程。在今后的教学过程中，我们会继续进行教学改革探索与研究，不断完善教学过程。也希望同行们反馈宝贵建议和意见，交流教学体会和经验，以便不断修正教学中的误区，不断去粗取精，进一步提高教学效果和质量，共同努力为我国信息产业的发展培养出更多更优秀的专业人才。

[1]谢利民等，现代教学基础理论[M].上海：上海教育出版社，2003.

[2]http://ac.zstu.edu.cn/rcdp/bencandy.php?fid=95&id=196.

[3]http://www.etc.edu.cn/show/2009/shuzi10.htm.

[4]http://www.news.ynu.edu.cn/jxky/2006-11-24/0-8-1534.html.

[5]任淑萍，王欣峰.《数字信号处理》的优化教学研究[J].电力学报，2008，23（3）：255-257.

[6]刘焕淋，何方白，李强.多媒体网络环境中的《数字信号处理》教学研究[J].中国教育导刊，2005，（4）：74-75.

[7]朱金秀，张卓，朱昌平.数字信号处理课程实验教学研究与实践[J].实验室研究与探索，2008，27（5）：96-98.

[8]何培宇，孙明义.《数字信号处理》课程多媒体双语教学的探索与体会[J].高等理科教育，2006，（1）：72-73.

EXPLORATION AND PRACTICE OF TEACHING METHODS FOR UNDERGRADUATE ON THE COURSE OF DIGITAL SIGNAL PROCESSING

WANG Lei1DOU Hai－e2
（1 Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing Jiangsu 210003）
（2 Chaohu College，Chaohu Anhui 238000）

Digital signal processing theory and applications has made rapid development with the rapid development of information science and technology computing."Digital Signal Processing" has become a relevant professional institutions a compulsory course，which greatly promoted the teaching aids and software development，in turn new requirements of teaching the subject is also put forward.This paper analyzes major problem of the creation of the courses in the undergraduate，and Reforms and explores the solutions to these problems in the teaching content and teaching methods.Practice has proved that，through relevant teaching reform，good teaching results have been obtained.

Digital signal processing； Teaching methods； Teaching reform

G642.0

A

1672－2868（2010）06－0128－03

2010-09-01

南京邮电大学教学改革研究项目（项目编号：JG00206JX10）

王磊（1977-），男，安徽砀山人。工学博士，南京邮电大学通信与信息工程学院讲师，研究方向：现代通信中的智能信号与信息处理、认知无线电技术、压缩感知技术以及随机矩阵理论在无线通信中的应用。

责任编辑：陈 凤