《数字信号处理》教学改革的研究与探索

蔡成林，吴海燕，杨 玲

(1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西桂林541004;2.南京信息工程大学，江苏南京210044)

随着信息科学技术的迅速发展，信号处理技术已成为我国实施以信息化带动工业化战略的桥梁，成为21世纪信息化时代打开电子信息科学的一把钥匙，数字信号处理的地位和作用越来越突出［1］。目前国内外许多高校都开设《数字信号处理》课程，这门课程已成为电子与通信本科专业重要的专业基础课，但是该课程存在理论性较强，数学公式和数学概念较多，无疑给这门课的教与学带来了较大的难度。我们从信息课程体系出发，在《信号与系统》的基础上，对该课程进行优化整合、利用MATLAB仿真对该课程进行可视化教学与实践［2－3］，并且将双语教学的特点加以归纳和总结，不断改进教学方法，着力提高该门课程的教学质量。

1 《信号与系统》与《数字信号处理》两门课程的整合

对“信号与系统”和《数字信号处理》两门信息类专业的核心课程进行整合，从教学内容、教学方式、教学手段等方面对这两门课程进行了整合的总体思路如下:

首先，综观“信号与系统”、《数字信号处理》这两门课，“信号与系统”课程主要学习确定性信号的时域和频域分析，线性时不变系统的描述与特性，以及信号通过线性时不变系统的时域分析与变换域分析;“信号与系统”是《数字信号处理》的理论基础，《数字信号处理》是“信号与系统”在离散域中的深入扩展。其次，“信号与系统”课程中已经对离散信号与离散系统、Z变换等内容作了系统的分析，因此，在安排《数字信号处理》课程中这部分内容时，突出以数字信号与系统的分析为核心的离散问题，尽可能减少学时，以内容回顾和补充的形式来安排这部分内容，避免简单重复。所以，要注意做好《数字信号处理》课程和“信号与系统”课程的衔接。最后，在这两门课程中，强调四大变换(傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换以及离散傅里叶变换)的数学概念、物理概念和工程概念，淡化其数学技巧与运算;在内容的配置上，连续信号的傅里叶变换、拉普拉斯变换和离散信号的Z变换安排在“信号与系统”课程中，离散信号的傅立叶变换(DTFT)以及离散傅里叶变换(DFT)安排在《数字信号处理》课程中。几种变换之间的关系如图1所示。

图1 几种变换之间的关系

通过优化整合后，《信号与系统》和《数字信号处理》两门课程在保持各自相对独立、完整的前提下，构成了融合贯通、有机统一的“信号、系统、信号分析与处理基础”课程体系。要想取得理想的整合效果，对实验教学内容的整合与实践教学方式的改革，尚值得思考与探索。另外，还必须对教学方法与手段、实践教学、师资队伍建设等各个环节进行总体规划和综合改革。

2 MATLAB在《数字信号处理》课程教学中的应用

《数字信号处理》课程是高校电子信息和通信工程等专业一门重要的专业基础课。《数字信号处理》课程的理论性和实践性都很强，它要求的数学知识多、需要掌握的基础知识强、与其他学科密切相关。但学生在学习这门课程时，普遍感到数字信号处理的概念抽象，对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握。因此，如何帮助学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法、综合应用所学知识以及解决实际问题的能力，是本课程教学中所要解决的关键问题。为了配合《数字信号处理》课程的理论教学，对《数字信号处理》的理论和算法进行MATLAB仿真，让学生结合具体的数据处理来理解概念、定理和性质，从而灵活运用所学的知识来分析和解决问题。可以使学生巩固所学的知识，加强理论和实际结合的能力，培养学生的综合设计能力与实际工作能力。

MATLAB，Matrix Laboratory的缩写，是由 Mathworks公司开发的一套用于科学工程计算的可视化高性能语言，具有强大的矩阵运算能力。与大家常用的Fortran和C等高级语言相比，MATLAB的语法规则更简单，更贴近人的思维方式，被称之为“草稿纸式的语言”。随着MATLAB的信号处理工具箱(signal processing toolbox)的推出，不需具备很强的编程能力，就可以很方便地进行信号分析、处理和设计，MATLAB已经成为数字信号处理应用中分析和仿真设计的主要工具。

在实际教学中，将数字信号处理课程中的一些重点和难点用MATLAB仿真的方式演示出来。主要内容包括采样定理、序列的基本运算、线性时不变系统响应、DFT性质分析及谱分析、IIR DF和FIR DF的分析设计及应用等内容的仿真实验演示。如:在讲述求两个以N=6为周期的周期序列x1(n)=R4(n)，x2(n)=(n+1)R5(n)的周期卷积和时，若采用传统的教学手段，教师需花费大量时间绘制这些图形曲线，但获得的教学效果却非常有限，阻碍了教学质量的进一步提高。但是如果利用MATLAB快速建立如图2所示的图形的过程，不仅可以提高教学效率和效果，同时学生也可以突破时间和空间的限制进行自主的学习。

图2 MATLAB仿真的周期卷积过程与结果演示

结合MATLAB，将实验仿真融合到课堂教学中，为改进教学方法提高教学效果提供了一种新的尝试。通过实践应用表明，此教学方式改革为学生充分理解数字信号处理的性质和应用提供了良好的辅助手段，取得了较好的教学效果。

3 《数字信号处理》双语教学实践新模式探索

利用英文原版教材进行双语教学是教育部倡导的一种教学模式，有利于教学质量的全面提高和教育的国际化发展，有利于培养具有国际竞争力的优秀人才［4－6］。我校结合专业基础课的教学改革的实践，将《数字信息处理》采用原版英文教材进行双语教学。结合我院几年来《数字信号处理》双语教学取得的成果和亟待解决的问题，总结这门课采用双语教学需要把握如下几个特点:1)选择一本图文并茂的《数字信号处理》外文教材，并且要花大力气将外文教材演化为适合学生的多媒体讲稿或课件。教材是最好的老师，一部优秀的《数字信号处理》教材不仅需要图文并茂，而且需要能将枯燥和费解的公式原理的算法流程清晰呈现给学生，而这种特征的原版教材并不多见。因此教师需要在备课上花大力气，在信息教研室全体成员的努力下，我们将外文教材中的大部分算法均采用了MATLAB仿真实现，并将其做成多媒体课件［4］，通过这些教学方法与《数字信号处理》外文教材完美结合，收到事半功倍的教学效果。2)专业词汇和关键术语先行和中文先行的原则。《数字信号处理》这门课采用双语教学的第一年，在问卷调查中，有超过半数的学生表现出不适应，为此，信息教研室针对问卷中学生存在的问题，集体攻关探索了一种新的双语教学模式。在讲授这门课之初，教师应该对《数字信号处理》教材中出现频次较多的专业词汇及关键术语先用1～2次课作总体的中英文对照讲授;其次，双语教学采用中英文两种语言讲授，我们面对的大多数学生是中国本土的学生，他们习惯了母语的讲授方式，因此从这个特点出发，先简要的用中文讲述一节课需要掌握的重点、难点以及基本内容，再对一堂课的知识进行双语讲授，最后，对于重点和难点还需要采用中文总结。这样讲授的最大好处在于对于英语基础较差而又没有预习和复习习惯的学生起一个提纲挈领和快速适应的作用，极大地降低了双语教学中学生的接受难度。经过两年的实践研究和不断完善，学生表现出不适应的比例显著减少，在最近的问卷调查中，只有12%的学生明确表示不适应。

本文从课程整合、MATLAB在《数字信号处理》中的应用和双语教学实践模式改革等几个方面阐述了这门课程的教学改革成果。《数字信号处理》作为电子信息类专业的一门重要的专业基础课，对后续的专业课的学习具有直接的重要影响，在全面提高学生专业素质和与国际化接轨这一背景下，进一步优化《数字信号处理》的知识结构和探索具有显著成效的教学模式具有非常重要的教改价值。我院作为相对年轻的电子类普通院校，为了给国家培养适应时代、理论基础扎实、具有创新激情的高素质人才，需要对《数字信号处理》的最优化培养模式作深层次的探索和改革，本文研究成果对其深层次的探索和改革起抛砖引玉的作用。

［1］刘大年.《数字信号处理》课程的形象化教学方法探索［J］.电气电子教学学报，2006，28(4):104 －111.

［2］王希连.Matlab软件在数字信号处理课程教学中的应用研究［J］.大学教学，2005，21(1):14 －16.

［3］聂小燕，鲁才.数字信号处理教学改革的探索［J］.实验科学与技术，2008，6(6):125 －126.

［4］彭启琮.《数字信号处理》课程双语教学的初步实践与探讨［J］.电气电子教学学报，2003，25(4):12 －14.

［5］彭启琮.国家精品课程《数字信号处理》双语教学实践［J］.中国大学教学，2005，4:16 －17.

［6］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，2006，65(1):72 －79.