基于CTE理念的数字信号处理课程改革

燕丽红 ， 林志雄

（1.西安欧亚学院 信息工程学院，陕西 西安 710065；2.莆田学院 电子信息工程学系，福建 莆田 351100；3.中国科学院 西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119）

《数字信号处理》作为电子信息工程和通信工程专业重要的专业课，是一门基础理论与工程实践相结合的课程，文中作者在近四、五年的授课过程中，发现这门课在讲授时很费力，但学生还感到枯燥、难懂。探其原因，其概念、原理和方法都包含较多的数学知识和复杂的数学推导，而民办院校或地方性院校的学生数学基本功底本身不到位，看见数学首先就很排斥、厌倦，再加上这门课又有很多的专业描述，更是让学生感到畏惧，尽管老师也很辛苦，但教学效果却不明显。因此，作为大学阶段的专业必修课又是很重要的专业知识课，要充分调动学生的积极性和主动性，使学生学有所成，转变教学理念，改革教学方法和教学方法，提高教学质量是很有必要的[1-5]。

1 改革理念

传统的教学方式更多地是注入式（灌输式）的教育学生。对于数字信号处理这门课，主要采用以理论教学为主，实验教学为辅的授课方式，尽管教师也采用了多媒体等现代化的教学手段，但课堂还是以教师为中心，学生学习的积极性和主动性很少被调动。西安欧亚学院与美国杜肯大学合作成立“卓越教学中心”（Center for Teaching Excellence，简称“CTE”）项目，致力于支持、提高、改进教与学。改革了传统的教学方式，将以教师为中心的教学转向以学生为中心，在教学设计环节、教学方法、教学质量评价等方面进行改革，旨在以学习者为中心，重视学生的参与度与主动性。该理念已在西安欧亚学院进行了多期的师资培训，并已在该院大多数专业推广，未来也可推广到其他以应用型人才培养为目标的地方型本科院校。

在CTE理念中，更多地是强调学生的主动性。其中布鲁姆的教学分类法则（Bloom’s Taxonomy）包括：知识（knowledge）、理解（comprehension）、应用（application）、分析（analysis）、评价（evaluation）、创造（creation）等 6 个方面，但更强调对学生的评价，有了好的评价体系，学生的主动性才能得到更好的发挥，因此制定课程的评价体系是至关重要的，而且一定要强调这些评价指标是会按实际执行的。

在这门课的教学改革中，除了采用板书与多媒体相结合的方式，更多的是采用新的教学理念和方法调动学生学习的积极性和主动性，如在课前通过BB（Blackboard）网络辅助教学系统提前布置任务营造学习氛围，在课中精心设计授课流程和问答层级，分组讨论、交流分享等进行教学方法改革，课后通过大作业，资料消化等再学习的方式使学生对所有内容进行更深入的掌握，以提升教学效果。

2 改革措施

《数字信号处理》课程本身理论性强、公式推导较多、概念比较抽象，学生常感到枯燥难学。近几年的教学中，作者也进行了相应的课程改革，但更多的是采用传统的教学方式，改革辅以多媒体教学，但未强调学生的参与度，学生满意度一般[6-7]。

对该课程的改革主要是以学生为中心，淡化枯燥的数学推导，将课堂教学一部分变为多媒体教学，尽量将一些理论分析用图形或动画的手段展示出来，以增强学生的感性认识。采用BB网络教学手段，将课程相应的课件，视频，学习资料等进行共享，提前布置任务等方式让学生参与部分章节试讲的方式，或专题分享的形式提高学生的参与度。并开设相应的实验课，实验课主要是以MATLAB为平台，充分利用MATLAB[8-9]的数字信号处理工具箱提供的各种功能让学生亲自动手将课堂所学进行仿真实现。

结合CTE理念，采用精心制定符合CTE标准的课程大纲，优化教学内容，改革教学手段和实验教学方式，设计切实可行的评价考核体系等方式对数字信号处理这门课进行改革。

2.1 教学大纲的制作

以往的教学大纲就是把这门课的主要知识点很笼统地罗列出来，再加上相应章节所用的课时和课程所用的参考书等内容。根据CTE要求，在制定新标准的课程大纲时，主要涉及课程描述、本课程与其他课程的关系、教师资料、课程设计思路、学完本课程学生能达到的行为目标、课程参考书目及相关阅读资料，教学过程每章节的内容及给学生提供的阅读材料和给学生期望目标、考核评价要求等8部分。其中通过课程描述学生可以了解这门课可以学到什么，有课程与其他课之间的联系可以使老师和学生清楚这门课在这个专业中的地位，有教师资料学生就很方便平时和老师沟通与交流，提供大量的阅读材料可以使学生更好地掌握这门课的知识，而详实的评价体系能更好地将学生平时的表现展现出来，在教学过程中学生积极参与了教学环节，这样就给教师上课带来了很大的鼓舞，同时学生也能够从中得到更多的知识。

2.2 优化教学内容

该课程主要讲授的是基础理论部分，工程算法部分，工程应用部分及系统设计等方面的内容，针对不同类型的知识单元，将：1）理论部分如离散时域信号与系统的时域分析、频域分析、DFT等知识单元，通过学生参与，讨论、对比的方法，让学生重点加强对其物理概念的理解。2）工程算法部分如FFT算法等内容主要让学生要理解其基本原理，能够举一反三，并可以分小组讨论、交流。3）工程应用部分如利用DFT计算线性卷积、信号的抽样与恢复等部分主要利用PPT，或动画的形式给学生一个感性的认知，同时培养学生利用Matlab仿真软件等将实际应用中的问题进行分析和解决的能力。4）系统设计如IIR滤波器的设计、FIR滤波器的设计等主要讲授基本思想，通过讨论比较，强调仿真的重要性，培养学生具备系统设计的思维和方法。

2.3 改革教学手段

在具体的教学中，采用传统的教学手段展示重要理论的推导、分析，多媒体演示将复杂的波形及变换过程直观地展现给学生，实验内容的仿真实现更好地将所学的理论知识进行了应用，这3方面有机的结合使学生对基本概念和基本理论理解和掌握的同时，又提高了学生积极思维的主动性。

在教学过程中，除了采用以上手段进行教学改革外，更重要的是强调学生的参与度和主动性，即采用内容丰富的网络教学系统，学生可以利用BB网络教学系统随时自学、交流和答疑，保证了较高的教学效果。其中BB系统中主要包括：任课教师信息、课程通知、课程文档（教学大纲、教学计划）、学习资料（跟课程相关的课外学习资料）、作业与测试、交流等部分，通过提前布置相应的任务，让同学熟知下节课的任务，参与习题课或部分章节的讲授，以培养学生主动学习的意识，引导学生积极地思考，充分调动了学生的积极性。同时老师在每位同学讲授完后一定要进行点评和给予激励，这样能够更好地保证课堂效果的有序进行。如图1所示课程BB系统结构图。

图1 数字信号处理课程BB系统结构图Fig.1 BB system structure of digital signal processor course

2.4 改革实验教学方式

以往的实验教学大部分都是老师在课堂上进行仿真演示，学生没有更多地进行实践，而且也不重视这样一个环节，往往学期末了学生对其理论知识还是一知半解，考试成绩也不理想。因此，在具体的授课过程中，部分为课堂授课演示，部分为机房上机实验，这样让学生亲自参与到数字信号处理的实践中，通过理论验证和系统设计的实践环节，加强学生理论应用能力。

实验部分的内容主要分为典型信号的实现，信号的频域分析，数字滤波器的设计等，每部分的实验分为验证性或设计的内容，即有规定学生必做的内容，也会让学生根据个人情况自己设计实验内容。MATLAB强大的仿真功能是学生本科阶段必须掌握的软件，因此，实验仍采用MATLAB作为平台，让每一位学生都能重视起来，不但可以对数字信号处理的理论有一个新的认识，而且对MATLAB信号处理工具箱的应用能力也得到提高。

针对目前学生大部分拥有计算机的情况，除了在机房统一进行实验，毕竟课时有限，课后还会布置相应的实验让学生通过自学或讨论，查阅相关资料来完成，根据学生完成情况，给予疑难问题的答疑。同时为了考查学生软件的掌握情况，和理论应用的能力，期末考试采用上机操作的考试方式。

2.5 改革综合评价体系

传统的课程考核体系为平时占40%（课后作业和到课率各占20%），期末考试（笔试）占60%，学生平时的学习过程没有考核。而CTE更强调学生的参与和给与学生的评价，以激励学生学习的主动性和积极性。结合这门课程的特点，同时还会布置大作业，为了鼓励同学了解数字信号处理技术的最新发展，写一篇关于数字信号处理的综述性论文，做到学以致用。具体考核评价如表1所示。

表1 数字信号处理课程考核情况表Tab.1 Evaluation form of digital signal processing course

3 结 论

文中基于CTE理念，对数字信号处理课程从制定教学大纲，课程内容，教学手段，实验环节和考核体系等方面的改革进行了讨论和研究，转变传统的教学观念，以学生为中心，重视过程监控，旨在改变学生的学习态度，引导学生自主学习，积极有效地培养学生学习的兴趣，更好地促进了教师教授过程的创新。目前CTE理念主要应于用文科类专业的教学中，如金融学、会计学、新闻传播等多个专业相关课程上，理工科的教学改革尝试尚较少见，但通过对该理论进行分析，由于该理论自有的特性，它也完全可以推广到以应用型人才培养为目标的各类高校理工科专业各课程中。

[1]高西全，丁玉美.数字信号处理[M].3版.西安：西安电子科技大学出版社，2008.

[2]张新安.应用型本科电子信息工程专业实践教学体系改革的研究与实践[J].湖南科技学院学报，2009，30（4）：174-177.

ZHANG Xin-an.Reform research and practice of practice teaching on electronic information engineering[J].Journal of Hunan University of Science and Engineering，2009，30（4）：174-177.

[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.

NIE Xiao-yan，LU Cai.Research of teaching method on DigitalSignalProcessing[J].ExperimentScience and Technology，2008，6（6）：125-126.

[4]耶晓东.数字信号处理课程兴趣教学法初探[J].高教论坛，2011，1（1）：97-99.

YE Xiao-dong.Preliminary study on interest teaching method in digital signal processing curriculum[J].Higher Education Forum，2011，1（1）：97-99.

[5]韩桂明，梁桂英.“数字信号处理”课程改革探讨与实践[J].电气电子教学学报，2009，31（6）：15-18.

HAN Gui-ming，LIANG Gui-ying.Research and practice on digital signal processing[J].Journal of Electrical&Electronic Engineering Education2009，31（6）：15-18.

[6]严慧.“数字信号处理”教学方法的探讨[J].科技创新导报，2011（2）：64-67.

YAN Hui.The research of teaching method on digital signal processing[J].Science and Technology Innovation，2011（2）：64-67.

[7]高静，王凤文.《数字信号处理》课程教学实践与探索[J].科技创新导报，2011（4）：153-154.

GAO Jing，WANG Feng-wen.Research and practice on digital signal processing[J].Science and Technology Innovation，2011（2）：153-154.

[8]何志杰，乐仁昌.Matlab在“数字信号处理”教学中的应用研究[J].计算机与现代化，2011（3）：147-149.

HE Ren-jie，LE Ren-chang.Research on using Matlab for Teaching digital signal processing[J].Computer and Modernization，2011（3）：147-149.

[9]张尤赛，马国军，黄炜嘉，等.“信号与系统”Matlab实验仿真教学系统设计[J].现代电子技术，2010（18）：57-59.

ZHANG You-sai，MA Guo-jun，HUANG Wei-jia，et al.Design of Matlab experimental simulation teaching system in signals and systems[J].Modern Elec-tronic Technique，2010（18）：57-59.