“数字信号处理”教学改革与实践探索

曹斌芳，彭元杰，蔡剑华

（湖南文理学院 物理与电子科学学院，湖南 常德415000）

“数字信号处理”教学改革与实践探索

曹斌芳，彭元杰，蔡剑华

（湖南文理学院 物理与电子科学学院，湖南 常德415000）

数字信号处理是电子信息等学科重要的专业课，在各个学校的专业教学中都是十分重要的教学环节，受到相当的重视。论文结合该课程目前的教学实际情况，从教学环节和实践环节进行了改革。在教学环节中强调课程应用的前沿领域、突出抽象概念的物理意义及工程应用。在实验环节上注重硬件实验和软件实验的综合培养能力，开发了综合性，设计性实验并在课程教学中加入讨论式课题。实践表明教学改革取得了良好的效果。

数字信号处理；改革；实践

数字信号处理是电子信息类专业的重要专业课，在各个学校的专业教学中都是十分重要的教学环节，受到相当的重视。由于该课程具有概念抽象，理论性强和内容枯燥等特点，一般学生很难学好。大多数初学者在学习这门课时，对一些重要的理论常常一知半解,进而不能深刻领悟理论的实际意义和工程应用。所以教师教什么，如何教；学生学什么，如何学是立足教学一线的每一位教师应切实思考的问题。为此，笔者所在的课程组提出了从课堂教学和实践环节方面人手,进行积极探索和提出改进的方法。

1 .课程教学改革

1.1 强调课程教学的意义

严格意义上每一门课程的教学都不是一个独立的个体。在具体的讲述课程内容前，上课老师要全面的，客观的，综合的分析该课程，给学生一个对该课程全面的认识。告诉学生“为什么学习这门课程，如何学习，以及在实际中的应用”。

数字信号处理是现代信号处理增长最快的领域,在许多以数字化应用为主的领域得到了广泛的应用。在讲解课程的内容时应该对数字信号处理的前沿领域（图像处理、仪表与控制、语音音频、无线电通信、生物医学、消费应用、数字、便携移动电话、多功能移动通信系统、数字电视等）进行介绍,以提高学生对该课程的兴趣，同时帮助他们更好地认识该课程的学习内容。比如：最鲜活的例子就是现在普遍使用的手机,让学生知道它里面嵌入了数字信号处理 （DSP digital signal processor）技术,正是数字信号处理技术的不断发展，才使我们手中的移动电话体积变得越来越小,声音质量越来越好[3]。使学生感到自己所学的东西就在身边,就在人们的生活中,而不是遥不可及、触摸不到的。

1.2 强调数字信号处理概念的物理意义和工程应用

数字信号处理课程涉及的公式比较多,概念很抽象，繁杂的数学推导和计算使学生感到难学、难懂、学了不知如何去用。课程中大量的理论和结论都是通过复杂的数学推导方式得到，所以学生往往过于注重公式推导或证明而不能理解其实质和用途。针对上述情况，在课堂教学中，应简化数学推导过程，着重讲解物理意义，实际应用等，以此加深学生对抽象问题的理解[4]。

以快速傅立叶变换在计算一维信号频谱中的应用为例来说明。利用快速傅立叶变换对一维进行处理,实际上是对一维信号求其频谱，只是采用了傅立叶变换的快速算法（FFT）。可以使学生深刻的理解和掌握它的概念和含义[5]。

例如在讲授Fourier变换时，我们不但给出一些典型序列的Fourier变换结果，还以语音信号、图像信号等为例，使学生能够更直观，更贴近实际地感受数字信号处理中的技术。以往学生普遍认为Fourier变换是学习中的难点，他们经常会提出这样的问题：Fourier变换究竟是在做什么？为什么要求解Fourier变换？为什么要求信号的频率[6]？在解释时，往往会以正余弦信号为例，让学生看到Fourier变换对频率的提取效果。然而大部分学生还是认为这样的解释不够直观化、清楚化，不能够对知识点有一个很好的理解和认识。因此，我们又在教学中给出诸如图像等的例子，在图像处理中，Fouier变换起到了集中能量的作用，这种集中就可以应用到图像压缩等多个应用领域。

在讲授数字滤波器设计的过程中，我们更是大量地使用了实际生活中的应用实例，如去噪声等，亦取得了较好的教学效果。通过这种强调物理意义和工程应用的教学方式，不但能够激发学生的学习兴趣，而且能够更好地讲述理论知识，使学生更好地理解掌握数字信号处理技术。

1.3 教学互动，培养学生主动学习的能力

转变单纯依赖教师、依赖教材的教学模式,适时采用预习讲解式。改变传统的以教师为主体，以书本为中心的知识传授方式。通常,教材的内容总是滞后于技术的发展和进步的，尤其是相对于迅速发展的信息技术更是如此。在这个时代，网络已经成为生活中不可缺少的一部分，引导学生正确使用网络，把网络当作他们获取新知识、新技术的第二课堂,让他们成为网络的主人。所以，当课程进行到某一阶段，具有一定基础后，应让学生课后上网查阅相关的资料，进行收集、整理。采用这种教学方式时,教师不要给学生设置太多的限制，应让学生尽情发挥自己的主观能动性。经过实践证明，采用这种教学方式可以有效地提高学生的积极性，培养主动学习意识。

1.4 改善课件，增加动画效果

针对“数字信号处理”课程中很多抽象的物理问题,如频域采样定理、圆周卷积运算等、利用MATLAB软件设计出动画课件。通过动画课件演示使教师的讲解变得生动形象，使学生对知识达到更深刻的理解[7]。

1.5 增加研讨性教学

为了更好地激发学生的学习积极性，适当采用研讨式教学,即Seminar。Seminar最先在德国的大学产生和应用并进而扩展到全世界，现在已经成为世界各国大学的主要教学形式。在Seminar里,学生是课程的主体，教师与学生处于平等的地位，教师虽然确立讨论的主题并提出问题，但是教师的角色已发生了变化，不再单纯是知识的传授者和讲解者，而是学生进行学术讨论与研究的启发者和开导者。研讨式教学有助于培养创新性人才[8]。

当课程内容阶段性的完成教学时，教师要给学生布置综合作业。大家在热烈讨论的过程中，彼此可以相互借鉴，相互启发。利用这种方式，在完成作业的过程中，大家相互交流、研究，积极查阅资料、手册，完全是主动地、自然地为完成一个目标去做，是带着一种主动的求知欲去做。正是在研究和讨论的过程中，所学的知识得到升华。所以，教师要努力启发学生的内在需求，调动学生积极性，使每个学生都能在他天赋所及的范围内充分发挥能动性和创造性。

2 .强化实践环节,注重能力培养

实践教学应本着“知识——能力——素质”协调发展的教育理念，鼓励学生通过实验、实践去探求新知，切实提高学生综合运用知识解决实际问题的能力，培养学生的创新意识[2]。基于上述原则，结合学生的实际情况，我们在实验设计上注重理论与实践的结合，力图让学生在实验的过程中对课程所涉及的内容有更加深入的理解。另外，我校学生在先修课程中已经学习了“MATLAB与系统仿真”课程，具有一定的MATLAB程序设计基础。因此，我们在实验中要求学生根据题目要求，自己编制和调试MATLAB程序。整个实验过程，要求学生主动的完成，教师只是充当答疑解惑的角色，这充分发挥了学生的主观性。

随着课程教学内容的逐步深入，根据不同阶段的学习内容特点，构建了从基础实验到课题式研究，再到创新型试验项目的一套实践体系。

2.1 实验平台

传统的数字信号处理实验大都是硬件电路完成的，所需的实验仪器比较多，调试过程比较复杂繁琐，实验效果往往不是很理想，而且改变参数时又必须重新连接电路。MATALB是一种可视化的科学计算和分析软件，利用其提供的良好界面、方便的操作过程及强大的工具包。可以开发和设计验证性、综合性和设计性实验。通过编写程序和直观的实验效果,锻炼了学生用计算机辅助计算与分析解决实际问题的能力，也为后续的课程设计实习和课题式研究奠定了基础。

2.2 课题式研究

以数字信号处理的基础理论为基础，以实验平台和软件为开发工具,指导学生进行课题式研究。课题式研究的选题包括以下几个方面:由教师给出适合本科生研究的课题；通过参加与信号处理有关的学术讲座，从中受到启发找到的研究课题；学生在学习过程中发现的具有研究深度、题材新颖的信号处理内容；学生通过查阅资料,上网发现的新课题。在课题式讨论的过程中，教师主要负责对课题研究的方法进行指导，采用集体和个别辅导相结合的方式。针对本科生的课题式研究，老师不能提太高的要求，不应过分看重研究成果。关键在于锻炼学生们的独立专研精神和科学思维能力，为将来进一步深造打下良好的基础。

2.3 参加创新型实验项目

目前，国家大力支持大学生申报《国家大学生创新型试验计划项目》。在这种机遇下，老师应该大力鼓励学生申报创新型实验项目，通过几届学生的努力和实践，我们取得了很好的效果。

3 .结论

“数字信号处理”是一门很重要的课程，同时也是一门理论性很强的课程。结合该课程的实际情况针对教学环节、实验环节做了相应的改革尝试。通过在本校05级到07级学生中使用，说明理论教学的改革既可以使课堂教学内容清楚，生动；又能加深同学们对抽象问题的理解和对知识的掌握，改善教学效果；实践环节的改革可以提高学生的思维能力，创新能力,增强学生解决实际问题的能力。实践证明数字信号处理课程的教学改革和实践探索达到了良好的效果。

（注：本文系湖南省教育厅科研支持项目，项目编号：08C614；湖南文理学院芙蓉学院教改项目）

[1]丁玉美，高西全.数字信号处理（第2版）[M].西安：电子科技大学出版社，2001.

[2]沈媛媛.基于Matlab的数字信号处理综合性实验设计[J].实验室研究与探索，2009，28（8）：60-73.

[3]李敏，陈兴文，刘燕.信号处理课群实践教学改革的探索与实践[J].高校实验室工作研究，2008，9（3）：4-7.

[4]杨述斌.数字信号处理实践教学的层次设计[J].实验室研究与探索，2009，28（2）：123-125.

[5]王蕊，陈林秀.浅析数字信号处理教学应重视的几个环节[J].科教文汇，2009，（1）：122-124.

[6]何继爱.“信号与系统”课程教学改革与实践 [J].高等理科教育，2007，（1）：106-108.

[7]郭素敏，郭素芳，吴波.数字信号处理教学改革与实践探讨[J].教学研究，2006，29（5）：453-455.

[8]王艳芬，王刚.信息专业数字信号处理的改革与实践[J].电气电子教学学报，2004，（1）：37-39.