“数字信号处理”课程教学改革与实践

2013-08-23黄永平田秀丽田晓燕

电气电子教学学报 2013年2期

黄永平，田秀丽，田晓燕

(河北大学电子信息工程学院，河北保定 071002)

“数字信号处理”是一门非常重要的专业基础课［1］，由于这门课程理论性强、概念抽象、需要的数学知识多、涵盖知识面丰富以及需要一定的计算机方面的基础知识等特点，学生普遍感到比较难学。如何帮助学生提高综合运用知识的能力，进而提高教学效果显得尤为重要。

Matlab包含的各种函数可为数字信号处理的内容快捷方便地提供正确的答案和直观的图形显示，将课本上枯燥和难以理解的知识形象化，加深学生对理论知识的理解，从而提高教学质量［2，3］。

Blackboard在线教学管理系统是Blackboard公司提供的教育软件，被广泛认为是教育界领先的课程主导型管理系统。平台以课程为中心集成网络“教”与“学”的环境，教师可以方便的创建、发布和管理课程，组织教学内容。平台具有在线交流功能，教师和学生之间可以根据“教”与“学”的需要围绕所教所学的课程进行讨论交流，形成良好的专门针对教学内容的学术环境。本文利用Matlab和Blackboard的功能，创建了数字信号处理网络平台［4］。

1 Matlab在课程教学中的应用

1)在课堂教学中的应用

“数学信号处理”课程在教学过程中经常要借助图形来进行讲解，教师应在课前编写好Matlab程序，在课堂上做现场仿真演示，帮助学生更好地理解和掌握课程中的基本理论、概念和算法等。

2)在启发式教学中的应用

我们采用启发式教学，在讲授理论知识之前，先给学生一个应用实例，提出问题。讲解完相关理论知识以后，重新分析实例，启发学生思考所讲的理论知识是如何应用在实例中的。

例如，快速傅里叶变换(FFT)是离散傅里叶变换(DFT)的快速算法，是“数字信号处理”课程的重点和难点内容。但是，由DFT到FFT的理论推导过程较难理解。我们在讲解这部分内容时，先播放一段乐曲，再播放加入噪声干扰的录音，然后让学生分析前后两段录音存在什么问题，如何诊断噪声和滤除噪声。我们在学生思考并分组讨论后，再讲解理论知识会使教学效果明显提高。讲解完理论知识以后，重新分析刚才的实例，运行事先编好的Matlab程序并将其仿真结果显示在屏幕上，仿真结果包括原始录音的频谱，加入噪声的录音频谱和通过滤波去噪恢复后的录音频谱。将其和Matlab程序中应用FFT理论计算信号频谱的语句对照进行分析讲解，有关滤波器设计及滤波过程是后面章节要讲的知识点只需简单介绍就可以了。

3)在交互式教学中的应用

交互式教学方式是以学生为中心，教师提供课本以外的其他课程资源，开放思维，培养学生创新能力和综合运用知识的能力。

例如，双线性变换法设计无限长单位脉冲响应数字滤波器(IIR DF)理论内容复杂，是该课程的一个重点内容。为了使学生更好理解和掌握这部分内容，利用Matlab GUI功能设计制作如图1所示的界面［5］，并编写相应的程序。在讲解该部分内容时，首先讲解基本原理、设计方法和设计步骤，然后运行该界面。在界面中学生可以选择滤波器的种类，输入滤波器的性能指标参数，如采样频率、通带临界频率、通带内的最大衰减等，点击“确定”按钮后界面中会给出满足相应性能指标的滤波器传递函数以及幅频特性和相频特性图。学生通过在程序中编写包含一定频率成分的输入信号，对比滤波前后信号的频率特性图，可以更直观地看到滤波器的滤波效果。而且在不改变滤波器性能指标的同时，选择不同种类的滤波器，通过对比传递函数和仿真效果图可以比较其性能优劣，从中选优。图1给出的是具有相同性能指标的巴特沃斯低通滤波器和切比雪夫I型低通滤波器的仿真结果。

图1 双线性变换法设计IIR DF滤波器仿真界面

2 Blackboard网络教学平台的应用

我们基于学校提供的Blackboard网络教学平台建立了“数字信号处理”课程网站，利用其在线功能，为师生间开展互动交流搭建平台。任课教师提出申请获得教学平台的使用权后，搭建好课程框架结构就可以建立课程网站。

1)创建课程网站—登录平台通过“控制面板”按钮获得创建课程网站的整套工具，主要包括内容区、课程工具和课程选项等六个板块，每个板块下列若干个子板块，如图2所示。

图2 网络教学平台控制面板

2)课程建设—通过“控制面板/课程选项/管理课程菜单”设立课程各个菜单项目，根据搭建好的课程框架结构在文件夹中添加文档。在课程区我们设立了课程通知、课程简介、教师简介、教学大纲、教学日历、实验、多媒体课件、课后作业、参考书及参考资料以及讨论区等板块，如图3所示。例如，在多媒体课件板块中除了提供教学课件，还有来自网络上其他学校比较好的课件;在参考资料板块中提供了一些有关数字信号处理的论坛、电子参考书、教学视频以及一些全国重点院校的数字信号处理精品课网站链接等。

图3 数字信号处理网络教学平台

3)对课程内容和活动的使用和管理—系统管理员完成学生注册后，任课教师就可以和本课程学生展开互动。在通知区，教师发布课程相关通知;在讨论区，教师和学生都可以创建主题、发布信息，教师提出问题让学生查找资料解决。教师和学生共同参与讨论遇到的问题，实现师生交互式学习。同时，“数字信号处理实验”通过Matlab软件操作，学生将实验程序和仿真图写到电子版实验报告中，通过“数字收发箱”上传到教学平台，不仅方便教师评阅，也为学生节省时间。