数字信号处理实验教学改革与探索

(商丘师范学院，河南 商丘 476000)

随着信息技术的飞速发展，20世纪80年代数字信号处理应运而生.由于其具有精度高、灵活性高、可靠性强、容易大规模集成、可进行二维与多维处理等特点[1]，近年来被广泛应用于语音处理、数字移动电话、军事、医疗等领域.数字信号处理理论教学和实验教学相辅相成，传统的数字信号处理实验教学主要以教师为主导，学生按照实验指导书按部就班地进行实验，由于课堂时间有限，基本没有理论分析和相关知识扩展，也就没有达到实验与理论相结合的目的，更没有自主创新性的实验.针对目前数字信号处理实验所存在的弊端，本文提出相应的改革方案，并进行了实际验证，得到了良好的实验教学效果，达到了预期的实验改革目的.

1 数字信号处理实验课程现状分析

《数字信号处理》课程是理论和实践相结合的一门课程，涉及基础专业较多，比如C语言、汇编语言、单片机、微机原理等，是大三下学期电子通信和信号信息类专业开设的主要专业课程之一，共有126个学时，其中理论学时占72个，实验学时占54个.目前某校数字信号处理实验使用的实验箱为ICETEK-VC64XX系列教学实验箱，并配有专用Code Composer Studio(简称CCS)调试软件.按照实验的内容，可以分为以下4种类型的实验：

(1)基础性实验.基础性实验包括CCS入门实验、编写以C语言、ASM语言为基础的DSP程序实验、DSP数据存储实验.

(2)验证性实验.验证性实验包括基于DSP系统的指示灯实验、DSP的定时器实验、自启动实验、异步串口通信实验.

(3)设计性实验.设计性实验包括有限冲击响应滤波器(FIR)算法实验、无限冲击响应滤波器(IIR)算法实验、快速傅里叶变换(FFT)算法实验、卷积算法键盘输入实验、自适应滤波器算法实验.

(4)综合性实验.综合性实验包括语音采集和放送实验、语音信号编码和解码实验、语音信号FIR滤波实验.

传统的教学实验是让学生按照实验指导书做实验，虽然最终实验能够完成，但是绝大部分学生都不会考虑每个操作步骤的原理和意义，只是机械地按照步骤去操作，结果是学生做与不做实验没有多大区别，甚至会产生一些迷惑，就这违背了实验目的[2].分析其产生原因，有以下几点：第一，学生对所做实验准备时间参差不齐，大三阶段一部分学生准备考研，没有太多时间预习实验；第二，实验能力差别较大，大部分学生只关注学习知识，并没有与实际工程相联系；第三，预习报告和实验报告相似度太高，预习报告几乎都是一个版本，而且都是只抄不看，实验报告有很多抄袭现象，大多是应付相应学分要求.

每一个实验都有相对应的理论基础，做实验的目的不仅是提高学生的实践能力，同时也是对理论课程的巩固.因此，在学生做实验之前，需将实验内容、理论基础和相关知识讲解给学生，让学生去探讨如何才能够把实验做成功[3].根据以上分析，对《数字信号处理》实验课程的改革势在必行，需要探索新的实验教学方法.

2 实验教学改革

2.1 优化实验教学体系

目前，某校的数字信号处理实验教学存在着一定的弊端，比如学生只按照实验教材中提供的实验步骤进行实验，理论课上完之后不及时上实验课等.优化实验教学体系的主要措施如下：

(1)提高实验教学质量.很多教师都认为理论基础课程比较重要，把大部分时间花在理论教学上，长此以往，实验教学就被忽视，从而实验教学的时间就相对比较少，导致了学生只会理论知识，虽然自己做了实验，但最终不能够明白实验的目的，不知道所做实验与实际工程有何联系[4].数字信号处理是实验性非常强的一门课程，如何处理好实验课程与理论课程的合理搭配是提高实验教学的关键一步.

(2)提高实验课的及时性.数字信号处理本身就是理论与实验紧密联系的课程，老师讲解的理论知识恰恰就是实验课的实验原理，而实验过程也是学生对所学知识及其应用的更深层次的理解过程，只有充分把理论和实验相结合，使学生融会贯通，才能够提高学生学习兴趣和学生的自身能力.

2.2 建设开放型实验室

所谓开放型实验室，就是指实验室对学生开放.仅只在实验课上做实验是远远不够的，课堂上时间紧、任务重，学生没有足够的时间来思索所碰到的问题，只是按照实验指导书来完成实验，最终可能不理解实验原理，这样实验就没有多大意义.这就要求学生能够有充足的时间自己探索实验内容.因此，建立开放型实验室是极其必要的[5].应从以下几个方面建立开放型实验室：

(1)延长实验室的开放时间.数字信号处理课程是具有一定难度的课程，不同层次的学生对课程掌握的程度不一样，做实验和理解实验的层次也是不一样的.对于一般层次的学生，可以适当配备专业教师，在学生完成课堂上的基本实验以外，利用课余时间在实验室进行辅导，进一步提升他们的相关理论和实验知识水平.

(2)实验器材根据需求进行购买.就某校来说，实验器材比较紧缺，每组都是2～3人一个实验箱，一个实验做下来，有的学生没有熟悉实验箱实验就结束了.学校应该根据实际学生人数来配备相应的实验室和实验设备，最好可以每人一套实验设备，这样可以使学生有足够的时间去做一些自己感兴趣的实验，从而提高学生的思维能力和动手能力.

2.3 调整实验结构

目前，某校《数字信号处理》实验课中一些必做实验较多，而学生的时间有限，所以应该对实验结构进行调整，在能满足教学要求的条件下减少一些不必要的实验，或者把一些必做实验改为选做实验.因为必做实验是为了基础训练，而选做实验则是为了提升能力.要把学生的基础知识掌握作为重点来抓，同时对选做的实验拓宽相应实验范围，以便给学生充分发挥的空间.

(1)概念原理型实验.依据课程内容涉及的基本概念和基本原理，设计若干个必做实验，用于对基本概念和基本原理的验证与分析.在设计此类实验时，一方面降低实验难度，保证多数学生能够完成；另一方面增加实验数目，扩大实验内容覆盖范围[6].

(2)知识应用型实验.针对课程内容涉及的分析方法和典型应用，设计面向知识应用的若干个实验，并划分为必做部分和选做部分. 前者内容相对简单，经过简单分析，多数学生能够独立完成；后者内容难度稍大，经过认真思考，多数学生也可以独立完成[7].

2.4 增加学生自主实验

自主实验学生可以不根据实验教材提供的实验步骤去做，可以按照自己的思路去做.整个数字信号处理实验都完成之后，学生可以根据这些实验的基本原理，综合各个实验，结合自己的想法设计一个实验.增加学生自主实验，不仅能提高学生的学习积极性，而且同时还能够提高学生的动手能力和创造能力.自主实验是学生综合运用所学的理论知识所做的实验，只有理论知识掌握熟练，而且之前实验课程上所做的基础性实验、验证性实验、设计性实验以及综合性实验都非常熟悉，才能根据这些知识、原理来实现自主实验[8].

3 结 语

进行数字信号处理实验教学改革的目的是提高实验教学质量，使学生的自学能力以及动手能力、分析问题能力、解决问题能力得到提高.在2012—2013 年度春季教学工作中，该实验教学方法得到了有效实施，达到预期目标，不仅使学生理论知识得到巩固，同时也提升了学生动手能力.

参考文献：

[1] 程佩青．数字信号处理教程(原书第三版)[M]．北京：清华大学出版社，2012．

[2] 王秋生, 袁海文．《数字信号处理》课程的分层实验教学方法[J]．北京航空航天大学学报(社科版)，2011，24(5)：109-112．

[3] Sanjit K M．Digital Signal Processing-acomputer Based Approach[M]．Second Edition．New York: Mcgraw-Hill Companies，2001: 1-40．

[4] 刘婷, 孙云山, 张立毅．数字信号处理课程的教学初探[J]．太原理工大学学报(s)，2006，24(12): 88-94．

[5] 张刚, 贺利芳, 何方白, 等．基于Matlab 的“数字信号处理”课程教学探索[J]．高等教育研究，2007，24(2): 45-46．

[6] 罗忠亮．地方性本科院校《数字信号处理》的教学改革[J]．韶关学院学报, 2009(3)：141-146．

[7] 许爽,李敏．综合设计性数字信号处理实验的探讨[J]．大连民族学院学报，2010(3)：277-280．

[8] 张建平, 戴咏夏．CCS在数字信号处理实验教学中的探究[J]. 高等理科教育, 2009(1): 92-94,146．