独立学院“数字信号处理”课程的改革与实践

欧艺文 栾华东

[摘要]“数字信号处理”课程是独立学院电子信息类专业的专业基础课之一，理论性和应用性都很强，学生普遍觉得该课程深奥、难学、不会用。本文分析了该课程在独立学院的教学现状及存在的问题，并结合“数字信号处理”课程的特点，对课程的教学从课程体系、教学手段与方法、人培修订、教材建设、实践环节、精品课程建设以及考核方法等七个方面进行了改革和实践，取得了较好的效果。

[关键词]独立学院 数字信号处理 教材建设 人培方案 实践教学

[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A

一、引言

随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术的应用范围越来越广泛，包括图像处理、数据通信、语音通信、生物医学及家用电器等等。独立学院普遍开设了“数字信号处理”课程。由于该课程抽象、难懂，独立学院学生的学习效果普遍不够理想。本文首先客观分析了该课程的教学现状和存在的问题，接着以武昌工学院为试点，从课程体系、教学手段与方法、人培修订及教材建设等方面进行了全方位的改革与实践，取得了一定的成效。

二、课程教学现状及存在的问题

（一）课程教学现状

武昌工学院（原武汉工业学院工商学院）是2002年经国家教育部批准建立、2012年转设成功的的全日制普通本科独立学院。从2004年我校开始招生起，就开设了数字信号处理课程。经过多次人才培养方案的制定与修改，数字信号处理课程的教学计划基本确定，总学时64，其中理论学时56，实验学时为8。

（二）教学过程中存在的问题

由于独立学院隶属于三本院校，学生的录取分数普遍较低，大多数学生的学习基础较薄弱，学习能力较差，学习方法欠缺，课堂的学习效果不佳。具体来说，主要体现在以下两个方面：

（1）学生的高等数学基础较差，对课程中大量的数学公式、推导和计算心生畏惧。学生一般没有也课前预习、课后复习和练习的习惯，仅仅把希望全部寄托在课堂上。这样导致学生很难听懂老师所讲的内容。有些学生前面的知识没有学好，后面的知识就更加听不懂了，以至于逐渐变得厌学甚至弃学；

（2）实践教学主要以课内实验为主，采用MATLAB软件编程的方式，开设有4个实验。上实验课时，教师一般先介绍实验目的、原理及步骤，再让学生上机操作。由于学生的编程能力有限，老师一般都提供有参考程序。大部分学生一上机就照着程序输写，不愿花时间理解实验原理，看懂实验程序，因此学生光把这些程序输完都需要很长的时间。输写程序的速度很慢，甚至于有的学生光把这些程序输完就快下课了。程序运行成功之后，学生一般也不愿多花时间分析实验现象和实验结果。因此，在有限的上机时间内，学生基本上只能完成实验内容的验证，很难根据自己对原理的理解来修改程序或实现方法，从而达不到提高学生实践能力与创新能力的目的。

三、课程教学改革措施

（一）优化课程体系

经过几年的教学实践以及对毕业生跟踪调查结果的分析，我们认为数字信号处理课程的课程体系应以独立学院人才培养目标为依据，以讲授基本概念、强调工程实践为主，体现实用性和综合性的原则。在这一原则指导下，优化后的课程体系具体如下：

从课程的教学重点来讲，授课应强调基本概念的物理含义与基本方法的应用，淡化公式的推导与证明，着重介绍思路与方法，具体推导过程让学生课后完成。比如介绍四种线性相位FIR数字滤波器的幅频特性时，省去每个幅频特性表达式的具体推导，只介绍表达式的推导思路，即先将频率响应H（ejω）表达式的求和区间进行前后分半，代入表示h（n）奇偶对称性的表达式，合并为一个求和区间，再经过简单换元、变形得到幅度函数的最终表达式。接着形象地展示幅频特性曲线图。由图总结出每种滤波器的幅频特性相对于w=0、π、2π的奇偶对称性，从而归纳出每种情况的适用范围。最后举例说明在具体设计FIR滤波器时，要根据实际需求选择合适的类型进行设计。

（二）改革教学手段和教学方法

改革教学方法对于提高教学效果至关重要。经过几年的教学实践，笔者根据独立学院学生的特点，深入研究教学理论和教学内容，逐步形成了一套较为完善的教学手段和方法。这部分内容已在文献[4]中有过具体的阐述。值得强调的是，笔者在每一轮的讲课中，都会有新的领悟和感触。数字信号处理课程始终与数学联系紧密，讲究知识的前后衔接，承上启下，学生前面的基础知识一定要弄懂、学好，这样才能充分理解后面所学的内容。

由于本课程的理论知识太抽象，在传授新课的时候，除了要适当引入matlab教学，还一定要多讲典型例题、习题，将抽象的概念和方法具体化、应用化，讲完之后再“趁热打铁”，在课堂上留出时间让学生自己做练习，这样不仅可以让老师及时掌握学生学习的情况，还可以促使学生自己动脑、动手，而不是光听老师讲就可以了。只有学生自己真正思考了、练了，才能真正理解、融会贯通所学知识，也能提高他们分析问题、解决问题的能力。

授课教师特别是年轻教师，一般受大学传统教育的影响，习惯于在课堂上不停地讲、不停地写，好像什么都是重点，什么都得讲。满堂讲、满堂灌的后果是老师累、学生也累，效果却并不好。这是因为学生没有时间思考，没有时间消化，只是被动地接受。其实老师讲得再多，学生能接受的还是那么一点。所以授课教师要尽量少讲，不重要的地方略讲、甚至可以不讲，重要的地方多讲、讲透，并且在黑板上板书出来，方便学生做笔记、把握重点。同时多腾点时间让学生自己看书、做练习，使他们及时消化、理解所学知识。注意把关键的问题争取解决在课堂上！

作为任课教师，平时要与学生多谈心、多交流，一方面可以增加老师的亲和力，让学生喜欢老师，更愿意接受老师所教授的知识。另一方面，也可以让老师多了解学生的学习情况、内心的想法，特别是他们对老师教学的看法，从而帮助教师发现自身的问题，及时调整教学思路和教学策略，根据学生的实际情况开展教学，做到因材施教，从而提高教学效率和教学效果。

通过教学方法和手段的不断改进，笔者明显发现上课做笔记的学生更多了，学生与老师的互动也更多了，包括积极回答老师的提问、认真完成老师布置的作业、练习等。另外从本课程的最近一次自考成绩来看，这些改进也大大提高了学生的解题能力与应试水平。

（三）注重教材建设

教材的选取直接关系到教学质量。笔者经过几次试用、反复比较，最终选择了王华奎主编的普通高等教育“十一五”国家级规划教材-《数字信号处理及应用》一书作为教材。该书难度适中，条理清晰，深入浅出，易于理解。同时加入了大量的matlab实例，既能加深学生对数字信号处理的基本概念、基本方法和基本技术的理解与掌握，又能使他们通过图形化的演示、生动的数据，深入体会数字信号处理的技术与优势。在实验教材建设方面，笔者编写了校内使用的《数字信号处理》实验指导书，为学生提供了实验预习、操作与复习的蓝本，大大提高了实验教学的质量。

（四）修订人培方案，降低学生学习难度

由于独立院校的学生学习主动性不够强，学习能力有待提高，师资力量、仪器设备也有限，授课教师在信息处理这个学科领域不宜讲得太深，毕竟信息类课程“七分数学，三分物理”，“难学、难懂”这是普遍存在的事实。我们培养的学生很难与一本学校的学生竞争，用人单位一般也不会启用我们的学生去从事研发、设计等工作。为此，我们需要做的是，让学生尽可能地掌握本课程的基本理论、基本概念和基本方法，打下较扎实的理论基础，之后再引导学生利用计算机辅助技术，快速地实现信号与信息的处理。关于硬件的实现，学生如果以后在工作岗位上接触到了的话，可以再自学。基于以上考虑，同时结合毕业生的反馈意见，我们在制定电子信息类专业新的人才培养方案时，大胆地把后续课程《DSP技术》删除了，同时将《数字图像处理》等信号处理类专业课改为了选修课，仅供有兴趣的学生选读。此项改革对于电子信息类人才的培养是有利还是有害的，需要时间的验证，我们会继续跟踪调研，实时调整教学内容。我们始终相信，理论知识的掌握是最根本、最重要的，不管是软件编程，还是硬件实现，都需要有一定的理论基础作为后盾。

（五）改革实践教学环节，提高学生的工程实践能力

由于数字信号处理是理论性和实践性都很强的学科，工程应用十分广泛，因此必须改革实践教学环节。目前，本课程的实践教学体系包括课内实验、研究小报告、专业综合课程设计和毕业设计四个环节。其中“研究小报告”是在吸收其他兄弟院校先进教学理念的基础上，近两三年才安插到课堂教学中的一个实践性环节，以学生为主体，让学生自己通过研究性学习，主动地获取知识、应用知识、解决实际问题。这在文献[4]中已介绍过。实践证明，此项教学活动能极大地激发学生学习和探索的欲望，并在一定程度上提高他们的团结协作与口头表达的能力。

在“课内实验”环节中，优化了matlab实验内容。在开设了“离散时间信号与系统的时域分析”和“离散时间信号与系统的频域分析”两个验证性实验的基础上，又设置了“IIR数字滤波器的设计与应用”和“FIR数字滤波器的设计与应用”两个设计性、综合性实验。同时鼓励学生实验前预习，实验时利用理论课堂上所学的编程方法，自己编写程序，以此作为给定实验成绩的重要依据。

在毕业前的“专业综合课程设计”和“毕业设计”两个环节中，指导学生将数字信号处理应用于数字图像处理、语音信号处理、生物医学及通信系统等领域，切身感受数字信号处理技术的优势与应用。设置设计内容时，也鼓励学生按照自己的兴趣，自拟设计题目、自行确定设计方案和步骤。通过这种延伸，实现了学生由理论学习向实验技能、科学研究的转变。

（六）积极建设精品课程

精品课程是教学质量与教学改革工程的重要组成部分。通过申报、积极建设“数字信号处理”精品课程，为学生提供本课程的教学大纲、电子课件、作业习题以及其他丰富的教学资源，促进优质教育资源的共享和师生的交流互动，使学生得到更好的教育，从而达到进一步提高教学质量的目的。

（七）改革考核方法

对学生的成绩评定是一个检验教学效果的重要手段。在考核方式上，可以采用闭卷考试、分组作研究报告、动手操作等多样化的形式。注重学生平时的知识积累，将他们课堂上回答问题的情况作为学生平时成绩评定的重要一环。在考核内容上，将注重公式的套用和计算转移到了注重分析和综合应用上，在强调考核基本内容、基本概念（占60%）的同时，加大综合与设计型试题的比重（占40%）。在期末考试中，新增了matlab编程能力的考查，允许学生用matlab编程的方法解题，这样既可以使学生重视软件实现能力的培养，提高计算机应用水平，又可以促进素质教育的实施和学生创新能力的培养。

四、结语

在广泛调研与借鉴兄弟院校在数字信号处理课程的教学改革措施与成效的基础上，以武昌工学院为例，对独立学院的数字信号处理课程的教学现状进行了分析，并进行了大胆的改革与实践。通过优化课程体系，采用丰富多样的教学手段与方法，修订人才培养方案，加大实践教学环节、建设精品课程以及改革考核方式等七大举措，促进了学生思维能力和工程实践能力的培养，提高了教学质量和教学效果。

在今后的教学过程中，笔者将不断深化和完善数字信号处理课程的建设和改革，探索出更适合独立学院特点的教学路子，以促进电子信息类专业的发展。

[参考文献]

[1]罗轶.信号与系统与数字信号处理课程整合的研究与实践.吉首大学学报（自然科学版），2011.1，32（1）：118。

[2]余颖，肖静等.数字信号处理课程教学改革的探索和实践.东华理工大学学报（社会科学版），2011.9，30（3）：294

[3]周子楠.数字信号处理课程教学方法的研究.计算机时代，2011（7）：62

[4]欧艺文，李道清.独立学院“数字信号处理”课程教学方法的探索与实践[J].教学理论与教学研究，2012.9（176），PP：95-96

[5]陈立伟，赵春晖等.信号与系统和数字信号处理课程的优化整合研究.广西教育.2010（30）：33

[6]陈后金，胡健等.信号与系统和数字信号处理课程教学改革.电气电子教学学报.1999.12，21（4）：5-6

（作者单位：武昌工学院信息工程学院 湖北省武汉市）