通信工程专业数字信号处理课程改革与思考

曹林

摘 要：该文以通信工程专业为例，对数字信号处理课程改革的必要性进行了阐述，然后在教学内容、课程组织、教学条件和教学方法上对该课程进行了改革，使之适应“卓越工程师”的培养要求。论述了编写案例的相关注意事项，对课堂授课方式进行了改革，取得了较好的效果。

关键词：数字信号处理 案例 通信工程 卓越工程师

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0133-02

1 概述

数字信号处理课程是通信工程专业的专业基础课，已成为现代化技术的重要组成部分，是通信工程专业卓越工程师必须掌握的核心技术[1]，迫切需要加强该课程的建设与改革，以适应通信领域卓越工程师培养的需要。该课程建设目标是：加强并优化“以工程能力为核心“的应用型人才培养专业实践教学体系，创建一套适合于卓越工程师培养计划的数字信号处理授课教学方法及考核评定模式。具体内容为：以MATLAB和DSP硬件工具箱作为软硬件开发工具，探索工程实践型教学方法，将软件编程和硬件开发贯彻到授课中的相关环节；以典型的工程案例调动学生的学习兴趣，发挥案例式教学在卓越计划培养中的优势；以该课程为基础，以点带面，注重信号处理课程群建设，通过前后衔接、理论与工程实践相结合，建立课程间纵向传承，横向互补的课程体系，突出工程应用，系统综合的课程主线；利用多媒体、课程互动仿真编程、网站，博客互动等信息化教学手段，优化授课内容，引导学生运用知识和能力，自发地提出问题，研究问题和解决问题；改革考核方式，把理论笔试+上机考试+课外探究式学习+面试作为最后考试成绩，着重培养学生的创新能力，实践能力和协作能力。

信息化的基础是数字化，而数字化的核心技术，就是数字信号处理，近30年来，数字信号处理（DSP）的理论、方法和应用得到了飞跃式的发展，其地位和作用也变得越来越重要。数字信号处理是理论性和工程性都很强的学科，其理论体现在，它综合应用数学、电路理论、信号与系统等领域的基础理论和方法，发展并形成了自己的理论体系，成为通信、雷达、电视、控制等众多学科和领域的重要理论基础与技术基础。其工程性体现在，其应用极为广泛，从科学技术各领域到国民经济建设的各行业；从国防建设的各种武器装备，到林林总总的消费类电子产品的设计与生产，都是数字信号处理技术的应用领域。因此，社会对既掌握DSP理论和方法，又掌握工程技术的人才需求，近年来呈爆发式增长。

2 问题的提出

卓越工程师教育培养计划（简称为“卓越计划”）是教育部基于国务院《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》内容在2010年6月启动的，其目的是全面提高工程教育人才培养质量。数字信号处理是信息与通信工程领域一个发展和更新最快的学科之一，已成为现代化技术的重要组成部分，是通信工程专业卓越工程师必须掌握的核心技术，迫切需要加强该课程的建设与改革，以适应通信领域卓越工程师培养的需要，通过该课程带动信号处理课程群建设，强化培养学生在信号处理工程领域的创新能力和实践能力。

目前，通信工程专业“卓越计划”在数字信号处理课程建设方面[2]，处于探索和尝试阶段，还没成熟、通用的成功经验能够借鉴。传统的数字信号处理课程，大多只讨论算法理论及其推导，以理论教学为主，较少涉及实现方法及相关的软硬件技术，实践环节深度不够，学生并未能真正接触到信号处理的工程应用，对信号处理与应用主要知识的切身体会还不够直接和深入，培养的学生不能够适应实际企业生产的需求，更不能体现“卓越计划”的培养目标[3]。国内外的教育界都在寻求DSP的改革途径，目前主要沿着两条途径。一是使用MATLAB等工具软件，对数字信号处理的算法作仿真；另外是引入已被工程界广泛使用的DSP器件，指导学生完成数字信号处理算法的实现，但上述两种途径更主要是在课外实验引入，很少在课堂上贯彻，只有在课堂上利用案例式工程实践研究性教学激发学生的学习兴趣，才能让他们在课下自觉地用上述软硬件工具开发相关工程应用。因此需要对数字信号处理实践教学和工程应用培养模式进行改革和建设，进行课程机构体系调整，突出工程应用，分别从课程培养方案、理论教学和实践教学方面进行探讨和实践，通过多方位，各个环节的努力，建立一个培养高素质应用型人才的持续、可靠、高效的课程培养体系。

3 改革与思考

在教学内容上，针对本课程抽象难学的特点，以Matlab为主线，自始至终运用Matlab来阐述基本概念和基本原理。强调理论与实践环节的结合，提供本章重要知识点的Matlab演示程序和结果。对于抽象的数学模型应用问题，编写Matlab仿真案例，在课程上增加Matlab案例，边操作边讲解一些例题和应用，强调软件编程互动，利用Matlab软件边讲边演示，进一步提问，请学生思考回答，然后马上修改程序验证问题的结果。总之在教学内容上强调软件互动编程，准备丰富的Matlab案例，上课前给学生基本的程序，授课时随着讲解的逐步深入，让学生自行修改程序，当学生在自己随身的计算机上看到正确结果时，会深切感受到数字信号处理的神奇，大大增强他们的学习兴趣，培养他们的创新能力和工程实践能力。

在课程组织上，将信号处理方向纳入专业课程整体规划，在“数字信号处理”课程中，以数字信号分析为基础，以数字滤波为手段，以数字信号处理为目的，强调DFT、数字滤波的物理概念和工程概念，强化数学理念与分析，淡化数学运算与技巧，同时加大各前后关联课程（例如前期的信号与系统，后续的数字图像处理等）之间的衔接研究，使其与其他课程融合为一个有机整体，调整与其它课程的关系，在重要的地方形成内容上的呼应，在次要的地方注重视野的开拓，主次分明，易于学生把握。综上在教学内容上的建设目标是制作典型的数字信号处理软件案例，将案例式教学贯穿到授课中[4]。endprint

在教学条件上，我们选用科学出版社编写的《数字信号处理》，本书是北京邮电大学考研的指定教材，同时该书也把Matlab编程贯穿始终，符合本课程建设的目标。另外选用国际经典的数字信号处理教材，Vinay K. Ingle， John G. Proakis. Digital Signal Processing Using MATLAB，该书强调Matlab编程，总之在教材的选择上，我们强调中外结合，理论与工程实践结合，大众通识教育与卓越精英教育结合。授课时，保证学生2人1机（随着生活水平提高，学生可以自带便携电脑，保证每人1机）。建立数字信号处理课程网站，在课程网站上放置与本课程相关的共享资源和网络课件，供学生自由浏览和下载，实现网络辅导、网上课程研讨、网上交付作业与实验报告和优秀作业展示；建立例题解答范例库和自测试题库，以便方便学生进行探究式自学。综上在教学条件上的建设目标是建立授课网站，共享多媒体课件，网上辅导和优秀作业展示，实现探究式自学。

在教学方法与手段上，基于本课程公式多，概念比较抽象的特点，在教学过程中采用板书+多媒体+案例式Matlab编程相结合的授课方式，对于重要公式的推导，采用板书。因为随着多媒体教学的普及，板书的优势往往被忽视，对于重要的公式推导，板书具有良好的示范性，学生跟随教师的思路来领会学习的要点和难点，并在工整的板书推导中加强对公式的理解，学起来比较容易。对于一些需要形象理解、图形举例演示的部分，教师可以采用多媒体教学方法，利用图像、视频等多种形式进行互动教学。对于例题，强调Matlab案例式编程，采取“启发式教学和研究型学习”的教学方法，从研究问题入手，将数字信号处理的一些重要理论构建过程展现出来，同时提出新的问题，以便让学生进行思考和研究。针对教学难点和重点提出问题，定期和不定期地在课堂中进行讨论，请学生事先准备好，上讲台发表见解，同时利用Matlab编程验证。注重教学讲义双语化，提高学生专业英语的应用能力。课堂教学的课件中有相当一部分内容采用英语编写，教师在上课中也尽量使用英语对基本概念和方法进行解释，在潜移默化中提高学生的专业英语能力，有助于提高学生阅读科技文献、查阅资料的能力，从根本上消除学生对本专业方向英语文献阅读的恐惧感和抵触心理。综上在教学方法与手段上的建设目标是注重案例式教学，采用启发式教学和研究型学习，对授课内容进行分类，采用恰当的教学手段表现（板书+多媒体+上机）数字信号处理的理论与应用实例。

参考文献

[1] 胡永祥，杨伟丰，蒋鸿.应用型通信工程专业实践教学体系的构建[J].湖南工业大学学报，2011，25（3）：105-108.

[2] 王艳芬，王刚.“数字信号处理”精品课程建设探索[J].电气电子教学学报，2011，33（2）：22-24.

[3] 倪洁，徐志伟.哈尔滨工业大学通信工程系“卓越工程师”培养模式[J].哈尔滨师范大学自然科学学报，2012，28（2）： 45-47.

[4] 刘庆华，欧阳宁.面向卓越计划的信号处理课程群的教学研究与实践[J].中国电力教育，2012，254（31）：48-49.endprint