《信号处理》课程教学改革探索

王 娜修春波罗 菁成 怡

（1.天津工业大学电气工程与自动化学院，中国 天津 300387；2.天津工业大学电工电能与新技术天津市重点实验室，中国 天津300387）

“信号处理”课程是天津工业大学电气工程与自动化学院自动化专业的专业基础课。计划安排30学时，3个实验。教材选用的是高教出版社郑君里的《信号与系统》第三版。学生在学习本课程前,已经学习过高等数学、线性代数和电路理论等课程,对序列、Z变换、傅立叶变换、频谱等概念有了一定的掌握。但因为本课程的抽象概念较多,涉及到许多的数学知识,学生学起来存在着有一定的困难。为此，本文从教材的选择，理论与实践的结合以及教学手段的改进方面进行了探索，以期加强学生对于该课程的基础知识、理论的理解，并通过实践环节努力提高学生的动手能力。

1 教材选择

教材选择应该根据学生的特点，精选适合的内容。由于目前信号处理教材多数内容繁杂，难度较大，理论性强，而该课程的学时较少，学生素质又参差不齐。因此选择教材时不能追求面面俱到，而是要根据学生整体水平来精简教学内容,同时要因材施教。为此，作者查阅了大量国内外相关资料,结合当前信号处理技术的最新发展趋势,选择了多本适合独立学院学生的教材,如清华大学出版社的《信号与系统》，科学出版社的《数字信号处理》以及机械工业出版社的《信号分析与处理》等等。这些都是在国内知名度高,反响较好的优秀教材，既有利于教师的教学和也适合学生的自学。同时博采众长，制定出合适学生能力的教学内容，保持理论的完整性，先进性和高效性。

2 理论与实践相结合的教学体系

为了加强学生对信号处理知识与技术的理解和掌握，培养学生的创新能力和专业素质，对已有课程体系进行了优化，新的体系如下：

理论：包括信号与系统的基本概念、时域分析、频域分析（DFT、FFT、2FFT的算法实现）等；Z域分析，FIR（有限脉冲响应数字滤波器的分析与设计）、IIR（无限脉冲响应数字滤波器的分析与设计）、平稳随机信号的分析与处理以及信号处理的软硬件实现等。实践体系：包括验证性实验、课程设计与专业综合实验等。

《信号处理》一课和实践的联系密切，因此，改革中加大了实验教学环节。设立实验课时，把传统的实验划分为验证性、综合性和设计性三种，以满足不同层次学生的需求。其中，验证性实验主要是基于matlab软件分析和处理信号或系统，对理论课的知识进行验证，帮助学生理解和掌握课堂上所学的基本理论，包括离散时间信号分析、z变换、FFT频谱分析等。综合性实验是指涉及到本课程的综合知识实验，如模拟和数字滤波器的设计等，以培养学生对所学知识的综合运用能力。而设计性实验是指给定实验的要求和实验条件，由学生自行设计实验方案，并加以实现的实验。在设计中，先由教师给出设计的实验题目和具体的技术指标，学生首先根据要求查阅相关资料，确定出实验方案，并自己设计程序，完成实验内容，最后写出实验报告。比如，对于FIR和IIR数字滤波器的设计等，以培养学生的设计能力、创新能力和主动性。

为了进一步增强实验课的效果，可采用MATLAB工具箱，利用其强大的计算仿真和图形绘制功能，将本课程中抽象的概念和结论转化为形象化的图形曲线展现在学生面前。比如，可以编制信号处理的工具箱软件，将离散信号的性质、差分方程的解法、线性卷积、离散Z变换、离散傅里叶变换、IIR数字滤波器的设计等内容汇集到一个界面中。通过人机对话，将相应的条件输入计算机，并由后台的matlab运算出各种结果，具体的设计程序并不向学生展现。这样，一方面可以很快向学生展现教学内容的形象化结果，另一方面，学生也可使用该工具软件对自己编写的实验程序进行对比检验。

3 教学手段的改进

为进一步提高教学效果，采用丰富的教学手段。首先，整合教学内容，优化课程体系。目前国内外出版的数字信号处理教科书注重理论体系的完整性，内容多，并且难度较大，而我学院该课程的学时较少(30学时)。这就必须精选课程的内容，讲授最根本的内容。为此，我们认真细致地对教学内容进行科学整合。整合过的课程主线如下所示：

傅里叶级数与傅里叶变换—>拉氏变换与S域分析—>Z变换与Z域分析—>离散与快速傅里叶变换—>模拟及数字滤波器

其次，本着加强学生对信号处理知识与技术的理解和掌握，培养学生的创新能力，体现前沿性、实用性和综合性的教学原则，优化后的课程体系如下。其中，理论体系包括：傅里叶级数及傅里叶变换；拉普拉斯变换及s域分析；z变换及及z域分析；离散及快速傅里叶变换；模拟及数字滤波器等。实践体系包括：信号的描述、运算及波形绘制；傅里叶变换及其性质；拉氏变换及性质；Z变换及其性质等。

再次，针对该课程具有理论性强，抽象概念多，而工科学生的数学水平不高，而学时有限，为保证较好的教学质量，研究了一套形象化教学方法。学生听课是一个视知觉的过程，思维是追求完整和整体化的特点。而引入幻灯片的教学效果，使得感知过程不断被打断，进而也打断了思维的完整性，大大压缩了学生的自主思维空间，学生对课程的内容自然就难以接受了。为此，本文引入形象化教学手段，来巧妙地引导学生视知觉清晰地进入到抽象概念领域中，不知不觉地将教师精心设计的形象化元素转化为逻辑的、理性的抽象概念知识。比如，在数学公式上，纠正死记硬背的习惯，巧妙利用口诀的方法，将手中一些重要结论公式用文字的形式表示出来。比如，对于离散傅里叶变换公式可以编制口诀：反序列的共轭序列的离散傅里叶变换等于原序列的离散傅里叶变换的共轭。这样可以将枯燥的公式描述的形象具体起来，其含义也表现的十分透彻。并且，采用动画演示等形式进行辅助教学。针对本课程存在概念抽象，涉及数学知识较多，公式推导较为繁琐的问题，拟采用自制的教学课件，并与板书相结合，通过适当地使用多媒体技术来配合教学，以大大提高备课和讲课的教学效果。例如，在讲解采样定理的信号采样及恢复问题时,由于概念比较抽象,理解起来比较困难。在介绍时，可采用多媒体课件动态演示的方法,将采样及恢复过程用课件中的动画形象的表现出来。这样一方面使抽象的过程生动起来,加深理解，另一方面也激发了学生的学习兴趣。

4 总结

综上所述，信号处理课程在自动化专业各教学环节中起着承上启下的作用，优化该课程体系、丰富教学手段、运用多样化的实践教学等环节都会影响课程教学效果，只有对各环节总体规划、协调建设和改革，才能取得更好的教学效果。实践表明，该探索和尝试能够提高数字信号处理课程的教学质量和效果，增强学生学习本课程的热情和兴趣，提高学习质量，得到了大多数学生的认可。

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