以应用为牵引的数字信号处理课程改革与实践

刘宁波++宋杰++简涛++何友++王国宏

摘 要：数字信号处理课程理论性强，涉及的概念抽象、公式多、推导多，日常学习容易感觉枯燥乏味，且难以与实际应用紧密联系。对于此，应完善课程之间的衔接关系，优选教学内容，用系统的观念对待数字信号处理课程的教学，并注重结合实际问题形象化教学手段，加强实验教学，培养工程思维，面向实际应用培养学生的自主学习能力和创新能力。

关键词：数字信号处理 教学改革 应用牵引 改革与实践

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（b）-0207-02

近几十年来，“数字信号处理”在数字媒体、数字电视、仪器仪表、无线电通信、自动控制、语音图像处理、生物医学、雷达信号处理等多个领域中，都具有深远的影响。它是高等院校中通信、计算机、电子信息工程等专业的一门重要基础课。该课程不仅可以培养大学生的逻辑思维及逻辑推理，而且还可以培养大学生利用基本的理论知识解决实际的问题。作为一门基础性学科，数字信号处理的理论性和实用性都较强，而且涉及面较广。该课程在内容上涉及了高等数学、线性代数、信号与系统等多门学科的内容，是一门侧重理论但同时有与实践密切联系的学科。

这门课有很多的理论都是经过复杂推导和数学运算得到的。因此若是在繁琐的数学运算上花费大量的时间和精力，就会忽略在信号处理时对理论结果的实际应用，从而导致教学过程脱离实际，而变得抽象、枯燥，使教学模式死板。另外，还会导致在授课过程中，缺乏对于数字信号处理结果的直观认识。例如：在滤波器的设计中，学生大多数都只看到一些理论的推导和大量的数学表达式，却无法看到结果的直观演示。这些问题都对学生理解所学知识有严重的影响。

随着社会的不断发展和数字信号处理技术的广泛应用，针对以往数字信号处理课程教学中存在的不足，尤其是针对应用性较强的工科院校时，我们需要把“积极发展，规范管理，改革创新”作为指导思想[1]进行应用型教学探讨和改革，培养学生以自我为中心，掌握学习方法，养成良好的学习习惯和应用知识的能力，提高自我学习能力和综合学习素养。

1 衔接相关课程，优选教学内容

数字信号处理理论性强、概念抽象、公式推导多，因此学习过程就变的枯燥乏味。为了让学生能够在有限的学时中对数字信号处理的基本知识点有更好的理解和掌握，我们不只是需要对授课内容有一个更精心的选择和安排，还需要重点的讲授该课程中的基本概念、关键的结论和物理涵义，并与实际应用紧密结合，多以实例形象讲解，而不是只进行大量的公式推导。另外，还需要注意课程各知识点之间、课程与课程之间、各个专业之间所存在的交叉和渗透。如，“信号与系统”是数字信号处理的先修课程，该课程中大量存在离散信号与系统的内容。那么，在制定数字信号处理课的教学内容时，即要避免与“信号与系统”课内容的大量重复，又要避免课程的不完整，那么可以压缩与“信号与系统”相重复的内容。可以先简单的复习一下第一章离散信号与系统理论，然后再讨论数字信号处理中存在的具体问题。

另外，为了让学生把所学的知识更好的系统化，还需要铺垫好后续课程[2]。例如：“帕塞瓦尔定理”与能量守恒原理相呼应，并且是现代信号处理中功率谱估计的基础；线性系统中有一重要运算方式—“卷积”，而“自相关/互相关”是雷达信号处理中信号分离的基础；“离散Fourier变换（DFT）”则是时频信号分析或窄带信号分析的基础。这些内容的良好掌握可以为后续专业课程的学习及毕业设计提供坚实的基础，还可以让学生学会融会贯通，从而形成发散性的思维，用辩证发展的观点来理解所学知识，培养学生开发探索的能力。因此，加强数字信号处理技术的实际应用，优选课程的相关内容，兼顾学生之前的课程学习和未来的课程安排，做好课程内容之间的衔接，提高学习的效率。

2 结合实际问题使教学手段形象化

学生对数字信号处理课中很多抽象的概念和公式不容易理解。因此，教学手段的形象化，可以使学生更感性和直观地体会概念、公式及其原理的意义，更全面透彻地理解所学内容。教学手段的形象化主要分为下面两个方面。

第一，结合含义学习数学公式。数字信号处理课程中许多概念是用数学公式来描述的，其推导过程也比较复杂，涉及数学符号多，学生容易仅针对符号来推导符号，容易忘记数学符号和公式背后的含义[3]。从而，在教学过程中，不仅要训练学生用口语表述数学公式，而且要着重理解公式所表示的物理含义，促进学生紧密结合实际应用开展学习。

第二，在课堂教学中，大量使用仿真软件展示结论或结果。MATLAB是数字信号处理课程中的常用的教学仿真软件，配有功能非常全面的ToolBox，能轻松完成数字信号的分析和复杂处理，如：可以设计滤波器并进行统计分析、显示DFT结果的幅度谱、计算离散卷积等，也可以形成教学所用的多媒体素材。还可用MATLAB仿真某些抽象的公式和概念[4，5]，利用图形形象化的说明这些定理和概念，既生动形象，又调动了学生的兴趣。此外，让学生进行探究式学习，提高其探索精神和动手能力；结合实际应用中的问题，设计开放性实验课题，使学生主动地探索和研究，把学生按小组划分，通过组内协作和组间竞争的方式，让学生在团结合作中完成一个实际题目，增强学生的团队合作精神和创新意识。

3 培养工程思维，加强实验教学

工科院校的学生即需要扎实的理论基础，还需要培养解决实际问题的能力。从而，在实验教学环节中应不断加强，培养学生将知识应用于工程的能力。应根据信号类专业基础课程和专业课程的相关联性，对实验内容进行设计和编排，既兼顾到前课程—“信号与系统”中各实验间的联系，还要为后续课程—“DSP原理与应用”打下基础，即将本科四年的课程学习看成一个系统，“数字信号处理”课程实验作为其中承上启下的一个必不可少的环节存在，应达到加深之前知识的理解和铺垫后续将要学习知识的目的。基于此，把初步了解和学习DSP的软件环境CCS（Code Composer Studio）加入到了“数字信号处理”的MATLAB仿真实验中，并将实验课程划分成两个层次，即基础性实验和进阶性实验。基础性实验主要包括常见离散型号的产生和实现实验、FFT算法的应用实验、无限脉冲响应数字滤波器的设计实验、有限脉冲响应数字滤波器的设计实验等，使用工具主要为Matlab编程环境，主要目的是重现课本上的概念、定理等，加深学生理解，为后续的进阶性实验奠定基础；进阶性实验主要是面向工程应用和实际问题的设计型实验，如：Code Composer Studio的入门实验、音频信号发生实验、特定波形的信号产生实验等，在实验设计过程中注意结合常见错误设计相应的问题，让学生自主解决，老师在这一过程中仅起到指引解决问题方向的作用，不给出具体的解决方案和步骤，培养学生的独立解决工程问题的能力。

4 结语

数字信号处理课程不仅是电气信息类专业一门极为重要的专业基础课，对其它电子类专业课程也起到一个连接的作用；在学习过程中，既要掌握基础的理论，还要掌握专业的技术。从而，在广泛应用数字信号处理技术的未来，才具有解决实际问题的能力。对于数字信号处理课程所具有的特点，以应用为牵引进行教学改革，在教学内容、教学手段和实验上进行优化和创新，培养学生对数字信号处理课程的兴趣，在老师的方向性指导下，提高学生自主学习和解决实际问题的能力。

参考文献

[1] 周济.促进高校独立学院持续健康快速发展[J].教育发展研究，2003，23（8）：7-11.

[2] 郑旭媛，田心.“数字信号处理”课程研究型教学改革与实践[J].西北医学教育，2007，15（3）：513-514.

[3] 张安清，林洪文，陈洪泉.《数字信号处理》课程教学改革与方法研究[J].高等教育研究学报，2013，36（4）：113-115.

[4] 郭建涛.“数字信号处理”课程的Matlab教学研究[J].电气电子教学学报，2010，32（3）：117-l19.

[5] 王冬霞，李波，孙福明，等.应用型本科院校《数字信号处理》的教学改革与探索[J].辽宁工业大学学报：社会科学版，2010，12（6）：112-113.endprint