数字信号处理课程的应用型教学模式探索

沈希忠

（上海应用技术大学 电气与电子工程学院，上海201418）

数字信号处理课程的应用型教学模式探索

沈希忠

（上海应用技术大学 电气与电子工程学院，上海201418）

数字信号处理是工程领域泛专业研究生的一门主干课程，很多专业领域都将其设为培养体系中的学位课程，在研究生的课题阶段该门课程的相关知识得到了很多研究生的大量应用，由此也提升了论文的质量。文章从相关领域以“应用为主线”的研究生的实际需求出发，结合作者多年来在数字信号处理课程教学和研究中的经验与体会，提出该课程短学时教学内容改革方案。该方案从研究生培养目标、课程内容组织、教学方案和教学手段展开，进行详细地分析与描述。

应用型教学模式；教学内容；教学方案；教学手段；数字信号处理

引言

信号处理技术是电子信息工程的基础，也是工程领域泛专业的主要内涵。近三十年来信号处理技术发展迅速，取得了可观的研究成果，并由此受到研究生教育培养的关注［1］。

“应用为主线”的教学策略在高校中一再被提倡［2］，上海应用技术大学也不例外，该校电气学院的研究生培养方案也体现了各学科之间互相渗透的特点，学生所研课题一般都属于学科交叉范畴，尤其对于信号处理的掌握，对于学位研究生能否在课题进行中上一个学术水平是十分必要的。近年来，信号处理（主要为数字信号处理）因此而变为各校信息相关专业的主干课程。

信号处理课程的研究生教学内容主要包括FFT、谱估计、滤波设计等，与本科教学区别的是，研究生阶段由于他们学习了线性变换、矩阵理论等数学课程，可以学习用矢量和矩阵表达的数字信号处理算法，如信号处理中高阶谱分析、Wiener滤波、自适应滤波等，其应用更体现不同处理对象的特征分析和提取、分类和识别。为此，以研究性为主的高校研究生教材重视信号处理理论知识的强化，重视相关的数学知识，尤其是概率理论和统计方面的知识。一般地，这些概念艰涩难懂、计算复杂、理论性较强，有些甚至用到现代数学的复杂理论，从而导致对于以“应用为主线”的学生无法取得理想效果。若不改进教学方法，学生很难将信号处理的理论知识与实际问题相对应，学习过程中容易出现厌学、死记硬背等不良学习状况。另外，由于本课程理论先进，内容丰富，仅靠少量的学时教师无法详细、全面介绍信号处理技术及应用，因此教学过程中有时只抓理论重点，变相忽略了对实践能力的要求。如上海应用技术大学将数字信号处理课程设为30-32学时，难以满足甚至经典信号处理内容的讲解。

文章从数字信号处理课程的特点出发，探索短学时数字信号处理课程如何提高教学质量，并对其教学内容、方法和手段进行探讨，旨在满足应用为主的教学要求。

一、信号处理应用型教学内容建设

数字信号处理课程内容一般涉及大量的定理、数学公式及理论推导，对于应用型为主的研究生在学习时倍感吃力。

为此，我们质疑是否必须进行这种专业的学习和相关的学术研究？认为这些学生需要对相关概念进行理解和应用，而不必考虑复杂的数学理论推导，否则将与培养学生应用型的初衷相悖。故在选择授课内容时，应该注重知识的完备性、概念的清晰性、不同处理方法的逻辑性、在不影响理解的前提下尽可能简化数学推导，使学生既对系统有总体的把握，又不会处于艰涩难懂的理论推导之中而无暇顾及应用的学习。

结合上海应用技术大学硕士的应用型培养目标，我们对研究生数字信号处理课程所涵盖的主要知识点和教学内容进行梳理，把握调整后内容的深度和广度，在体现理论的同时，通过在高科技中的应用体现其先进性和应用性。

在数字信号处理的教学内容选择上，我们以应用背景为前提进行选择，主要有以下三个方面：以语音信号为应用背景，讲解谱估计，包括信号采集、FFT、DCT、Hilbert变换、短时谱分析等；以电机振动信号为应用背景，讲解各种谱分析、滤波方法、特征分析和提取、小波分解等；以图像为应用背景，讲解Wiener滤波等，具体见表1。

表1　数字信号处理教学内容和课时安排

图1　FFT案例，被噪声污染的信号，其主要频率成分是50Hz和300Hz，通过傅里叶变换对其频率成分分析

二、应用型研究生教学模式探讨

数字信号处理课程数学要求高，理论推导复杂，同时受制于实验条件，因此该课程面临“老师难教、学生难学”的尴尬境地，现在的问题是如何改进教学方法和教学手段促进学生的学习兴趣和对知识的掌握？为了提高教学质量，针对学生的学习兴趣、主动性和参与性，我们充分利用现代教学方法和手段，作如下方面的努力。

（一）兴趣培养

通过突出本课程所授内容的用途提高学生的兴趣。为了突出信号处理各项技术在课题中的用途，我们尽量在每学期上课之前查找最新科技成果，搜集各种信号处理案例，向学生展示不同背景、不同领域中信号处理技术所发挥的作用。同时，我们在讨论中鼓励学生发表自己的见解，阐述对信号处理技术的理解，通过互动和写报告的方式使学生认识到信号处理技术的内涵和应用背景，从而产生浓厚的学习兴趣。

在课堂教学过程中，任课教师还引入国内外研究工作者的科研轶事与发展轨迹来提高学生的兴趣，吸引学生的课堂注意力，增强学生的自信心和学习自主性。

（二）多样化与现代化教学

现代教学形式有多媒体、板书和可视化三种形式，三者的有机结合有利于突出教学内容，进行应用型的教学方式。

信号处理的基础理论是一些数学推导、算法解释，学生在学习时普遍感到信号处理的抽象性，难以理解与掌握，因此在教学过程中，辅以多媒体教学，利用计算机的运算功能及图形功能，用形象直观的可视化演示是提高教学效果的最好方式。

由于是研究生教学，我们在概念基础上适当加入必要的理论推导，在理论推导复杂时采用MatLAB可视化教学，用图形形象说明，避免纯多媒体播放使学生无法理解而跟不上。总之，我们对关键步骤利用板书厘清数学思路，并用可视化演示推演复杂的数学关系，利用MATLAB软件在电脑上进行案例分析、算法演示。

例如在学习FFT谱内容时，我们首先讲解FFT的基2算法，然后用MatLAB演示语音信号、振动信号的FFT分析，最后再通过一个示例说明FFT的应用，其应用案例如图1所示，我们还要求学生用周期图法、自相关法、AR谱等谱估计法进行频率成分分析。

（三）课题引入和报告

数字信号处理内容丰富，涉及面广，但由于该门课程课时少，无法全面深入讲解本课程的全部内容，而只能兼顾内容的完备性。上海应用技术大学对本门课程设有30学时，显然难以满足全面的内容讲解，甚至是一些基本概念的面面俱到。

我们从实际的应用背景出发，让每位学生在掌握基本算法的前提下，结合自己的研究方向对所学知识进行延伸，要求学生在掌握所有基础知识的同时，还自主选择自己感兴趣的话题，与自身研究方向密切相关并进行深入研究，书写报告等，并在学期末进行PPT交流。

学生根据自己的研究方向和兴趣选择一个信号处理相关的设计话题，而后根据所选定的题目阐述设计过程中所用到的理论知识和最新算法，以及可能遇到的困难，使用所掌握的理论知识和编程技巧，解决若干个问题。

在研究型大学中，以研究项目为中心的数字信号处理课程教学法［3］有利于激发学生的主动性，有利于提高大学的教学水平。

三、结束语

数字信号处理教学内容的改革已在以应用型为培养目标的研究生教育中展开，并在我校硕士研究生的教学中实施，在实施中受到了同行的肯定，得到了学生的好评。教学内容也随着每一届学生和老师的意见而不断更新，这是一个不断探索和完善的过程，我们也希望和同行交流与研究，为提高研究生的教学质量而努力。

［1］文传博.专业学位研究生“现代信号处理”课程教学探索［J］.课程教育研究，上旬刊，2015，12：157-158.

［2］田丽，许杰，邸国辉，等.“以应用为主线”的信号处理类课程研究性教学模式的改革与实践［J］.教育教法探讨与实践，2015（7）：247.

［3］王宏，刘冲.以研究项目为中心的数字信号处理课程教学法研究与实践［J］.教育教学论坛，No.6，2015：114-115.

Digital signal processing is a pan graduate courses in engineering field，many professional fields have set it as one of the degree courses in the culture system.Its related knowledge has been widely used in many graduate students'courses，which has improved the quality of the essays.From the actual demand of related fields to research and application as the main line，the paper combines the author's teaching and research experience in the digital signal processing for many years，puts forward the scheme of teaching reform of the course of short hours. The program carries out a detailed analysis and description from the postgraduate training objectives，curriculum content organization，teaching programs and teaching means.

application oriented teaching mode；teaching content；teaching plan；teaching method；digital signal processing

G642

A

2096-000X（2016）22-0098-02

沈希忠（1968-），男，汉族，上海人，博士，教授，研究方向：信号处理和控制。