“数字信号处理”课程教学改革研究与探索

刘晓明

摘 要 针对“数字信号处理”课程教学中存在的问题，本文主要从理论教学和实验教学两方面对课程的教学改革进行了研究和探索。

关键词 数字信号处理 教学改革 研究

中图分类号：G642 文献标识码：A

0引言

随着计算机和微电子技术的发展，数字信号处理学科已成为通信、雷达、声纳、电视、测控、生物医学工程等众多学科和领域的重要理论和技术基础，其地位和作用变得愈发重要。“数字信号处理”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，是一门既侧重理论但同时又与实际密切联系的学科。目前《数字信号处理》课程已成为我院电子信息工程、测控技术与仪器、自动化专业重要的一门专业必修课。在理论教学方面，该课程数学公式和理论推导较多，使得学生在学习这门课程时，普遍感到数字信号处理的概念抽象，公式推导繁琐，对其中的分析方法与基本理论不能很好的理解与掌握，缺少对数字信号处理结果的直观认识，导致不少学生产生难理解、难学，甚至厌学的情绪，例如：在滤波器的设计中，学生大多数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。另外，实验教学中设置的实验多为验证性实验，而以提高应用能力的综合设计性实验偏少，仅注重理论部分的验证，缺乏与实际应用的关联，这些问题都对学生理解所学的知识有严重的影响。为了提高教学质量，需要对课程的教学进行改革。

1理论教学改革

在教学内容上，首先注重教学内容的过渡和衔接。“数字信号处理”课程的内容比较成熟和经典，其与“信号与系统”课程的教学内容有着密不可分的内在联系，二者核心都是对各种不同的信号进行分析，以期实现对不同信号的处理，进而得到所希望的信号。为了保证各自理论体系的完整性，这两门课程在离散部分的内容是几乎是重复的，例如：离散信号分析和z变换。所以这两门课的衔接和过渡显得尤为重要，否则会显得拖沓，许多学生在初学时容易产生厌学的情绪。因此这部分的内容的讲授应用尽可能少的学时，以内容回顾和补充的形式来进行安排，已达到唤醒记忆，查漏补缺的目的，避免重复过多。

其次，将Matlab导入“数字信号处理”课程，作为课程的重要补充。利用Matlab软件强大的计算仿真功能和方便易用的图形绘制能力，可以将课程中的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。为了让学生尽快学会使用该软件，可以结合课程中涉及到的基本运算，选择好Matlab中相关的基本内容 尽快进行学习，进而了解各种信号和系统在软件中的表达方法，并为实验课的顺利进行做好准备。

同时改变教学方式。改变传统的以教师为主体、书本为中心的封闭型的知识传授体系，转而向以学生为主体、提高学生能力为中心的开放型知识传授体系转变。不断丰富课堂教学手段，改革教学模式，激发学生兴趣，提升课堂教学效果。“数字信号处理”课程中有许多的数学概念、物理概念和工程概念，需要借助图形来进行讲解，例如利用几何法描述系统的频率特性、循环卷积等内容，利用多媒体教学手段可以形象、直观的展示相关原理和过程，给学生留下深刻的印象，同时节省了授课时间。但对于基本原理和公式的推导，例如Z变换、DFT变换的计算和性质等内容，传统黑板加粉笔的教学方法更加清晰，使学生能够跟上老师的节奏，并留有一定的思考时间，教学效果良好。因此本课程改革综合二者利弊，采用多媒体教学手段和传统教学手段并用的方式，使课堂教学达到双赢的效果。

例如，关于时域卷积定理的证明。如果采用公式推导的方式得到该定理，需要大量的数学演算，学生会感到乏味，而且仅把它当成无数数学公式中的一个。理论不能与实际工程联系起来，学生无法得到一个感性认识，最终导致学习兴趣的降低。图（a）、（b）和（c）展示了一个信号通过某一系统前后的时域波形及其频谱。从时域卷积的概念是不易理解的，而从频域相乘的角度则一目了然。滤波后信号的频谱中，只有最低的频率成分被保留了下来，其余的频率成分被抑制掉，因此该系统实际上实现了低通滤波的功能。

通过这个仿真实例的演示和讲解，学生对什么是信号，什么是系统，以及系统对信号的作用的数学表示有了更加形象、直观的认识，从而对基本概念有了更深层次的理解，激发了学习兴趣。

2实验教学改革

由于独立学院学生的高考分数参差不齐，且普遍低于二本分数线，学生基础知识相对薄弱，但也不乏优秀的学生。目前，我校“数字信号处理”课程实验主要采用Matlab仿真软件完成，共开设4个实验，全部为验证性实验。验证性实验能够将所学理论和原理形象化和直观化，促进学生理解，但是无法培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。为此可以在原有实验内容的基础上，合理安排一些思考题和综合设计性的实验内容，满足不同学生的需要。

在实验过程中，学生往往把重心放在计算机程序的理解和编写上，而不是对实验结果的分析上，致使很多同学认为数字信号处理实验就是计算机编程，而且学生在指定时间内仅能完成指定算法的验证，无法根据自己对概念的理解来改变算法参数和实现方式，完全失去了实验本身的意义。为此实验教学改革研究设计基于Matlab的数字信号处理实验仿真系统，内容涉及离散时间系统与系统与滤波器设计两部分内容：实验包括离散时间信号的产生及运算、Z变换的应用、DFT的计算及应用、时频域采样定理、IIR及FIR滤波器的设计等。学生在该仿真系统相应的实验中只需修改相应的参数，便可马上得到相应的仿真结果，降低了对于学生计算机编程能力的要求，增强了对实验结果和现象的分析上，从而使得理论知识得到更好的理解和掌握。

3结语

本文在研究独立学院学生特点的基础上，结合“数字信号处理”课程的地位和教学现状，从理论教学和实验教学两方面进行了教学改革研究。实践证明，课程改革取得了较好的成绩，但是还存在一些问题。例如：如何引入更多的实践环节来更好实现与后续课程“DSP技术及其应用”的衔接，课堂教学中如何更好的激发学生兴趣等等。我们将在今后的教学实践中继续改进教学方法，提高教学质量。

参考文献

[1] 郝晓莉.“信号与系统”和“数字信号处理”课程改革的思路和实践[J].电气电子教学学报，2002，24（6）：19-22.

[2] 李杰等.《信号与系统》和《数字信号处理》课程教学改革探索[J].长春大学学报，2007，17（7）：35-37.

[3] 富爽，等.数字信号处理课程的教学改革研究[J].大庆师范学院学报，2013，33（6）：119-121.