数字信号处理课程教学改革研究

翟懿奎，马 慧，曾军英

（五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020）

数字信号处理课程教学改革研究

翟懿奎，马 慧，曾军英

（五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020）

针对目前五邑大学信息工程学院数字信号处理课程的教学现状，对课程建设改革进行了一些探讨，包括整合教学内容、优化课程体系及进一步丰富教学手段，提出对基于Matlab的生物特征提取研究及考试方法等方面进行改革。

数字信号处理；课程改革；教学研究

0 引 言

数字信号处理这门课程理论性较强，涵盖了很多抽象概念和数学公式，蕴含着丰富的物理意义，学生觉得该课程学习难度大[1]。随着学科的发展，教与学的不相适应已经在本课程的教学中显现出来。目前，国内一些高校已经展开数字信号处理课程的教学改革。

为了深人贯彻、全面推进素质教育及强化工程教育的精神，更好地帮助学生系统理解这门课程，掌握这门课程包含的基本概念、原理和分析方法，我们对课程的内容和结构进行了深人研究，并做出一定的调整和改革。

1 总体上分析数字信号处理课程

1.1 数字信号处理课程特点

数字信号处理课程涉及的知识理论性较强，知识面广且概念抽象、学时少，高等数学、矩阵分析、随机过程等课程是该课程的基础。当今社会，信号处理的发展进人了新的阶段，在信息化进程中，数字信号处理的地位变得越来越重要。生活实践中遇到的数字信号处理问题十分常见，与这些内容相关的科学技术在科技领域的比重日益增大[2]。

1.2 目前数字信号处理课程存在的问题

当下，数字信号处理教材存在内容繁杂、难度系数较大、理论性较强等问题，而学生课前预习、课后复习的自觉性较差。实际教学中由于其他课程的安排，数字信号处理课程的课时被压缩，导致教学内容繁多但学时较少。

2 整合教学内容

（1）数字信号处理与信号与系统课程优化整合数字信号处理和信号与系统是五邑大学信息工程学院开设的两门非常重要的必修课。这两门课程的主要内容都是对各种信号进行分析和处理，得到我们希望的有用信号[3]。改革之前，两门课程的教学内容存在交叉严重的现象。虽然目前大多教材为减少授课内容的重复性，将信号与系统课程中的离散部分和数字信号处理课程中与之重复的部分进行了整合，但最终效果差强人意。学院该课程学时较少，仅30学时，这就要求精选课程内容。为此，我们对本课程进行了更深人的整合。

（2）整合后的课程主线。强化连续信号相关知识点，使学生在掌握理论的同时，了解相应背景，淡化对数学技巧和运算的过分依赖，增加学生运用数学知识的灵活性，达到举一反三的效果。在教学过程中，应该循序渐进，从易到难，讲授内容从时域过渡到频域，从连续信号过渡到离散信号，从傅氏变换过渡到拉氏变换再到Z变换，把各知识点关联起来学习、理解和记忆，将信号从时域变换到频域以及傅氏与拉氏变换和Z变换之间的联系梳理清楚，使知识点之间相互衔接，让学生从更高的层次上整体把握课程的核心内容[4]。

3 改善教学手段

（1）因为该课程公式定理多、理解难，借助形象化教学手段，学生可以更好地理解教材中的概念、定理，同时增加他们学好本课程的信心。比如，对于数字信号处理中繁琐数学公式的记忆，可以采用联想记忆法，结合其他课程、联系其他知识一起记忆，纠正死记硬背的习惯。这种方法有助于学生灵活、轻松地记忆重点知识，同时将枯燥的数学公式更加形象具体地表现出来，易于学生的学习和理解。

（2）让学生参与习题的讲解和课堂小结，自己备课、准备PPT，然后讲述知识点，其他学生提出疑惑，大家各抒己见，进行探讨和解惑。最后教师对每位学生的讲解进行点评，对讲授过程中的问题提出改进意见，再次强调一下重点内容。为了调动学生参与的积极性，可以通过给平时成绩加分等方式鼓励学生踊跃参加习题课讲解。

（3）本课程有些公式非常抽象、枯燥无味、难以理解，教师在讲授这些内容的时候不应该一成不变地通过板书推演公式，应该加人一些动态元素，这样才能调动课堂氛围。我们采用课堂板书与现代教学资源相结合的方式，发挥好传统教学手段与现代教学手段的优势。为了使抽象的概念形象化，提高教学效果，我们采用形象生动的图像、动画等形式进行辅助教学。

（4）教师在讲解一些需要求解的题目时，可以将整个题目的求解过程做一遍板书，再制作一个动画，将整个求解过程完整地重现一遍，加深学生的印象，提高其学习效率[5]。

4 将数字信号处理课程理论应用于基于MATLAB的生物特征提取研究

该课程理论繁多、较难理解，这是往届学生普遍反映的情况，更有学生觉得本课程在实际中没有什么应用。因此，教师在教授本课程的时候应该将看似复杂的理论知识与现实生活中的应用实例结合起来。Matlab作为一款高性能的数学仿真应用软件，无论在数字信号处理课程的理论学习还是实践教学中都得到广泛应用，主要表现在以下3个方面：①公式计算和信号表达;②在课程设计中的应用;③对教学实验的测验和展示。生物特征识别技术是一种通过采集和分析人体固有的特征（生理特征和行为特征）进行身份识别的计算机技术。计算机通过导人的视频和图像采集这些特征，应用生物统计学，结合图形、声音、行为分析、数据库等高级算法和科技手段，最终实现对人身份的识别。为此，我们将数字信号处理课程理论应用于基于Matlab的生物特征提取研究，以此来提高学生学习本课程的兴趣。

人脸图像中，除了全局纹理特征外，局部纹理所含有的信息对特征提取和识别效果也非常重要。这就要求我们找到一种方法，提取纹理部分的重要信息，并尽量降低不重要的信息对识别的影响，即对人脸图像进行局部分析。将数字信号处理领域中的Gabor变换引人人脸识别中，采用这些变换进行局部分析，提取出对人脸识别有用的特征。针对这个应用实例，讲解过程中要强调基于Gabor小波变换进行特征提取的优点：当图像的边缘特征方向与二维Gabor滤波器纹理特征方向一致的时候，二维Gabor小波变换有较强的响应，如眼睛等部位Gabor响应输出较为强烈。通过修改Gabor函数的参数sigma、theta，可以获得不同中心频率、不同方向上的Gabor滤波器，既可以提取不同局部细节的纹理特征，又能够提取全局性较强的特征，同时减少噪声干扰。Gabor变换提取人脸特征的流程图见图1。

图1 Gabor变换提取人脸特征的流程图

根据以上流程图编写的程序可以得出一幅经Gabor小波变换后的人脸特征图像，见图2。

通过这种应用实例，借助Matlab实现数字信号处理中的工程实践问题[6]，将Matlab仿真实验融人课堂讲授，与实践应用相结合且教学效率高。同时，通过Matlab的可视化工具，学生能更加深刻地理解抽象的概念和数学理论以及对公式计算和信号的处理。

图2 经Gabor小波变换后的人脸图像及其特征图像

5 改良考核方式，将重点转移到学习过程中

之前的考试只注重书面成绩，忽略了考试本身的重要意义，使学生不能对考试有正确的认识。因此，改革考核方法意义重大。加大平时实践成绩的比重，考试采用半开卷的方式（即可以带纸质版资料进考场），可以相对延长考试时间，引导学生将学习的重点转移到运用能力上[7]。这样，不仅保证了试卷难度适合于大多数学生，使考试成绩分布在合理的范围之内，也较为客观地反映了学生对本课程的实际掌握情况[8]。

[1] 廖柏林, 肖林, 刘梅. 地方高校“信号与系统”课程教学现状与改革探讨[J]. 科技视界, 2015(17): 40-83.

[2] 佘立中, 赵建华. 及时教学法在课程教学中的应用[J]. 广州: 高教探索, 2006(2): 76-77.

[3] 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): 5-22.

[4] 丁玉美. 数字信号处理[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2003: 3-5.

[5] 张丽丽, 贾亮.“数字信号处理”课程教学的改革与实践[J].中国电力教育, 2012(34): 70-76.

[6] 曹昕燕. 基于Matlab的数字信号处理课程改革[J]. 长春大学学报, 2007, 17(2): 96-97.

[7] 杨晓华. 材料科学专业课教学方法改革探析[J]. 福州大学学报(哲学社会科学版), 2001(S1): 64-66.

[8] 余颖, 肖静, 刘树博. 数字信号处理课程教学改革的探索和实践[J]. 东南大学学报, 2011, 30(3): 295-296.

（编辑：孙怡铭）

1672-5913(2017)01-0070-03

G642

国家自然科学基金项目（61072127，61372193）；广东省自然科学基金项目（S2013010013311，10152902001000002，S2011010001085，S2011040004211）；广东高等学校优秀青年培养计划项目（SYQ2014001）；广东省特色创新类项目（2015KTSCX143）；五邑大学青年科研基金项目（ 2013zk07）。

翟懿奎，男，副教授，研究方向为生物特征识别、图像处理与模式识别、机器学习、人脸美丽研究，yikuizhai@163．com。