研究生“现代信号处理”课程教学方法探讨

盛虎+赵树源

摘要：“现代信号处理”课程是大连交通大学硕士研究生交通信息工程及控制专业和电子与通信工程专业的学位课程。近几年“现代信号处理”课程的教学效果和教学质量难以很好保证的问题。针对这个问题，教师在教学内容和教学方法上进行了相应调整和改进，提高了学生的学习积极性。本文突出教学内容重点，强调算法思路讲解，加强实验、实践教学和紧跟学术前沿方面对“现代信号处理”课程的教学方法进行探讨。

关键词：现代信号处理；教学方法改进；探讨

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）11-0240-02

鉴于现代信号处理技术的重要意义，大连交通大学为交通信息工程及控制专业和电子与通信工程专业的硕士研究生开设了“现代信号处理”课程，目的在于通过此课程的学习和训练，使学生理解现代信号处理的基本概念和基本理论，掌握现代谱估计、自适应滤波器、高阶统计分析和时频信号分析等现代信号处理技术，并能够应用常用的算法解决交通信息工程和电子与通信方向的实际问题。

早期大连交通大学“现代信号处理”研究生课程的学生人数适中，学生的信号课程和高等数学相关课程的基础知识掌握也较好，知识结构和实践能力差别不大，所以此课程的教学效果和教学质量很好。此外，本校为了培养适应不同研究领域和应用领域人才的需要，划分了学术型和专业型硕士研究生，造成硕士研究生的知识结构、学习能力和实践动手能力存在很大差异。由于学生数量以及学生知识和能力方面差异的原因，导致“现代信号处理”课程教学效果和教学质量出现了下降。教师们在王秋生、章东平、高远、张新峰和黄勇等学者研究的成果之上，针对我校学生的特点对此课程教学方法进行了改进，并取得较好成效。本文根据此课程教学方法改进及实施过程中取得的经验做简要介绍，以供大家一起探討。

一、影响课程教学质量的主要原因

根据大连交通大学“现代信号处理”研究生课程的实际情况，在教学过程中主要发现以下因素导致教学质量下降：

1.学生知识结构、学习能力和实践动手能力差异大。我校交通信息工程和电子与通信专业的学生数量多，并且分为学术型和专业型硕士研究生，学生在本科阶段所学专业也有所不同，有些学生甚至没有学过信号处理相关专业课程。另外，“现代信号处理”课程对相关数学基础要求高，学生的数学基础也良莠不齐。学生在学习本课程过程中所表现出来的学习能力和实践动手能力也存在很大差异，因此导致学生的学习效果差异很大。

2.经典教材内容相对陈旧，而新教材内容差别很大且重点不突出。“现代信号处理”课程有一些经典教材，例如胡广书编著的《现代信号处理教程》，张贤达编著的《现代信号处理》，汪源源编著的《现代信号处理理论和方法》等。而经典教材内容以相对比较成熟的信号处理方法为主，相对而言脱离了学术前沿研究内容。而新出版的教材的内容存在较大差异，而且侧重点也有所不同，因此本课程教材及教学内容的选择也直接影响教学质量。

3.课程内容抽象且对高等数学基础要求较高，学生产生畏惧感。“现代信号处理”课程的学习应用到数理统计、微积分变换、矩阵论、最优化方法、数值分析等数学知识，涉及到大量的数学公式推导。数学基础不扎实的学生在学习本课程的过程中会逐渐产生畏惧感，最终几乎放弃本门课程的学习。

4.传统教学方法注重理论教学而忽略实践教学，与实际应用严重脱节。“现代信号处理”课程理论性强且，因此传统教学方法十分重视理论基础的讲授，相对而言忽略了现代信号处理技术的试验及实践教学。而这种传统的教学方式直接导致学生理论掌握较好却不知如何应用或不知应用在什么领域，甚至不知道针对何种类型的信号应该选择哪种现代信号处理技术，与实际应用严重脱节。

二、课程教学方法改进措施

针对以上在教学过程中发现的问题，本校教师以提高学生学习兴趣和积极性，改善教学质量为目标，在教学内容，算法讲解方式，实验、实践教学以及学术前沿技术等方面对本课程的教学方法进行改进。

1.补充必要的基础知识。针对学生知识结构、学习能力和实践动手能力差异大的问题，本校教师根据每届学生的知识结构特点补充必要的信号处理相关基础知识。“现代信号处理”课程的学习需要“信号与系统”、“数字信号处理”和“信息论”等相关基础课程的知识，但部分学生在本科阶段不属于信息类相关专业，因此最基本的信号处理相关基础课甚至没有接触过。另外，“现代信号处理”课程还需要“随机信号处理”课程的知识，但在本科阶段大部分学生没有学过“随机信号处理”课程。因此，“现代信号处理”课程讲授不能直接讲授处理算法，而应该补充必要的“信号与系统”和“随机信号处理”课程的基础知识，使学生由浅入深、循序渐进的接受新知识。

2.重新编排教学内容，突出教学重点。针对经典教材内容相对陈旧，而新教材内容差别很大且重点不突出的问题，本校教师在补充必要的相关基础知识的基础上对教学内容进行重新整理和编排。根据交通信息工程和电子与通信专业的特点，突出非高斯非平稳随机信号相关内容，将重点放在高阶统计量分析和时频信号分析分析算法以及非高斯非平稳随机信号处理新方法的讲解，而参数估计和信号检测则作为了解内容进行介绍。

3.强调算法思路讲解，避免大篇幅理论推导。针对课程内容抽象且对高等数学基础要求较高，学生产生畏惧感的问题，本校教师在讲授过程中主要介绍算法的思路，而非数学推导。现代信号处理的最大特点是大部分算法都是根据“最优化方法”的思想，根据一个判据使代价函数达到最优，学生只要掌握了判据的类型和特点，以及代价函数最优化的计算思路即可，没有必要大量掌握涉及矩阵论、数值分析、概率统计等公式推导。这种教学方式使得学生更容易接受，也减少了对数学的“畏惧感”。

4.重视实践，结合应用，紧跟前沿。针对传统教学方法注重理论教学而忽略实践教学，与实际应用严重脱节的问题，本校教师在讲授过程中穿插大量的实验和实践内容，使原本抽象的理论讲解变得生动具体，提高学生的学习兴趣。尤其，本本校教师所采用的实例都是和应用紧密相关的实际随机信号，比如在讲解自适应滤波器的过程中应用实际采集到的心电信号或水文信号，使学生在学习过程中紧密结合应用。另外，为了让学术型研究生获取更多的学术前沿研究成果，在课程讲解过程中介绍例如分数阶傅里叶变换和压缩感知等学术前沿内容，保证学术型和专业型硕士研究生都各有所学，各取所需。

三、教學效果和教学体会

采用以上“现代信号处理”课程教学方法改进措施后，首先课程前期补充相关基础知识的办法解决了学生知识结构差异大的问题，即使是非信息类专业的本科毕业生在学习过程中也不至于“掉队”；其次经过对教学内容重点部分和非重点部分的划分，使学生在学习过程中“有的放矢”，把精力集中在非高斯非平稳随机信号处理部分；再次，教学过程中省略了大篇幅的数学运算和数学推导，使学生对算法设计思路更加明确；最后，通过实验和实践教学，使理论学习和实际应用很好的结合，并且通过学术前沿技术的介绍使学生思路更加开阔，提升学生的创新性思维。总体来说，通过本课程教学方法的改进，教学质量明显提升，学生的学习兴趣也有很大提高，学生的应用现代信号处理解决实际问题的能力也大大提升，掌握现代信号处理的前沿性研究，为学生今后的深入研究和应用打下良好的基础。

参考文献：

[1]王秋生，袁海文，崔勇.《现代数字信号处理》的教学研究与实践[J].北京航空航天大学学报（社会科学版），2009，22（4）：77-80.

[2]章东平，徐佳慧，杨力.浅谈《现代信号处理》课程的教学改进[C].“决策论坛——区域发展与公共政策研究学术研讨会”论文集（上），2016.

Teaching Methods Discussion for "Modern Signal Processing" Graduate Course

SHENG Hu1，ZHAO Shu-yuan2

（1.Dalian Jiaotong University，Dalian，Liaoning 116028，China；

2. Dalian Institute of Science and Technology，Dalian，Liaoning 116052，China）

Abstract："Modern signal processing" course is a master's degree program in traffic information engineering and control engineering and electronic and communication engineering in Dalian Jiaotong University. In recent years，the teaching effect and teaching quality of "modern signal processing" course are difficult to be guaranteed. In view of this question，the teacher has carried on the corresponding adjustment and the improvement in the teaching content and the teaching method，has improved the student's study enthusiasm. This paper focuses on the teaching content，emphasizes the idea of the algorithm，and discusses the teaching methods of "modern signal processing" course in the aspects of strengthening experiment，practical teaching and closely following the academic front.

Key words：modern signal processing；improvement of teaching method；discuss