“数字信号处理”课程教学中的实践创新能力培养

鲁远耀+曹淑琴+谷科

（北方工业大学 信息工程学院，北京 100043）

摘要：本文以培养学生的实践创新能力为目标，结合我校“数字信号处理”教学的实际情况，深入剖析了学生创新能力缺乏的原因。最终从理论基础、前沿热点、工程实践三个角度出发，积极探索并提出了如“前沿科技大讲堂”、“教学与MATLAB实践相结合”等具体可行的培养方案。

关键词：数字信号处理；创新能力；素质培养；实践教学

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）13-0177-02

一、引言

在大众创业，万众创新的时代背景下，是否具有创造性思维和综合创新能力已成为衡量当代大学毕业生素质的重要标准。因此，我们以培养学生的自主实践能力和创新能力为目标，结合我校“数字信号处理”教学实际情况，提出了新的教学模式，旨在重点提升学生的创新素质，全面增强学生个人核心竞争力，为国家培养综合应用型人才。

二、本课程教学工作中的现存问题

1.基础课程有待加强。“数字信号处理”是一门综合性很强的科目，以“高等数学”、“复变函数”为基础，综合融入了“信号与系统”等科目知识，形成了较为庞大的知识体系。本课程有些知识过于理论化、抽象化，难以理解，因此要想系统深入地掌握本课程，必须拥有扎实的基础知识及较强的抽象思维能力，但学生的基础知识普遍较差，无法深入理解，更无法深入探究在学习中遇到的问题。这在教学实践过程中是一个大的障碍，需要我们积极探索更有利学生的教学和实践方法。

2.理论与实践不平衡。传统教育教学活动中，教师普遍重理论轻实践，学生只会用公式做题，解题思路按部就班，思维禁锢，动手实践经验少，无法具体深入地了解书本上抽象化公式，无法做到学有所用。在为数不多的实验课程安排中，实验内容及步骤统一化，方法和结果唯一化，缺乏开放性的、路径多元化的开放性实验课程，使得学生的创新能力毫无生长土壤。

3.学生缺乏团队意识。一个好的团队会拓宽思维，使工作成果最优化，对于个人能力的提高也会起到至关重要的作用。但教学实践中，由于团队合作经验少、学生个性强等原因，部分学生团队意识淡薄，实验过程中出现与同学意见相左时处理不当、不懂得如何协同作业等问题，导致学生无法在团队合作的过程中解决问题、提升自身能力，团队整体处理问题能力下降。

三、培养路径

1.夯实基础。扎实的理论基础是创新的奠基石，针对学生高数基础差等问题，我们提出了修改方案，课前对于所需的数学知识加以提示，使学生提前复习相应基础课程；课中对相应的重点基础知识进行补充，保证学生的理论基础足以支持其对于整个课程知识体系的构建。对复杂的理论进行精讲，特别是在引入一个新的知识点时，利用流程图、推导图等使公式等形象化，使知识点更容易理解，变抽象化的公式为形象且简单的结构图，为以后的深入讲解打下基础[1]。

下面我们以一个简单的8阶FIR为例，通过图1，学生可以清晰地认识到滤波器主要由三部分组成：即数据移位寄存器、乘法器、加法器。并且可轻松理解各重要组成部分之间的关系。

2.教学与前沿紧密相连。传统的教育教学中，过度重视书本教学，割裂了课程与相应领域前沿的联系。由此，鼓励老师结合课本以外的知识，激发学生的学习热情，引导其发现身边有待解决的相关问题。在今后的教学活动中，我们将会邀请学科相关领域的专家，就当今热门问题组织“前沿科技进课堂”等知识讲座，如“语音的元音和辅音的时频特性”、“测量仪表和仪器行业中信号处理的应用”等。力求使“数字信号处理”这门课程与时代的发展紧密相连，让学生们真正了解这门课程在实际工程中的应用，加深对书本上理论知识的理解，真正明白“学为何用”，为学习注入源动力。

3.重视教学实践相结合。在以往的教学实践中，学生只有在有实验任务的时候才会被动地实践。事实上，实践和理论学习应该是相互促进的关系，因此在教学的过程中我们要为学生树立“通过动手实践，自主解决理论难题”的意识。本门课程中对各种信号的分析和处理需要通过大量烦琐的计算及推导才能实现，这就打击了部分学生自主学习的积极性。由此，我们选择MATLAB作为教学实践辅助软件，教学中教师运用该软件为学生演示各种信号的运算、变换等，让学生生动形象地理解这些抽象的概念，也可学生自己编程实现复杂的数学运算，通过观察可视化实验结果，解决学习中遇到的难题[2]。

例如，在设计一个通信调制系统时，需用脉冲成型技术来调节数字信号的带宽和减少码间干扰（ISI）。最常用的一种就是升余弦滤波器。其频域响应为：

通过计算得到滤波器系数将会非常烦琐且易出错，此时我们可以利用MATLAB软件来求解，在命令窗口中输入fadtool，在fdatool窗口中设置阶数、滚降系數等指标，即可轻松得到所需数据及相应图形。频谱等相关信息非常直观地展示在学生眼前。如图2所示，通过利用MATLAB软件，学生将告别枯燥乏味的纯计算型学习，使理论与实际应用的联系真正直观地呈现出来，这将大大激发学生的学习热情和自主创新型学习的积极性。

4.完善实践课程。以往的教学活动中，综合设计性实验较少使得学生普遍缺乏创新思维和综合设计能力，动手实践能力差。由此，我们将增加开放性课程设计，目的是通过让学生以团队的形式完成集综合性、创新性、实用性为一体的动手实践任务，综合多学科知识，综合各种算法，经过讨论、共同推导和实验完成所选课题[3]。提高学生的综合设计能力、团队合作能力，最大程度上培养应用创新思维。

5.均衡考核比重。在以往的教学检测中，期末试卷成绩占总成绩的60%—80%，一卷定成败的现象使得学生轻实践重理论。为此，我们主张降低试卷比重，同时对试卷考核内容进行调整，加入开放性题目，以与实际工程相结合的题目替代以往单一理论与公式类的题目；并对优秀实践小组进行加分奖励，增加动手实践成绩在总成绩中的比重。

四、结语

本文积极针对“数字信号处理”教学中的现有问题，对学生培养方法进行修正、对教学模式进行改革探索，目的是从根本上激发学生的创新思维，最大程度上提升学生科技创新素养，使传统的枯燥课堂转变成为新型的创新思维培养基地，为国家培养应用型、创新型技术人才。

参考文献：

[1]钟东，陈春.拔尖创新人才培养中“数字信号处理”教学方法的探索[A].曲阜师范大学学报，2016，1，42（1）.

[2]杨新，徐金玉，汪琳娜.“卓越计划”下《数字信号处理》课程教学改革与创新[J].教育教学论坛，2014，（53）：118-119.

[3]汪春梅，杨敏，倪继锋，等.利用开放性“数字信号处理”课程设计培养学生的创新精神[J].实验室研究与探索，2010，29（11）：122-124.

基金项目：2016年6月北方工业大学教育教学改革和课程建设研究项目（XN093-010）

作者简介：鲁远耀（1977-），男（汉族），湖北英山人，博士，副教授，研究方向：图像处理与模式识别。