数字信号处理在研究生教学中的“分层信息化”教学模式探讨

徐莹 葛亚坤 厉力华

摘要：文章主要分析了本学院研究生《数字信号处理》课程在教学过程中出现的一些问题，面向研究生教育提出“分层信息化”教育改革模式。同时，文章针对信息化和分层化两个层面对该课程改革内容进行重点探讨，对本专业研究生课《数字信号处理》的教与学进行具体研究和讨论，在实践中不断摸索面向交叉学科背景为主的研究生更有效的多渠道教学途径和方法。

关键词：数字信号处理；研究生教育；课程改革

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）31-0137-02

《数字信号处理》是理工科非通信专业研究生学习离散信号处理的专业技术基础课之一，目标是使学生掌握信号处理的基础知识和基本方法，培养学生利用信号与系统概念分析问题、解决问题的基本思路与能力，为学习后继课程打下必要的基础。本课程涉及离散时间信号与系统、傅里叶变换、Z变换、数字滤波器设计等内容，教学内容体量大，抽象概念多，教与学的难度都很大，因此需要对知识点进行合理布局。其基本原则是：（1）避免面面俱到，重点关注基本概念、基本原理、工程背景及实现方法的阐述；（2）强化用数学理念分析问题，淡化数学运算与公式推导；（3）保证教学内容的系统性、先进性与实用性，希望通过对该课程的学习，保持学生学习的动力和新鲜感，使学生夯实所需基础知识，为今后打下必要的基础。[1]

数字信号处理课程在研究生教学实施过程中的难点主要有：（1）重理论，轻实践。限于大纲和课时，本课程过于重视理论课程，上机实践机会不多。众所周知，信号处理课程的一个特点就是实践性强，广泛流传于高校的一句口头禅“信号处理高手都是在板子上泡出来的”，就形象地说明这个问题。实践环节时间过少，使学生不能深入掌握所学书本知识。（2）实践缺乏系统性，导致学生学完本课程后只能做一些支离破碎的练习，不能完成系统性、完整、合适规模的软件设计训练，动手能力较差。目前，通信技术发展很快，社会上的各个通信公司或相关企业急需系统性的信号处理人才，而目前高校的培养理念还停留在多年前的水平上，这样培养出来的研究生不受社会欢迎是必然的事情。[2]

根据对国内外高校的调研结果和相关文献查阅，国内高校在这方面大同小异，这应该是限于大纲和课时的要求；国外情况相对好一些，以加州大学伯克利分校等著名高校为例，比较重视信号处理实践方面的训练。但由于本课程交叉性强，可移植程度不高，需要根据国内情况具体分析。对于工科研究生与大学生来说，实践环节是他们将所学理论知识转换为实际应用的一个重要环节，实验教学是实现该环节的主要形式[3]。针对“数字信号处理”课程，改革理念是“大大增加以面向专业特色和实际工程应用的实践教学环节的比例”。其主要特点是根据专业领域和工程實践增加实践教学环节的比例。每个专业面向的对象不同，以作者所在的生仪学院为例，生物医学工程专业主要面向医院和生物制药等企业，电子信息技术及仪器专业则面向各类需要电子信息处理技术的企业和公司。

它的总的改革目标是“遵循以学生为本，注重以互动式教学为核心的教学观念，构建有利于增强求知欲和创造力的课程教学模式”；并且，积极推进国家研究生培养质量工程改革理念，培养具有专业领域特色、能够基本独立完成初级面向对象信号处理工作的工程师。

面向研究生开展“分层信息化”改革，主要包括如下内容：

1.在绪论阶段，采用讲座形式介绍与数字信号处理相关的国内外前沿知识，如微弱信号检测、锁相信号处理、平稳随机信号的处理方式等，拓展学生视野，激发学习兴趣。

2.在教学初期，采用引导式教学方法。通过典型的DSP应用案例引导学生了解算法原理在实践中的应用，介绍新型芯片中的典型算法，充分利用学科建设优势，让学生时刻了解学科发展最新动向。

3.在教学实施中，采用启发式教学法结合讨论式教学法，增加师生互动，使学生积极主动地投入课堂。由于本课程是48学时，每次3学时，往往到最后一节课，学生的注意力已经分散，学习积极性已经懈怠，这时可以安排一些简短的讨论或者学生感兴趣的前沿专题介绍，以重新活跃气氛，巩固教学效果。

举例来说，根据研究生生源较难统一，且研究生教育“信息化”的特点，对于不同背景的学生进行分层教育。以生物医学工程背景的学生为例：本专业实验本着利用现有实验设备和资源的原则，综合考虑知识的重难点，对研究生的课外作业做出调整，以“综合课程设计”的两三个相互衔接的课题对原有知识背景中的实验内容进行整合，基于学生现有实验技能依次开展基本操作实验、验证性实验、综合设计性实验。以微生物方向的研究生为例，他们熟悉微观生物实验，本科阶段已掌握显微镜的基本操作，完成显微测量、细胞形态观察等实验操作；设计验证性实验则包括活体染色、核酸存在部位及检测方法、细胞膜的渗透压及细胞吞噬作用等内容；在一系列生物实验后，着重加强特定生物信号与相应软件处理的结合工作，开展的课题可以为“生物医学工程软件设计”或“电子信息技术及仪器软件设计”，将本科生阶段获得的一维、二维、三维实验作为数据处理对象。以基本的动物生理学数据为例，将小鸡或蛙心肌细胞经离体培养一段时间后的信号，通过实验获得存储为txt数据格式，通过LabVIEW软件进行数字信号处理。课题中教授的滤波方法，如锁相处理编程及特定滤波处理，实现对微弱信号的分析，使学生掌握相应数字信号处理工具，对数据有更精进的认识。

4.在教学后期阶段，采用研究式教学方法，注重学生综合素质和创新能力的培养。通过布置思考题和课程小论文，如语音信号的去噪和美化处理、图像压缩和重建等的方式，引导学生运用DSP技术分析解决实际问题，践行“学以致用”的理念。

在提高阶段，我们尝试由学生结合所学知识通过虚拟仪器实验平台自行设计传感器实验软件。虚拟仪器技术是仪器智能化发展中尤为重要的一步。课程增加的实验内容要求学生学习使用LabVIEW或VB、VC等开发软件，设计简洁明了的用户交互界面。学生学习使用各种类型的传感器，将各种形式的信号转换为电信号，通过信号放大和滤波等调理电路的预处理，再经过数据采集卡将处理后的信号转换为数字信号输入计算机的虚拟仪器。学生须通过自己设计的用户界面完成被测对象信息的实时采集、显示、存储和处理，输出相应的控制信号。

总之，综合利用多种教学方法，是为了提升教学质量和教学效果，也就是转变教学重心，从关注教转向关注学。在此基础上，我们在课程网站上开展实时或非实时的教学活动，进行课下讨论、答疑和交流，以英文文献为主扩充信息化教改思路，增加对课堂理论知识的理解。[3]讨论时，以学生为主体进行发言，教师负责引导、把握和厘清关键问题。

参考文献：

[1]陈纯锴，关雪梅，徐妮妮，等.现代数字信号处理研究生课程[J].高师理科学刊，2018，（2）：80-83.

[2]代萌，徐灿华，夏军营，等.本科生与研究生数字信号处理课程差异化教学模式分析[J].医疗卫生装备，2018，（5）：87-89.

[3]孙军伟，黄春.建设研究生课程案例库，保障高水平应用型人才培养[J].中国电力教育，2016，（1）：78-81.