面向飞控信专业的《数字信号处理》课堂教学改革与实践

张超 田薇 王海涛 周勇

摘  要：飞行器控制与信息工程（简称：飞控信）是教育部新增设的本科专业，具有典型的新工科特点。为适应新专业人才培养的新要求，对《数字信号处理》课堂教学的教学内容、教学方法和教学模式进行了改革，阐述了三注重、三变为和三实施的具体措施，给出了典型示例。实践表明该改革思路为飞控信专业课开展课堂教学革命提供了有益探索。

关键词：飞行器信息与控制工程;新工科;数字信号处理;课堂教学革命

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）12-0126-03

Abstract： Flight Control and Telecommunications （FCT） is a new undergraduate specialty added by the Ministry of Education and has typical characteristics of emerging engineering. In order to meet the new requirements of new specialty， the teaching content， teaching method and teaching mode of classroom teaching of Digital Signal Processing （DSP） have been reformed. The concrete measures of "Three Focuses， Three Changes" and "Three Implementation" have been elaborated， and typical examples have also been given. The practice shows that this reform idea provides a useful exploration for the classroom teaching revolution of FCT courses.

Keywords： flight control and telecommunications; emerging engineering; digital signal processing; classroom teaching revolution

一、概述

现代飞行器功能、性能以及安全性、经济性、可靠性的提高，迫使飞行器越来越朝着信息化、综合化和智能化方向发展。《数字信号处理》[1]曾是西北工业大学航空学院电子信息工程专业的专业基础课，而现在是飞行器控制与信息工程新专业的重要专业课程。由于听课学生的专业类型和新工科人才培养要求发生了重要变化[2]，该课程也必须进行调整和变化。基于这一现实需求，本文对《数字信号处理》课堂教学的教学内容、教学方法和教学模式进行了探索和尝试，具体阐述了三注重、三变为和三实施的改革思路和实践示例。

二、通过“三注重”更新教学内容

（一）注重各种变换之间的物理内涵关联归纳

一般来说，《数字信号处理》先修课程有《信号与系统》和《复变函数和积分变换》，教学内容中就涉及到了大量的數学变换，具体包括：连续非周期信号的傅里叶变换（简称CTFT）、连续周期信号的傅里叶级数（简称CTFS）、离散非周期信号的傅里叶变换（简称DTFT）、离散周期信号的傅里叶级数（简称DTFS）、有限长离散信号的离散傅里叶变换（简称DFT）及其快速傅里叶变换（简称FFT）这6种频域变换，以及连续信号的拉普拉斯变换（简称ST）和离散信号的Z变换（简称ZT）这2种复频域变换。数学公式多，学生普遍反映学习难度大。本课程适当淡化了这些变换的数学推导，注重了各种变换之间的前后联系及其物理内涵，如图1所示。

（二）注重先进飞行器信号处理实际应用案例

积极将科研工作中涉及到的信号处理内容融入到课程内容中，结合飞行器控制和信息工程新本科专业的新培养要求，加强飞行器状态信息产生、获取、传输和处理的教学内容。例如，以军民融合战略为聚焦点，积极将航空弱磁信号测量技术和无人机空地通信方面的科研成果引入教学内容，增强学生的信号处理理解能力。通过实际案例扩展了学生视野，也增添了学习兴趣。

（三）注重MATLAB数字信号处理编程内容

Matlab应该可以说是目前学习数字信号处理各种理论算法的最好编程平台了，本课程积极将Matlab数字信号处理编程引入课程教学，专门用4次课时间集中讲解和演练各类信号处理和滤波器设计编程。

三、通过“三变为”改进教学方法

（一）变“重复式全讲”为“类比式略讲”

信号变换在数字信号处理课程中占了很大篇幅，数学公式多，推导证明多，习题难度大。若按照“公式定义→基本性质→特点分析→具体应用”这条常规的重复式全讲思路去讲授每一个变换，授课效果肯定不会好，一是因学时所限每种变换无法彻底讲透，二是学生上课听讲时更会被各种数学公式难住而迷失。为此，授课时积极开展类比式略讲，对同一类知识点进行归纳和类比，首先精讲一个知识点，然后重点分析他们的区别和联系，最后再推广到另一个知识点。例如，DTFT对称性和DFT对称性是本课程的两个主要知识点，授课时首先重点讲透DTFT对称性，然后再通过分析DTFT和DFT关系和区别，进而就能快速地讲透DFT对称性，如图2所示，这样学生理解的会更快、掌握的也会更牢固。

（二）变“平铺式讲授”为“问题式启发”

由于信号类型不同，所采用的信号变换方法也会不同，因此各种变换的适用对象和物理含义也不同[3]。若一上来就平铺直叙地讲授这些变换的公式就过于僵化了，因此本课程讲授时总是花大量精力去通过问题启发分析出“为什么”和“如何能”这两个方面。例如，在具体讲授FFT时先用1个课时通过各种小问题一步一步启发学生去思考为什么在学习了DFT后还要学习FFT、如何能大幅度减少DFT计算量实现FFT等等，如图3所示启发分析透后，带着思路再去讲授也就能水到渠成。

（三）变“呈现式演示”为“启发式演练”

Matlab数字信号处理编程知识讲解不再是简简单单地介绍各种函数及其参数、直接给出Matlab代码和运行结果，尽量减少这种呈现式演示。而是改为在介绍完各种函数及其参数后，再结合具体编程要求详细和学生一起探讨编程思路，锻炼学生的编程思维，然后给出程序的总体框架，让学生尝试写出关键代码行，最后通过仿真来优化代码。通过这种启发式演练，能迅速抓住编程的关键。

四、通過“三实施”改革教学模式

（一）实施“重构传统”板书

多媒体和各类信息技术的广泛运用有效提升课堂授课效率和授课节奏，但CTFT、CTFS、DTFT、DTFS、DFT、FFT、ST、ZT这类变换若单纯通过PPT等形式展现出来，学生接受和理解起来还是很吃力。因此，这门课知识点讲授时采用的是“黑板板书+PPT展示”相结合的方式，对关键的、必不可少的数学推导回归传统，用粉笔在黑板上进行推导，推导过程中既体现了思路又能引导学生思考。

（二）实施“虚实结合”实验

负责完成飞行器信号处理仿真综合实验平台、cTekSmartLabTM*测试系统及SR-500电磁屏蔽室的设备建设，有效改善了课程的实验教学条件。通过实施数字信号硬件实验+Matlab数字信号编程实验+飞行器机电作动筒磁净化信号处理虚实结合实验三种形式，锻炼学生的实际动手能力和工程问题解决能力。

（三）实施“混合课堂”教学

积极将雨课堂教学工具和在线课程等引入课堂教学过程中，提升授课效果。本课程重点将国家级在线课程《数字信号处理》纳入教学体系中，通过课前下发预习纲要、课中重点讲授和关键问题研讨、课后辅导，实现了雨课堂+在线课程+实际课堂的“混合课堂”授课形式，在授课过程中通过设置一些小问题进行研讨，开展头脑风暴进行探究式教学。

五、结束语

本文从提升课堂教学质量角度出发，探讨了飞行器控制与信息工程新专业《数字信号处理》课程教学的改革思路。通过“三注重”更新教学内容、“三变为”改进教学方法和“三实施”改革教学模式，实现了该课程课堂教学的具体授课方式，体现了新工科人才培养的目标，对开展课堂革命起到了积极的探索作用。

参考文献：

[1]高西全.数字信号处理（第四版）[M].西安电子科技大学出版社，2018.

[2]张大良.因时而动，返本开新，建设发展新工科-在工科优势高校新工科建设研讨会上的讲话[J].中国大学教学，2017（4）：4-9.

[3]李敏通，赵继政，迟茜，等.问题教学法在“数字信号处理”课程教学中的应用[J].高教学刊，2015（21）：70-71.