数字信号处理课程实验教学改革

刘倩 柳兆军

摘要：针对“数字信号处理”传统实验教学中存在的问题，提出采用“基础-提高-综合”层次性的实验内容，强化对理论知识的理解掌握;其次，增加创新实验内容，提高主动思考能力。实践结果证明，实验改革提高学生创新思维能力，取得了较好的教学效果，提高了教学质量。

关键词：数字信号处理;实验教学;层次;创新实验;改革

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）20-0146-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： In view of the problems existing in the traditional experiment teaching of digital signal processing， this paper proposes to adopt the hierarchical experiment of "foundation-improvement-synthesis" to strengthen the understanding and mastery of theoretical knowledge; secondly， the paper increases innovative experiment content to improve the ability of active thinking. Results show that the experiment reform improves the innovative thinking ability， achieves better teaching effect and improves teaching quality.

Key words： digital signal processing; experiment teaching;hierarchical; innovative experiment;  reform

数字信号处理作为电子和通信类专业的基础课程，具有知识抽象难理解，公式繁多，推导复杂等特点，尤其需要具备一定的数学基础，导致部分学生丧失学习兴趣。数字信号处理的实验课程能够将复杂的公式推导过程形象直观地展现出来，辅助学生更好的理解理论知识，调动学生的积极性，因此，实验课堂非常重要。我校通信专业学生在大三上学期开设“数字信号处理”课程，实验内容与课程知识紧密联系，但是，学生仅是照搬实验代码，仍然无法很好地理解课程知识，更无法将课程知识与实际应用联系起来，无法达到本科学生“应具有从事科学研究和解决工程实际问题所要求的初步的实验工作能力”的培養目标要求。为了更好地实现学生的实验培养目标，对“数字信号处理”的实验内容进行分层次设计，对实验课程进行改革和创新。

1 “数字信号处理”实验课程现状分析

1.1 实验课程现状

山东理工大学“数字信号处理”实验共8学时，共4次，课本选取西安电子科技大学高西全编著的《数字信号处理》，课本内容知识基础，条理清晰，每章的基本原理都有MATLAB释疑与实现。在此基础上，本校实验一直以来沿用传统的实验授课内容，主要是验证性实验，包括“卷积运算”、“DFT和FFT”以及“滤波器的设计”等MATLAB仿真实现。实验主要目的是帮助学生更好地理解数字信号处理的基本概念、基本原理和基本设计方法。但在后续的课程如“数字图像处理”中发现，学生并未更好地理解信号处理的基本概念，在实际操作中不能熟练应用。

1.2 实验课程存在的问题

1）实验内容单一。实验内容是根据课程的重点难点部分来确定的，实验内容都为验证性实现，采用MATLAB软件仿真，而实验代码网上比比皆是，导致很多学生照搬代码，根本不去理解实现的过程与课程知识的对应，丧失了实验课堂的意义。

2）实验课堂枯燥。实验课堂一般是由教师先介绍实验内容的原理，而后学生完成实现。实验内容全部是课程知识，实现方式也是简单的复制性的仿真实现，并未有任何创新性的实验内容，导致学生的积极性不高。

3）综合性创新性实验缺乏。对于工科学生而言，应该具备一定的动手思考能力和解决实际问题的能力，而实验内容并未体现出来，无法达到学以致用的目标。

2 实验课程改革内容

1）丰富实验内容。原先简单的以验证算法、观察结果为主的实验，远远不能满足学生的培养目标。根据课程内容要求，根据“数字信号处理”课程中的基础、重点和难点，实验课程系统地规划为三个分层次的实验内容（系统），将实验内容配合课堂讲授，调动学生的积极性和主观能动性。具体实验教学内容如图1所示。

第一个层次是基础模块，是基础概念、基本算法的验证性实验，包括“时域离散信号的基本运算”、“卷积运算”和“零极点分析”等，主要目的是通过MATLAB的结果形象直观的理解时域离散信号的基本概念;从卷积运算的动态演示中，深入理解线性卷积的整个过程，获得对“数字信号处理”这门课程的最初级的知识印象。

第二个层次是提高模块，是对于基本设计原理的验证性实验，包括“DFT和FFT”和“滤波器的设计”等，主要过程需要学生根据第一个层次的实验自己产生比较复杂的信号，然后通过FFT的运算，理解频谱变换的概念，及其通过滤波器的设计掌握滤波器的设计过程及其滤波效果的理论分析，从而能具备在具体实践问题中，通过频谱分析来选择合适的滤波器进行处理的能力。

第三个层次是综合项目模块，是对整门课程的知识检验的综合性实验，包括“语音信号处理”、“生物医学信号处理”和“图像处理”等等。综合性实验一方面需要学生除具备该门课程的基础理论、基本原理等知识外，还需要了解与其相关的如语音、图像、心电、心音信号的知识等;另一方面有些实验的综合复杂性，还需要多人合作完成，有利于学生团队意识的培养。

2）增加选择性创新实验内容。从整体优化的角度出发，将“孤立的实验”转化为“设计性的实验项目”，不断充实实验内容，将实验教学内容与科研项目、社会应用实践密切联系起来，努力提高课程的综合化、系统化程度。创新性实验既需要综合其他课程的所学知识，还需要动手思考设计出相关系统或者平台。鉴于学生在大一已学习过“程序设计基础”，具备基本的编程能力，创新性内容包括：设计教学平台、设计系统的实现平台等，学生可以根据自己的兴趣爱好选择适合自己的课题，单独或团队合作完成。创新性实验以设计性为主，以解决实际问题为目的，在设计中学生会经历出现问题，思考问题及通过查阅资料或者教师指导来解决问题的过程。在这个过程中，学生得到创新能力和科学研究素质培养，是接受创新思维启迪的一种好的方式，符合因材施教的原则，也为拓展应用型人才培养提供了一种思路。

3）营造开放式实验环境。针对传统实验学时少的问题，将实验拓展到实验课程外，为学生创造自主学习、自主提高的实验氛围。学生将本课程知识与其他课程的知识相结合，选择提出申请的实验课题名称，通过答辩形式，获得进入实验室自主学习的名额。在这个过程中，学生通过综合各门专业课程知识来提出问题，分析问题，解决问题，强化学生的创造能力和独立思考能力，促进实验教学观念和教学方式的转变。

自实施实验改革以来，从课程教学效果来看，学生的积极性，主动性有了很大水平的提高;從实验考核来看，考核成绩有了较大的提升;而据学生的反馈情况，学生愿意自己动手，自己思考与课程理论相关的问题，甚至积极主动解决与实际相关的问题。这为培养和提高学生科学创新素养奠定基础。

3 结语

数字信号处理课程概念抽象，难于理解，而实验是辅助课程学习的重要手段。通过改革实验内容，划分实验内容层次，将实验分解为基础、提高和综合三个模板，既能满足不同水平学生的知识需求，也能提高学生的创新能力和团队意识。根据近三年课程的教学反馈，学生对数字信号处理理论知识的理解更加清晰，并且在动手能力，自主学习与主动思考能力方面也有了较大提高。

后面的工作还需要设计更多的综合性课题，满足更多的需求。对于创新实验方面，问题设计，题目选择，完成目标等方面还需进一步细化。

参考文献：

[1] 徐让书，黄福幸.专业实验教学体系的综合性创新性实验改革方案[J].中国大学教学，2002（9）：30-31.

[2] 钟丽辉，戴正权，李莎. 基于MATLAB的工程实践性“数字信号处理”实验改革初探[J].工业和信息化教育，2016（12）：45-49，71.

[3] 葛青，葛良全，吴建平.“ 数字信号处理” 实践教学改革[J].实验科学与技术，2013， 11（5）：71-73.

[4] 杨智明，彭喜元，俞洋.数字信号处理课程实践型教学方法研究[J].实验室研究与探索，2014，33（9）：180-183.

【通联编辑：王力】