数字信号处理课程教学改革模式探讨

洛阳理工学院计算机学院 董汉磊 刘 钧 吕治国

针对目前高等院校“数字信号处理”课程的教学情况和存在问题，根据学情特点研究了“数字信号处理”课程教学过程的结构、教学内容的设置，明确提出了就教学环节、教学方法、实践教学法和考核方式的改革方案；通过一系列的实验证明，这些措施可以激发学生的学习兴趣，提高研究和创新能力，以达到改善教学效果的目的。

1 课程定位和特点

“数字信号处理”是高等学校电气信息技术类专业的重要理论课程。学生学完该课程后，进而可以学习一些更为专业的后续课程，例如视频信号和语音信号处理。讲授该课程时应注意与后续课程的对接，不仅要防止重复过多，而且要保持课程的一致性。由于该课程涉及很多的数学思维方法，而且一些学生对它的基础课程“信号与系统”掌握的不佳，这导致许多学生害怕学习它，进而厌倦学习该课程。在这种情况下，我们对“数字信号处理”课程进行教学研究和改革，以便更好地适应该课程的发展就显得十分必要。

2 数字信号处理课程的教学现状

在传统的数字信号课程中，大多数只讨论优化算法的基本理论和计算，很少涉及完成方法和相关的软硬件技术，这与科学技术领域和行业的规定相去甚远。学生学过课程后，对具体硬件了解极少，无法适应DSP硬件电路开发和应用的工作要求。由于课程内容的高度抽象性，不少学生对相关的概念和理论知识存在畏惧和厌烦心理，获得相关专业知识的方法相对较少，这导致许多学生害怕学习本课程，甚至一直处于厌倦学习的状态。当学生学习数字信号课程时，他们会认为课本中的许多定义都是抽象的，很难理解其中的基本理论，对一些题目的分析方法更是难于掌握。

因此，全世界的学术界都在寻找改革和创新的方法。目前，主要是沿着两条途径。一种是使用MATLAB等软件工具对数据信号处理的优化算法进行仿真。另一种是介绍电子行业中常用的DSP组件，并具体指导学生完成数据信号处理的优化算法，尤其是实时（Real Time）完成。在对世界名校的社会发展要求和教育改革方法进行调查分析的基础上，对数字信号处理课程进行了重大的改革和创新。

3 课程知识体系化

数据信号处理过程中有很多知识点，而数学过程中的计算非常复杂。根据对这门课程的深入分析，比较知识要点，找到一条围绕课程的路线，在课程教学中只需要掌握这条路线，复杂的数学计算就可以变得更加清晰和容易记住。课程内容分为两个控制模块：转换域的知识结构和数字滤波器的知识结构。

变换域的知识结构是课程的第一个控制模块结构。首先介绍频域离散可变信号和系统，然后根据频域采样定理对脉冲信号进行采样，对离散可变时间数据信号（编码序列）的内容进行讨论。其次讲述DTFT、DFS、ZT（IZT）、DFT变换的定义、性质和定理。数字滤波器的知识结构是课程的第二个主要控制模块结构。关键是讨论数字滤波器网络的架构和设计方法。数字滤波器的网络结构分为：IIR网络结构和FIR网络结构。从整体上看这门课程，就会发现内容没有想象中的那样繁琐，抓住了课程的主线，由主线再到枝叶知识点，学习就变得容易多了。

4 教学方法改革

传统的教学方式是一种枯燥的灌输式课堂教学，长期以来一直无法适应当今课堂教学的发展趋势。多媒体设备、实训室等多种综合教学方法，不断提高了学生的积极性，增强合作学习能力，使课堂教学更加生动有趣。教学情境引入的环节要求教师教学的基本理论内容由浅到深，然后逐步正确指导，一步一步引导学生深入到知识的核心内容。一般的基本原理需要和实际案例紧密结合，抽象的基本原理专业知识，通过可视化的方式呈现，使学生更容易接受。为了使学生从被动学习转变为独立思考，必须对基础理论定义进行仔细的划分。探究式学习是以“培养学生发现，提出和解决困难的能力”为课程目标；使用各种主题或项目设计，设计培训方案等；在分析问题的基础上，解决难题的过程中，训练学生学习科学的研究方法，从多方面获得丰富多样的专业知识，加强对基础知识的理解和掌握。

5 评价体系改革

在当前阶段，社会发展的趋势提倡鼓励式的互动课堂教学，因为不同的评价可能会对学生日后的学习和实习培训等造成影响。因此，设计一套科学的评价体系在课堂教学改革中显得非常重要。传统的教学评估管理系统以期末考试成绩为最终结果。现在，课堂教学的内容已经包括课堂教学，实践教学，课程设计和生产实习等。所以评价体系也要做相应的调整。科学的评价体系应包括正常课堂表现，完成作业情况，期末考试成绩，实验表现，课程设计效果等。优秀的课堂表现一方面是上课率，另一方面是听课质量，包括课堂教学中提出问题的回答情况和课堂教学讨论的情况。根据家庭作业的布置安排，检查专业知识的学习状况，并注意作业中是否存在抄袭。老师可以将学生分为若干个工作小组，不同的小组具有不同的问题类型。

例如在课堂教学中，需要学生完成一项较为繁琐的工作，可以按照每组8人进行分组。要求学生编写信号处理优化算法程序、要求每个小组根据期刊论文的格式提交报告，以及进行论文宣讲和答辩，并回答其他同学们的问题。这样可以让学生们更积极主动的进行学习，培养学生们的相互合作精神以及表述能力。

6 线上教学资源建设

计算机网络的发展和应用趋势已经显示出其强大的优势，因此充分利用网络发展现代远程教育是基础教育改革与发展的大趋势。仅靠课堂教学是无法解决所有问题的，因此课堂教学之外应该有相应的学习和培训资源。这样，教学和在线教育资源就相互补充在一起。在现阶段，高校已经广泛建立了校园宽带，因此可以创建一个具有交互通信和静态数据教学资源的教学网络平台。在这个平台上，每个学生都可以下载或学习在线教学课件等教学内容，并且可以在家、在宿舍里随时随地上课。学生也可以发布讨论帖，提出学习疑问和难以解决的问题。根据服务平台上的讨论帖，老师可以掌握学生学习和培训的难点，进行有目的的讲解，并随时掌握每个学生的学习状况。

利用当代网络技术，学生可以浏览国外著名大学的相关数字信号课程的网站。通过对比研究和培训，发现差距并立即迎头赶上，使学生能够了解世界其它国家课堂教学的不同之处。此外，学习和培训海外课程的考核机制，鼓励学生掌握数字信号处理发展趋势的新影响，并撰写有关数字信号处理技术的最新论文。进一步培养学生的创造力和综合运用能力并使它达到一个新的高度。

7 加强实践教学

实践教学的成功进行可以促进课堂理论教学和专业知识的学习。因此，当需要增加课时来提高教学效果时，应首先增加实践教学课时。实践教学课时选择的原则是：尽量减少演示和认证类型的内容，增加设计和分析类型的内容，或者增加某些经常要使用到的基础实验，例如系统响应及系统稳定性；时域采样与频域采样；用FFT对信号作频谱分析；IIR数字滤波器设计及软件实现；FIR数字滤波器设计与软件实现等试验。在实验课堂中，同学们可以互相讨论共同参与齐力完成一些有难度的设计类实验，经过一段时间的训练，同学们的动手能力将会有所提高，为今后的生产实习、毕业设计等打下良好的基础。

8 课程改革辅助措施

建立一流的师资队伍是课程改革和创新的必要条件。讲课老师应该热爱课堂教学，具有课堂教学的热情和更好的语言表达能力，热爱学生并与学生进行更好的沟通。为了更好地实现这一目标，在教学过程中，我们积极研究和讨论改进教学方法，以及互相学习和总结归纳；多和学生互动交流，掌握他们对教学改革的意见与建议；课程结束后，对他们进行问卷调查，分析问卷调查的统计结果，并及时将结果反馈给授课教师，以便教师对该课程进行总结，从而确保课堂教学水平和教学质量持续提高。学校和院系对课程改革给予必要的支持，对教师付出的劳动给予合适的鼓励，都对课程改革的顺利进行起到了积极的推动作用。

结束语：在“数字信号处理”课堂教学中，课程的教学内容应进行创新改革，重点应为基于最新可编程DSP芯片的硬件结构、软件结构和开发环境。并进行实验方法的自主创新，所有示例和实验都应更改为应用于MATLAB软件平台和DSP硬件平台来完成。设置相关实验内容和实习内容，创建具有辅助设施的课堂教学实验服务平台，使学生不仅可以在PC上模拟每个实验，它还可以应用DSP硬件系统来完成在数字信号处理过程中学习的关键优化算法，例如FFT，FIR滤波器，IIR滤波器等。只有进行上述改革，“数字信号处理”课程才能承担起它在电气信息技术类专业教学中承上启下的作用。