“数字信号处理”课程建设的探索与实践

韩建峰?宋丽丽

摘要：介绍了过去五年内蒙古工业大学精品课程“数字信号处理”在课程建设中有意义的举措和收获。课程体系设计突出该课程承前启后的特点，教学内容改革注重实用性，选用英文教材开展双语教学，完善教辅资源，课程教学中以数字信号处理系统为主线，从而提升课程乃至信号课程群的整体教学效果。

关键词：数字信号处理；课程建设；双语教学

作者简介：韩建峰（1978-），男，内蒙古呼和浩特人，内蒙古工业大学信息工程学院，讲师；宋丽丽（1980-），女，内蒙古赤峰人，内蒙古工业大学信息工程学院，讲师。（内蒙古 呼和浩特 010080）

基金项目：本文系内蒙古工业大学高等教育教学改革项目（项目编号：2011009）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）05-0088-02

内蒙古工业大学（以下简称“本校”）的“数字信号处理”是为电子信息工程和通信工程专业本科生开设的学科基础课。对这两个专业而言，“数字信号处理”是承前启后的重要课程。近年来随着信息技术的飞速发展，数字信号处理的应用日益广泛，对该课程教学的要求也不断提高。课程组不断吸取国内外高校的先进经验，结合本校的实际情况在课程体系与教学内容改革、完善教学资源、双语教学等方面进行了探索和实践，取得了明显的效果。

一、课程体系与教学内容改革

本校为本科生开设的“数字信号处理”课程，传统上偏重于经典算法理论及其推导，较少涉及实现方法。课程教学内容主要是数字系统对数字信号进行分析、处理的基本原理和基本方法，包含了大量时域、变换域的经典数学分析方法和对系统求解的数学运算，理论性很强。按照传统的课程内容设计，学生易于“纸上谈兵”，即只会用纸笔解题而不会应用所学理论解决实际问题，学生的素质和能力与信息产业的发展需求和工程实际相距甚远。目前本校针对此问题采取了两条改革途径，[1]一是使用MATLAB等软件，为数字信号处理算法实现提供仿真环境；二是引入工程界广泛采用的DSP（数字信号处理器）器件，指导学生在硬件平台上实现数字信号处理算法。

课程组将MATLAB软件仿真引入“数字信号处理”课程，把经典的分析、处理方法用计算机实现，理论联系实际，使学生掌握初步的实际信号的分析与处理方法，具备基本的基于计算机的数字信号处理应用能力。基于DSP器件的数字信号处理硬件实现方法，学生则在后续开设的课程“DSP技术”中学习。

“数字信号处理”与其先修课“信号与系统”作为电子、通信专业在信号系统与控制知识领域的核心课程，其核心知识点存在部分重叠的现象，如离散时间信号与系统的分析、Z变换等。[2]在这两门课程的分离教学中，极易出现重叠教学内容占用较多学时的问题。课程组通过不断地探索和教学实践，对两课的教学内容和课程体系进行优化和改革，在“信号与系统”中重点分析信号与线性时不变系统的基本概念和理论，而在“数字信号处理”中则突出离散时间信号的处理方法和系统结构，从而在保持各自教学的完整性基础上，更好地衔接了两门课程，提升了整体教学效果。

“数字信号处理”是一门理论性和实践性都很强的课程，课程目标强调培养学生的应用能力。课程组开发了多个MATLAB实验，内容由浅入深涵盖了课程内容中涉及的基本原理和常用算法，包括实用性较强的验证型实验和综合性强、较有趣味性的设计型实验，采用学生课下自主完成、课堂集中讲解的方法，以作业形式布置给学生。在课程考核中也包含了应用MATLAB的实验内容，约占总成绩的20%。另外，课程组还设计了一些难度较高的选做实验，供有兴趣且学有余力的学生在课下以小组的形式学习、钻研和交流，任课教师定期予以辅导。这种课内实践教学平台的实践教学设计提高了学生的学习兴趣，有利于对学生实践能力和专业素质的培养。

二、教学资源

1.教材选用

教材作为教学内容的载体在保证教学效果方面至关重要。选用优秀的英文版教材，既可保证教学内容的科学性，又有利于开展双语教学。确定选择英文教材的原则：[3]难度适中，覆盖教学大纲要求的基本内容，符合本校学生实际；内容新颖，能够体现本学科的最新发展；有丰富的教辅材料；有中文译本，且价格适中。

课程组最终选定科学出版社出版的《Signal Processing First》作为课程教材。该教材为“国外高校电子信息类优秀教材”，[4]重视实验，采用了很多新的可视性的论证方法，如演示程序和动画制作、实验室测试工具等，能够很好地帮助学生消化数学公式、理解较为抽象的概念、原理。另外该教材有中文译本，由电子工业出版社出版，教师将中文译本连同国内经典教材一起以参考文献形式提供给学生，学生根据自己的学习状况自主购买。

2.教辅资源完善

课程组制作并不断完善的多媒体课件，包含大量的图片、音频和视频演示，能够生动、形象地将重要的概念、原理表述清楚。同时课程组编写并多次修订了与课程教学同步的学习和实验指导书，内容包括各章重点、难点及典型例题解析、自测练习题、MATLAB实验指导、专业术语英汉对照、课程学习中常见问题的解答及如何撰写电子版作业等内容，辅助学生课下自主学习，解答学生在教学过程中遇到的疑问。

本校开设了精品课程网站及教师个人课程教学网站，为学生提供大量课程学习资源，并随着课程进度同步更新，包括教学大纲、教学日历、教案等教学文件以及课件、作业参考答案、MATLAB学习资料、视频演示、常用软件工具等，形成了较完备的网络教学资源平台。学生可以非常方便地通过网络了解授课进度和安排，及时复习和预习；学生作业以电子版形式提交至课程教学网站，教师在学生作业提交后上传作业参考答案，方便学生查找作业中的问题，教师在课堂上就问题较多的难点予以讲解。实践证明，这种网络教学资源对教学起到积极的作用。

三、教学内容组织与教学方法

“数字信号处理”课程的知识点较多，学生极易陷入到多个概念的机械记忆中，对于整个课程的知识结构很难形成较为清晰的认识。因此教师在组织教学内容时以数字信号处理系统的组成为主线，注重前后知识点的联系，在课堂教学中时常将各组成部分与系统对照，明确相关理论和方法的目的及用途，从而突出重点、难点。例如，教师在讲解相对抽象的“重构”概念时，首先明确完成“重构”的部件DAC（数模转换）在数字信号处理系统中所处的位置以及前端和后端的组件，启发学生思考“重构”的目的和作用，同时与“采样”对比，引导学生分析、理解“重构”的方法，这有利于学生保持较为清晰的思路，掌握相关的知识点。

教师应根据不同的教学内容，选择适当的教学方法。对于一般概念和原理，以讲授法为主，采用形象化的方法，[5]强调数学公式代表的物理意义，淡化数学计算，辅助以实例或演示，注重其在MATLAB仿真中的应用，以作图、音频输出等形式具体展示处理效果；就较为抽象、不易理解的问题采用讨论法，提出问题引发学生思考、参与讨论，并加以总结；利用探究式教学法，提出综合性问题（设计型MATLAB实验），促使学生发挥主观能动性，不断总结各部分教学内容的联系，逐步建立起系统的知识结构，培养学生综合运用知识的能力和创新精神。教师在课堂教学中注重与学生的互动，同时利用网络课程论坛解答问题，随时了解学生的学习状况。另外本校还专门设立了学生反馈环节，让学生填写《学生反馈意见》，及时了解学生对课程教学的看法和遇到的问题。

四、双语教学

利用英文原版教材开展双语教学是教育部提倡的一种教学模式，其重要意义在于吸收国外先进教材中的先进成分，全面提高教学质量。[6]“数字信号处理”是本校于2006年首批认定的双语教学课程。课程组广泛学习、吸取国内先进高校开展双语教学的宝贵经验，立足实际，在教学实践中不断探索、完善适合本校学生的双语教学模式。充分利用英文版教材配套的大量教辅资源，并通过建立与原著作者的联系，获得英文原版多媒体课件，同时收集了大量国内外高校的共享教学资源。在此基础上编制了双语课程教学课件及双语课程学习指导书，并经过五年来的教学实践逐步完善，这些课件及指导书在课堂教学、学生课下自主学习、上机练习和双语课程的学习方法指导等方面发挥了重要作用。

本校地处少数民族自治地区，历届学生中均有约10%的少数民族学生。由于进入大学前的英语学习经历较少，这部分学生的英语基础相对薄弱，因此相对其他高校，本校开展双语教学的难度更大。因此教师除了充分调动学生的学习积极性外，还应加大力度对学生进行双语学习重要性的普及和学习方法上的指导。课程组编制的课程学习指导书中，特别针对双语教学增加了专业术语英汉对照、双语课程学习中易出现的问题以及往届学生学习双语课程的心得和成功的案例等，力争从学生对双语课程的认识上、心理上、学习方法和学习方式等方面为顺利开展双语教学扫清障碍。对于学习英文原版教材确实有困难的少数民族学生，建议他们主要使用中文译本并鼓励其尝试用英文原版教材。在课堂教学中遵循循序渐进的原则，课程教学初期，教师要留出时间带领学生分析重点段落，并通过讲解例题、练习题和作业题的过程帮助学生尽快熟悉英文原版教材中的叙述风格、常用句法和及命题方式。随着课程进度地推进，学生逐渐熟悉教材，教师应逐步减少对教材语言方面的引导，并增加英文讲述的比例。

另外，为了提升整体的课程教学效果，本校在与“数字信号处理”同学期开设的“专业外语”课中，为学生增加了适当的有关数字信号处理的专业文献。通过“专业外语”地同步学习，学生掌握了大量“数字信号处理”的基本专业术语和词汇，可以减轻“数字信号处理”双语课程初期语言方面的教学压力，便于顺利开展双语教学。

双语教学开展五年以来，从未出现因语言问题而放弃学习的学生。相反，在学生的反馈意见中，绝大多数学生都喜欢或能够接受双语教学。实践证明，“数字信号处理”双语教学不但对学习本门课程的教学起到了推动作用，同时对提高学生读、写专业文献的能力以及提升专业综合素质有着积极的意义。

五、结束语

由于学时问题，现有教学计划中未分配课内实验学时，随着实践能力和创新精神培养的要求日益提高，现有实践教学模式稍显薄弱。在本校2011年结合学分制改革的培养计划修订中，这一问题已经得到了根本性解决。在课程组多年教学实践论证的前提下，新的教学计划中为“数字信号处理”增开了8学时实验，这为进一步提高“数字信号处理”课程的教学效果提供了有利的条件。

课程组立足实际，在“数字信号处理”课程建设的过程中勇于探索，勤奋实践，特别是在青年教师培养方面成绩突出。课程组青年教师于2007年在内蒙古自治区教育厅和总工会举办的“全区高校青年教师课堂教学技能大赛”中获得第一名，并在2012年由中国教科文卫体工会全国委员会主办的“首届全国高校青年教师教学竞赛”中获工科组二等奖。

参考文献：

[1]蔡竟业，杨錬，朱学勇，等.国家精品课程《数字信号处理》的建设与实践[J].电子科技大学学报（社科版），2005，（S1）.

[2]教育部高等学校电子信息科学与工程类专业教学指导分委员会.高等学校电子信息科学与工程类本科指导性专业规范（试行）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]彭启琮.国家精品课程“数字信号处理”双语教学实践[J].中国大学教育，2005，（4）.

[4]McClellan James H，Schafer Ronald W，Yoder Mark A.Signal Processing First（英文影印版）[M].北京：科学出版社，2003.

[5]王艳芬，王刚，张晓光，等.“数字信号处理”精品课程建设探索[J].电气电子教学学报，2011，33（2）：22-24.

[6]宋耀良，徐天成，谷亚林.《数字信号处理》课程双语教学的研究与实践[J].高教探索，2007，（S1）.

（责任编辑：宋秀丽）