“数字信号处理”课程学习兴趣的培养

刘永红，王 娜

(燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛 066004)

“数字信号处理”是信息工程、测试计量技术及仪器等专业的一门重要的专业基础课，在高校理工科培养计划中占有重要的地位。

“数字信号处理”课程作为数学方法在工程实践中的具体应用，需要“信号与系统”、“复变函数”和“积分变换”等多门先修课程的学习，其内容抽象且理论性强。很多学生在接触这类课程时往往面对大量繁杂的公式会望而怯步，进而会失去学习的动力［1，2］。如何使学生熟练掌握信号处理基本方法的同时教学质量得到提升，是“数字信号处理”课程教学一直面临的课题。目前关于“数字信号处理”的教学研究大多强调科学的课程设置，先进的教辅手段在提高教学质量方面的作用，但没有重视调动学生学习兴趣是提高课程教学质量的根本所在［3-5］。

1 教学中调动学生兴趣的实施

1.1 以知识的应用激发学习兴趣

针对“数字信号处理”课程面向工程实践应用的特点，只有在教学过程中增强学生的参与意识才能调动学生的学习兴趣，而师生地位平等是激发学生潜能的基本前提。我们必须强调学生在教学活动中的主体地位，改变以教师为中心，以课堂课本为中心的教学模式。在教学中不断地以通信、语音和图像处理等领域的应用实例提高学生对信号处理技术的兴趣与学习积极性。教师还可充分发挥平时课程测试的作用，结合“数字信号处理”课程特点，为学生精心选择诸如滤波器设计和语音信号频谱分析等实用而生动的题目。学生通过网络调研和代码调试等步骤以技术报告的形式自主完成，改变消极被动的习惯。教学实践表明，当学生对信号处理技术的研究扩展到有限的学时(约40学时)外进行主动学习时，说明学生对课程产生了较大的兴趣。

1.2 Matlab程序互动激发学习兴趣

我们借助Matlab软件高效编程和强大的图形显示等特点，引导学生把更多的精力投入到信号处理的实现上。例如，通过信号变换的实时处理增强对抽象概念的理解、提高了学习的兴趣与效率。学生亲自动手编程产生的学习成就感会使其学习情绪进一步提高。同时，程序运行得出的一些启发性的结论又会激发学生去研究探索更深层次的理论原因。因此，针对每一个具体的知识点提供相应的程序实现供学生实践与思考是激发学生学习兴趣的有效有段。

再如，我们用窗函数截短数据进行DFT频谱分析是信号处理技术中的常见问题，窗函数的主要频域指标包括主瓣宽度和旁瓣最大峰值等，不同长度的矩形窗口函数主瓣旁瓣衰减关系如图1所示。显然，这些图形化的结果更容易给人以深刻的印象，物理概念更加直观，学生对窗口长度N决定主瓣宽度却不会对旁瓣峰值产生影响的概念理解一目了然。

图1 矩形窗函数的频谱特性

要理解窗口参数对频率分辨率的影响，必须提供给学生具体的案例去实践。例如离散傅立叶变换DFT分析复合信号:

其中，N为信号的截取长度，数字角频率ω1=0.1，ω2=0.15。理论证明，当采用矩形窗口对信号进行截断且频率差大于主瓣宽度:|ω1－ω2|≥4π/N时，频谱分析可以分辨出两个谱峰。如图2所示。取N=256并通过程序验证该理论，学生对DFT、窗函数和频率分辨率等物理概念会有更加深刻理解。

为了验证频谱泄漏问题，设

这两个频率分量的幅值相差达46dB。由于矩形窗有限的旁瓣衰减(-13dB)，使用其截断数据并做DFT频谱分析时必然会出现频谱泄漏，而采用Blackman窗函数(旁瓣衰减-58dB)时能明确识别出两个频率分量的存在，程序运行结果如图3所示。

图2 矩形窗DFT截断效应

图3 窗函数截断效应

通过具体的案例，学生在完成信号的截取、滤波和结果分析等过程，也就具备了采用窗函数进行频谱分析的能力。不同的参数选择会产生包含不同物理意义的运行结果，当这些结果验证了理论知识的正确性时，学生对抽象公式的理解也就豁然开朗。

1.3 多媒体课件激发学习兴趣

学生对信号处理知识的掌握，更多是靠PPT演示过程中完成的，生动的多媒体课件是提高课堂教学效果、激发学生学习兴趣的关键所在。我们要充分利用图像、视频和动画等多种形式进行互动教学，以激发学生的多种感观。课件制作必须以动态图标、Flash动画以及Matlab图形运算结果等形式展现教学内容。只要抽象的概念得到形象的解释而有助于学生对相关内容的理解，学习兴趣也会提高。

1.4 加强教师团队建设激发学习兴趣

教师应该有意识地提高自己的业务修养，努力钻研业务。教师的知识水平、道德素养和业务能力对学生学习兴趣的激发起着至关重要的作用。

我校“数字信号处理”教学团队由我院各专业相关教师组成。教学团队统一制定了教学计划并定期开展教学研讨活动。团队成员适时安排交叉授课，学生的反馈意见能督促教师团队成员主动提高业务能力。由于不同的教师对相同的信号处理问题有各自的思路，交叉教学方式使学生对所学内容始终保持新鲜感与学习兴趣。

2 教学效果分析

经过近两个学年的教学创新实践，大部分学生不再面对理论问题束手无策。学生的期末成绩优良率大幅提高，成绩为及格与不及格的比例由2011年的9.8%降低到近两年的4.5%与2.8%，说明通过以兴趣为核心的教学方式的改进，大部分学生都能真正掌握数字信号处理技术;学生网上评教成绩大幅提高，连续两年评教结果为优秀，学生评教满意度保持在95%以上。作为一例，表1示出2012年“精密仪器及机械”专业学生网上评教结果(及格和不及格两项均为0)。可见由于“数字信号处理”课程教学方法的改进，学生的自主学习能力得到激发，直接带动了教学质量的提高。而本年度考研学生选择数字信号处理专业方向比例的大幅提高，验证了“数字信号处理”课程对学生具备了持久的吸引力。

表1 2010年10级级精密仪器及机械专业网上评教结果

3 结语

本文针对“数字信号处理”课程公式复杂、内容抽象但应用性强的特点以及多年来该课程的教学现状，从课堂教学方法、Matlab程序实现、多媒体辅助教学以及教师团队建设等多方面改进教学思路，坚持以学生为主体、在知识的应用中激发学生的学习兴趣和自主能动性。近两年的教学实践表明了成绩的提高以及“数字信号处理”课程教学质量的提升是学生学习兴趣提高的必然结果。

［1］胡广书.数字信号处理-理论算法与实现［M］.北京:清华大学出版社，2003

［2］张瑞，李歆.数字信号处理课程教学环节的改革研究与实践［J］.合肥:安徽教育学院学报，2007，25(6):34.

［3］王玉德.数字信号处理课程的教与学的探讨［J］.南京:电气电子教学学报，2008，30(6):97-98

［4］向友君，周文坤，徐向民.数字信号处理交互式教学平台设计与实现［J］.南京:电气电子教学学报，2009，31(3):91-97

［5］杨毅民.教会学生如何学习数字信号处理［J］.南京:电气电子教学学报，2005，27(4):99-104

［6］于家城.数字信号处理课程教学中需要解决的几大关系［J］.合肥:合肥师范学院学报，2009，27(3):63-66