“DSP原理及应用”教学方法的探索与实践

邱雄迩 李辉

摘 要： “DSP原理及应用”课程是通信与电子专业最初开设的。本文简述了在电气测控类专业开设“DSP原理及应用”的必要性；指出了教学过程中存在的主要问题，分析了产生问题的主要原因；初步探索了“DSP原理及应用”教学方法，阐述了在教学过程中遵循的基本原则和采取的主要措施，为该课程的教学实践提供有益参考。

关键词： DSP原理与应用 教学方法 教学实践

1.引言

DSP技术本身也是信号与信息处理学科中一个重要的分支。随着电子技术及计算机技术的飞速发展，广泛应用于图像处理、仪表与控制、语音/音频、无线电通信、生物医学、消费应用、数字、便携移动电话、多功能移动通信系统、数字电视等诸多领域。因此，“DSP原理及应用”课程纷纷被国内外大学的通信、电气自动化、电子类专业作为一门重要的专业基础课，在理工科高等教育体系中占有重要地位，它既是通信、电气自动化、电子类专业的重要基础课程，又是测控技术和电子测量等学科的专业课程。

在测控技术领域，DSP技术的应用正在逐步普及，“DSP原理及应用”课程教学受到了普遍重视。我院电气测控类专业于2007年起开设的本课程作为本科三年级学生的专业必修课程。

2.面临的困难与挑战

（1）在“DSP原理及应用”课程的教学实践中存在以下问题和不足：①该课程将高等数学、复变函数及线性代数等课程内容作为基本工具并赋予实际的工程物理意义，在内容、分析方法和处理技术方面的基本概念与学科发展和技术进步不相适应；②概念抽象，涉及的数学公式多，繁杂的数学推导使学生感到难学、难懂、学了不会应用；③各种教材重点突出数学分析、工程概念薄弱，原理、方法与应用脱节。例如，“离散傅里叶变换快速算法（FFT）”部分的主要内容是推导变换过程和结果，基本是数学概念，淡化了工程概念，不利于学生理解其在实际中的应用。

（2）电气测控类专业学生没有开设信号与系统课程，虽然电气测控类专业的学生系统学习了“自动控制原理”等课程，部分内容与“信号与系统”有相似之处，但是无法替代“信号与系统”课程中所涉及的重要基础知识。

（3）“数字信号处理”部分内容在相关课程中有所涉及，我校电气测控类专业学生所学相关课程中，有“自动控制原理”、“现代测控技术”中涉及“Z变换”，“现代控制理论”中涉及“系统的稳定”，“计算机控制技术”中涉及“数字滤波器”等内容。这些先修课程中涉及的内容都是“DSP原理及应用”的重点内容，部分课程存在内容重叠问题。在相关课程中一般是简单介绍，很难达到系统“DSP原理及应用”实际的需求。如按传统方式授课会导致讲授的部分内容存在重复。

（4）课时与内容的矛盾比较突出。相对于通信与电子类专业学生来说，我院电气测控类专业开设该课程学时较少的56课时。“DSP原理及应用”涉及信号处理的内容繁多，理论大体上包括Z变换（含逆Z变换）、FT（含DFS、DTFT、DFT、FFT）、滤波器（含IIR、FIR）设计三个中心部分，其他内容及细节都围绕这三个中心展开，并且这些内容之间相互联系。如何充分利用较少课时讲授好这些内容，无疑对“DSP原理及应用”课程教学提出了挑战。

3.教学环节的改革与实践

虽然电气测控类专业开设“DSP原理及应用”存在诸多问题与挑战，但是通过努力，改革教学方法，比较成功地解决了上述问题，并取得了很好的教学效果。

（1）保持先进性。DSP技术是现代测控技术增长最快的领域，在许多以数字形式处理信息或用数字处理器控制的领域得到了广泛应用。例如通过心电图等生物医学信号处理、“神舟六号”涉及信号传输问题的实例讲解前沿的应用领域，使学生了解数字信号处理的应用，以及和日常生活的相關性，提高学生对这门课程的兴趣[1]。保持先进性，以课程教学内容的更新为主，组成以从事信号与信息处理中的前沿课题科学研究的教师担任主讲的教学团队，可以为强化教学内容的先进性奠定坚实基础。

（2）重视基础知识。针对电气测控类专业学生缺少“信号与系统”基础的问题，在教学过程中先让学生自学，课堂及时补充相关内容，避免影响课堂教学效果。如讲授离散时间信号与系统的频率分析等问题时，学生先学习信号与系统中的连续信号与系统的频率分析的内容，课堂补充相关知识，务求学生理解。之后采用多次复习策略，加深对内容的理解。另外，在课堂教学中尽量减少复杂的公式推导，消除学生的畏惧心理。通过分析和处理具体的信号，宜用直观图形表示结果，有效帮助学生理解和掌握知识方面，如讲授频谱泄漏的知识。

（3）教材选择与教学内容改革。目前“DSP原理及应用”的教材很多，教学时一直选用由陈后金主编、高等教育出版社出版的教材《数字信号处理》和王忠勇主编、电子工业出版社的教材《TMS320F2812 DSP原理与应用技术》。综合电气测控类技术基础课程“路、场、信号处理、控制”的知识体系，以信号分析为基础，以系统分析为桥梁，以处理技术为手段，以控制应用为目的。突出理论和方法中所蕴涵的数学概念、物理概念和工程概念，实现原理、方法和工程的结合。内容体现经典与现代相结合、基本理论与工程技术相结合、解析方法与计算机辅助方法相结合的特点。同时将丁玉美编的《数字信号处理》作为参考书，该书的特点是简练易懂，配有习题，便于学生通过作业的训练了解各个知识点。向少数学习能力比较强的学生推荐清华大学出版社出版的国外经典教材《数字信号处理》一书，该书不仅介绍了数字信号处理的基本知识，而且介绍了数字信号处理器DSP的体系结构、编程方法，便于学生进一步学习。

DSP技术的理论和实践比较强，涉及大量公式的推导，毕业的几届学生普遍反映学习起来枯燥无味。为了改变这种状况，让学生在56学时内更好地掌握数字信号处理的基本知识点，并且掌握DSP2812的基本应用，确实有难度。我们对DSP原理及应用的授课内容合理地进行了筛选，精简了部分内容，重点讲授带有普遍意义的知识点和关键结论，尽量在课堂教学中避免大量冗长复杂的公式推导。如关于离散信号与系统的时域分析、z变换等在“自动控制原理”等课程中已学习过，可作简单的回顾和复习，重点讲解DTFT变换、DFT变换的算法原理和DFT的快速实现算法FFT[2]，同时要理清各种变换之间的关系，便于学生系统地掌握知识。

（4）面向专业需求。“数字信号处理”课程的开设，要考虑电气测控类专业学生的知识结构特点，重点讲授在电气测控类仪表领域实用性强的内容。由于现有“DSP原理及应用”教材几乎都是针对通信、电子信息专业编写的[3—5]，有必要对授课内容进行合理取舍。如对多速率信号处理仅作简单介绍；在讲授数字滤波器设计时，增加滤波器稳定性分析、利用数字信号处理器实现FFT、工程应用等内容，使之更符合电气测控类专业的需求。

（5）多媒体辅助教学。根据本课程的特点，我们采用板书和多媒体教学相结合的授课方式，且以板书为主，多媒体为辅。一些基本原理和基本方法的推导和证明，仍然采用课堂板书的授课方式，这种授课方式易控、灵活、互动性强，学生可以跟随教师的思路领会课堂知识；对于一些需要形象理解、图示举例和动画演示的内容，则可采用多媒体教学方式，充分利用动画、视频、声音、图像等多种形式进行互动教学。

针对“DSP原理及应用”课程中一些教师不易讲解的问题，如吉布斯现象、相关运算、循环卷积运算等、利用FLASH等软件设计出动画。利用动画使教师的讲解变得生动形象，学生容易接受，更能加深对知识的理解。

（6）注重课程实践。本课程虽理论性强，但它与实践密切相关，如果仅仅讲授理论知识，则无疑学生对理论知识的理解是肤浅的、表面的。为了配合理论教学，在实践教学环节中从软硬两方面开设实验，开设了利用仿真软件Matlab和DSP2812芯片共同完成实验，我校在实践环节上也增加了相应的仪器设备，开始时购置的TI公司的2000系列的TMS320F2407，后来又购置了性能更优越的TMS320F2812。利用DSP芯片完成实验，包括FIR、IIR、快速傅里叶的DSP实现等实验，改变已有的演示验证性实验教学模式，增加综合设计性实验，侧重工程应用和求解方法多样化，并体现了侧重基础、容易实现及启发思考等特点，保持先进性，可以提供教师进行科学研究和学生进行毕业设计。

（7）及时解决问题。通过几年教学实践，取得了一定的成效。一方面在每次授课结束后，与学生充分交流授课内容，根据学生意见及时调整授课内容，另一方面采取定期集中答疑和随时分散答疑相结合的方式，上完相关内容后针对学生作业上习题课，在习题课上详细讲解典型问题。

4.结语

虽然在电气测控类专业开设“DSP原理及应用”存在诸多问题，但是我们按照以上方法并采取恰当的措施进行实践，顺利地开设了“DSP原理及应用”课程，圆满地完成了授课任务。五年多的教学实践表明，理论教学的改革既可以使课堂教学生动美妙，又能加深学生对问题的理解，强化他们对知识的掌握，强化教学效果。实验环节的改革可以提高学生的动手能力，增强学生分析和解决实际问题的能力，实践证明，取得了良好的教学效果。

如何将“DSP原理及应用”的具体特点和学生的知识结构有机结合，将课堂教学和辅助教学有机结合，将理论教学和实践教学有机结合，都是值得研究和尝试的问题，教学质量将在探索与实践中稳步提高。

参考文献：

[1]任治剛.“数字信号处理”多媒体教学方法初探[J].电气电子教学学报，2006，（12）.

[2]刘会衡，田玲，等.数字信号处理课程教学方法改革与实践[J].教学研究，2008（31）3：237-239.

[3]高军萍，王霞，等.数字信号处理课程教学改革的探索与体会[J].电气电子教学学报，2007，2：19-21.

[4]卢铁兵.崔翔，等.电气工程及其自动化专业数字信号处理课程建设[C].第二届全国高校电气工程及其自动化专业教学改革研讨会论文集（下册），2004：438-442.

[5]方益明.提高“数字信号处理”课程教学效果的研究[J].电气电子教学学报，2009，（31）3：15-16.

资助项目：邵阳学院教改项目（项目编号：2013JG34）；湖南省教育厅一般项目（项目编号：11C1130）。