微时代背景下的数字信号处理微课程设计

黄琼丹++唐黎

摘 要：数字信号处理在理工类院校设为专业基础课的平台主课，在信号处理理论与实践课程体系中起着承上启下的作用。该课程具有抽象性、前沿性、多学科交叉融合等特点，既有很强的理论基础又有广泛的工程应用背景。本文以西安邮电大学数字信号处理教学为例，从理论教学和实践教学的角度研究微时代背景下的数字信号处理教学，探讨了数字信号处理微课程的设计方法。实践证明数字信号处理微课程可以让学生随时随地有选择性的进行学习，实现了数字信号处理的泛在学习，增强了教学效果。

关键词：数字信号处理 微课程 在线学习 理论教学 实践教学

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0194-03

运用建构主义方法[1，2]、以在线学习或移动学习为形式的微课程作为一种新型的教学手段，既刷新了教学模式又提高了教学效率[3，4]。微课程最早见于美国北爱荷华大学McGrew教授提出的60s课程[5]及英国纳皮尔大学T.P.Kee提出的1 min演讲[6]。2008年，美国墨西哥州圣胡安学院高级教学设计师、学院在线服务经理戴维？彭罗斯（David Penrose）正式提出微课程的概念，微课程被他比喻为“知识脉冲”（Knowledge Burst）[7]。自此之后，微课程已逐渐在互联网时代中普及，并逐渐体现其在移动学习及在线学习上的优势。在国外，以可汗学院（Khan Academy）[8]与TEDEd[9]为代表的微型网络教学视频成为了微课程的范例。2011年起，我国广东省佛山市教育局胡铁生率先策划与组织了佛山市中小学优秀微课展播平台，开创了我国微课程建设的先河[10]。

数字信号处理在理工科教育体系中有重要的作用[11]，但由于其概念抽象、设计复杂的特点，给学生的学习带来很大挑战。本文从理论环节和实践环节入手，研究微时代背景下的数学信号处理教学，开发数字信号处理微课程，使其成为数字信号处理泛在学习的有力手段。

1 数字信号处理理论环节微课程设计

数字信号处理理论主要包括时域离散信号及系统的时频域分析方法、系统设计及实现两大部分内容[12]。其内容结构如图1所示。

数字信号处理各部分内容包含很多及相互独立又相互联系的知识点，为了帮助学生深刻理解各个知识点，建立起它们之间的联系，形成整个知识体系的系统观，针对不同的内容可以设计不同形式的微课程。

1.1 多媒体式微课程

对于数字信号处理课程中难以理解的知识点，微课程设计可以合理选择和运用PowerPoint、Flash、Autorware、Photoshop等软件，综合处理和控制语言、文字、声音、图像、等多种媒体信息，以多种媒体信息作用于学生，形成合理的教学过程结构，直观、生动、形象地展示难于理解的教学内容。

以“时域的实际采样”为例，考察信号进行实际采样时频谱发生的变化。对带宽为的时域信号进行理想采样，其频谱以采样角频率为周期进行周期延拓，当≥时，不会发生频域混叠，可以无失真的恢复原信号。如果对信号进行实际采样，其频域将会发生怎样的变化呢？若采用公式推导的方式，多数学生难以真正理解整个过程。该节微课程可以设计成动画的形式，镜头主要对准动画演示，辅以教师跟随整个动画演进的讲解，能使学生很容易掌握这部分内容。“时域实际采样”的动画微课程示意图如图2所示。

从该动画演示过程很容易而得到结论：实际采样的频谱是连续信号的频谱以为周期进行周期延拓，频谱幅度受到函数的调制，随频率的增加而下降，幅度的变化不影响信号的恢复，若满足奈奎斯特采样定理，则不会产生混叠失真。

1.2 板书式微课程

多媒体虽然能帮助理解一些难于理解的内容，但由于其切换的速度快，声画效果的过分渲染反而容易打断学生对难点知识的深刻理解及笔记记录。所以，现代教学手段固然有它不可抗拒的魅力，但传统的板书也有它无法取代的价值[13，14]。数字信号处理中的一些知识点，用流畅的板书呈现出来会有更清晰的条理、对学生的学习有很好的导向功能，使学生对该知识点的教学有一个清晰、明了的理解。以第六章IIR滤波器设计中双线性变换法引起的幅频响应的畸变为例，由双线性变换法模拟频率和数字频率之间的关系：

其中，和分别为模拟角频率和数字角频率；为采样间隔。这样的正切关系导致除了零频率附近，和之间呈严重的非线性关系。这种非线性关系不仅导致线性相位模拟滤波器转换成数字滤波器后为非线性相位的，而且会造成滤波器的幅频响应发生畸变。以理想微分器为例，双线性变换法引起的幅频响应畸变如图3所示。

该过程用板书的形式，按图3的步骤逐步呈现幅频响应发生畸变的过程要比用幻灯片的形式更利于学生接受。该节微课程视频截图如图4所示。

1.3 习题微课程

作为诸多工科高校研究生招生的考核科目，数字信号处理有很多习题，题型也非常灵活，传统的习题讲授是嵌入在理论课教学中或是以习题课的形式呈现，这种方式往往造成学生不能系统的接触习题，造成“听得懂，上手生，不会做”的现象。把数字信号处理的典型题的解题过程制作成微课程，对习题进行讲解分析与推理演算，重在解题思路的分析与过程，一题一课，有利于学生打破时间次序的壁垒，根据自己的实际情况有针对性、选择性的复习，强化学习效果。

2 数字信号处理实践环节微课程设计

数字信号处理实践环节是数字信号处理教学的重要组成部分。以西安邮电大学数字信号处理教学为例，为凸显本校的通信特色，数字信号处理实践环节教学体系结构图如图5所示。针对该实践教学体系的每一个部分，都可以设计形式多样内容丰富的微课程，其主要内容如表1所示。每一部分内容都可以由若干节微课程构成。通过具有通信特色实践环节微课程，可以帮助学生从工程层面上加深对数字信号处理的理解，同时契合了我校通信型人才培养的需求。endprint

3 微课程嵌套

微课程是某一个知识点的脉冲式单独呈现，由于该课程的系统性，某一个知识点不可能是孤立的，它总会和其他的知识点有一定联系，可以用插入视频超链接的方式，对微课程中涉及到的其他知识点或概念插入视频超链接，学生如果对该知识点或概念理解不够，可以点击超链接，链接到该知识点或概念的微课程。比如时域实际采样微课程中可以插入理想采样的微课程超链接；双线性变换法引起的幅频响应畸变微课程中，可以插入数字角频率和模拟角频率非线性关系的由来的微课程超链接。

通过微课程的嵌套，可以把一个个看似孤立却联系紧密的知识脉冲串起来，有利于学生对该门课程的总体把握，树立整体观，做到“既见树叶，又见森林”的效果。

4 结语

按照上述思路，我们完成了部分理论和实践教学环节的数字信号处理微课程设计，并交付学生使用。这些微课程既涵盖了数字信号处理课程的主要知识点又体现了我校的通信特色，做到了“普适性”和“特殊性”的有机结合。数字信号处理系列微课程作为优质教学共享资源的一部分，进一步提升了作为陕西省精品资源共享课程的数字信号处理课程建设成效[15]。从学生的使用效果看，数字信号处理系列微课程方便不同层次的学生有选择性的学习，延展了数字信号处理的学习空间和时间，增强了教学效果。

参考文献

[1] Sweeney L.Information explosion[J]. Confidentiality，disclosure，and data access：Theory and practical applications for statistical agencies，2001：43-74.

[2] Hug T.Microlearning：A new pedagogical challenge（Introductory Note） [C]//Microlearning Conference.2005：7-12.

[3] Micromedia and Corporate Learning： Proceedings of the 3rd International Microlearning 2007 Conference[M].Innsbruck University Press，2007.

[4] 梁乐明，曹俏俏，张宝辉.微课程设计模式研究—— 基于国内外微课程的对比分析[J].开放教育研究，2013，19（1）：65-73.

[5] McGrew，L.A.A 60-second Course in Organic Chemistry [J].Journal of Chemistry Education，1993（7）：543-544.

[6] Kee，T.P.The One Minute Lecture[J].Education in Chemistry，1995（32）：100-101.

[7] Liu X，Wang L.The Analysis on Systematic Development of College Microlecture[J].Higher Education Studies，2013，3（6）：65-70.

[8] http：//www.khanacademy.org/

[9] http：//ed.ted.com/

[10] 胡铁生.“微课”：区域教育信息资源发展的新趋势[J].电化教育研究，2011，32 （10）：61-65.

[11] 王玉德.“数字信号处理”课程教学探索与实践[J].中国电力教育，2014（9）：96-97.

[12] 卢光跃，黄庆东，包志强.数字信号处理及应用[M].人民邮电出版社，2012.

[13] 彭小明.教学板书特征论[J].教育评论，2007（4）：90-92.

[14] 郭淑婷，牛莹.“数字信号处理”课程教学方法探索[J].中国电力教育，2011（23）：78-79.

[15] 西安邮电大学数字信号处理精品课程网站[EB/OL].http：//222.24.19.30/eol/jpk/course/layout/page/index.jsp？courseId=1404.endprint

3 微课程嵌套

微课程是某一个知识点的脉冲式单独呈现，由于该课程的系统性，某一个知识点不可能是孤立的，它总会和其他的知识点有一定联系，可以用插入视频超链接的方式，对微课程中涉及到的其他知识点或概念插入视频超链接，学生如果对该知识点或概念理解不够，可以点击超链接，链接到该知识点或概念的微课程。比如时域实际采样微课程中可以插入理想采样的微课程超链接；双线性变换法引起的幅频响应畸变微课程中，可以插入数字角频率和模拟角频率非线性关系的由来的微课程超链接。

通过微课程的嵌套，可以把一个个看似孤立却联系紧密的知识脉冲串起来，有利于学生对该门课程的总体把握，树立整体观，做到“既见树叶，又见森林”的效果。

4 结语

按照上述思路，我们完成了部分理论和实践教学环节的数字信号处理微课程设计，并交付学生使用。这些微课程既涵盖了数字信号处理课程的主要知识点又体现了我校的通信特色，做到了“普适性”和“特殊性”的有机结合。数字信号处理系列微课程作为优质教学共享资源的一部分，进一步提升了作为陕西省精品资源共享课程的数字信号处理课程建设成效[15]。从学生的使用效果看，数字信号处理系列微课程方便不同层次的学生有选择性的学习，延展了数字信号处理的学习空间和时间，增强了教学效果。

参考文献

[1] Sweeney L.Information explosion[J]. Confidentiality，disclosure，and data access：Theory and practical applications for statistical agencies，2001：43-74.

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[11] 王玉德.“数字信号处理”课程教学探索与实践[J].中国电力教育，2014（9）：96-97.

[12] 卢光跃，黄庆东，包志强.数字信号处理及应用[M].人民邮电出版社，2012.

[13] 彭小明.教学板书特征论[J].教育评论，2007（4）：90-92.

[14] 郭淑婷，牛莹.“数字信号处理”课程教学方法探索[J].中国电力教育，2011（23）：78-79.

[15] 西安邮电大学数字信号处理精品课程网站[EB/OL].http：//222.24.19.30/eol/jpk/course/layout/page/index.jsp？courseId=1404.endprint

3 微课程嵌套

微课程是某一个知识点的脉冲式单独呈现，由于该课程的系统性，某一个知识点不可能是孤立的，它总会和其他的知识点有一定联系，可以用插入视频超链接的方式，对微课程中涉及到的其他知识点或概念插入视频超链接，学生如果对该知识点或概念理解不够，可以点击超链接，链接到该知识点或概念的微课程。比如时域实际采样微课程中可以插入理想采样的微课程超链接；双线性变换法引起的幅频响应畸变微课程中，可以插入数字角频率和模拟角频率非线性关系的由来的微课程超链接。

通过微课程的嵌套，可以把一个个看似孤立却联系紧密的知识脉冲串起来，有利于学生对该门课程的总体把握，树立整体观，做到“既见树叶，又见森林”的效果。

4 结语

按照上述思路，我们完成了部分理论和实践教学环节的数字信号处理微课程设计，并交付学生使用。这些微课程既涵盖了数字信号处理课程的主要知识点又体现了我校的通信特色，做到了“普适性”和“特殊性”的有机结合。数字信号处理系列微课程作为优质教学共享资源的一部分，进一步提升了作为陕西省精品资源共享课程的数字信号处理课程建设成效[15]。从学生的使用效果看，数字信号处理系列微课程方便不同层次的学生有选择性的学习，延展了数字信号处理的学习空间和时间，增强了教学效果。

参考文献

[1] Sweeney L.Information explosion[J]. Confidentiality，disclosure，and data access：Theory and practical applications for statistical agencies，2001：43-74.

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[12] 卢光跃，黄庆东，包志强.数字信号处理及应用[M].人民邮电出版社，2012.

[13] 彭小明.教学板书特征论[J].教育评论，2007（4）：90-92.

[14] 郭淑婷，牛莹.“数字信号处理”课程教学方法探索[J].中国电力教育，2011（23）：78-79.

[15] 西安邮电大学数字信号处理精品课程网站[EB/OL].http：//222.24.19.30/eol/jpk/course/layout/page/index.jsp？courseId=1404.endprint