数字信号处理教学探索

郭洁

摘要：数字信号处理是一门重要的专业基础课程。在教学过程中，不断探索和实践新的教学方法，使教与学相辅相成，才能取得良好的教学效果。本文总结了教学难点，拟定新的教学计划，教学改进效果良好。

关键词：数字信号处理；教学方法；教学改进

中图分类号：TN911.72 文献标识码：B 文章编号：1672-1578（2014）22-0030-01

数字信号处理是本科电子信息专业类的专业基础课程，是理论与工程相结合的一门课程。课程以概率统计、信号与系统等课程为理论基础，可应用于通信、雷达以及航空等众多科学领域，与工程应用关系密切。课程理论性强，抽象概念多，包含具体的科学方法，涉及的数学基础较多。如何在有限的时间内设计好教学方案，运用恰当的教学手段，使学生能够领会该门课程，是值得思考和研究的。

1.教学方法

1.1 教学内容。我院选用的教材是《数字信号处理教程》，程佩青著。该书讨论了数字信号处理的基本理论、基本分析方法等，并配有习题分析。需合理运用教材，把握课程教学内容。在课程教学内容的安排和讲解上，要紧扣课程内容主线，采用深入浅出的教学方法进行课程教学。

注重理论联系实践，指导学生使用MATLAB工具。该软件可以完成数字课程中的卷积以及滤波器的设计等运算，同时直观地看到数值结果或图形。采用MATLAB工具实现模型的仿真试验，能帮助学生理解复杂的基础理论，加深学生对基础知识的理解和掌握。

1.2 教学思路。考虑让学生采用工程师的思维方法研究信号处理的问题。例如，数字信号处理理论中的频域分析法是利用事物的特点和规律来解决问题。使用频域法分析问题的原因就是我们在时域空间中看问题时，看到的是事物的表面现象；频域分析法是采用分解信号的方法看到信号的成分；可采用离散傅立叶变换来分析信号频谱。教学方法运用上要做到教学思路清晰、步骤明确，符合学生的认知规律。例如，IIR带通数字滤波器的设计，从设计任务开始，根据具带通滤波器的性能指标及IIR数字滤波器的设计步骤，设计出滤波器；最后用MATLAB绘出滤波器的幅频响应与相频响应。

1.3 教学课件。教学课件与MATLAB仿真工具的合理运用。需要教师恰当地运用课件，辅助以合理有效的板书，就会使得教学过程变得生动而且容易理解。对于介绍性的知识采用课件教学，可以较好地发挥课件的信息量大等特点。而对于理论性强、数学推导繁琐的公式要应用板书进行分析和推导，辅助部分MATLAB仿真。例如，学习采样定理，使用MATLAB软件建立采样定理的原理仿真模型，看到仿真结果和过程，就很容易令学生理解。

2.教学难点

数字信号处理是我院的一门专业必修课，于本科三年级开设，学时一般分为48学时理论课和16学时实验课。数字信号处理课程内容多，理论复杂，概念抽象，涉及预备知识多，教学过程有一定难度。

2.1 教学预备知识较多。该课程中时域离散信号与系统时域分析和变换域分析的基本理论，是学生学习的基础知识，与"信号与系统"课程有较强的连贯性；离散傅里叶变换和快速傅里叶变换这两章的内容是学生学习中的难点；关于IIR和FIR数字滤波器的设计方法，不仅是前几章论知识的应用，还需要理解模拟滤波器设计。

2.2 数学理论基础知识多。该课程涉及信号与系统、复变函数、高等数学等理论知识。学习数字信号处理，需要理解数学公式的推导，如序列的傅里叶变换、离散傅里叶变换、傅里叶级数等概念及其性质，以及时域、频域抽样理论。

2.3 基本概念与物理含义需深入理解。该课程涉及傅里叶变换、拉普拉斯变换、序列的傅里叶变换、离散傅里叶变换等诸多变换，学生容易混淆，特别是对其物理含义理解不透，如线性卷积与圆周卷积的关系等。

3.教学改进计划

基于上述已有教学方法探讨以及教学难点的总结，课程的具体改进方案设计如下：

3.1 教学大纲。制定恰当的教学大纲，合理安排授课内容，合理编写讲义是保证教学质量的前提。教师需要制定合理的教学计划。与"信号与系统"中重复内容简要讲，相似的内容如序列的傅里叶变换、离散傅里叶变换、傅里叶级数的性质等上下联系对照着讲。制作课件时充分利用多媒体直观形象、节省板书时间的特点，尽量条理清晰，突出图表，并且在课前提出学习目标，课后总结章节重点。

3.2 课堂教学。组织好课堂教学是提高教学效果的关键。采用传统板书教学与多媒体教学相结合的教学方式，以板书为主，多媒体演示为辅。例如，对连续时间傅里叶变换逼近的过程、矩形窗的卷积过程时，使用动画演示能把变化过程形象地展现出来，有利于学生理解。

3.3 课后作业。课后布置难易适中的练习题，根据学生完成的情况，将学习中的重点、难点通过讲解习题的方式帮助学生掌握。采取习题课、集中答疑和课后交流的方式，实时掌握学生学习动态。

3.4 实验课程。教学过程需考虑如何加强MATLAB在教学中的应用。考虑将MATLAB工具贯穿课堂教学、实验、课程设计等环节。利用MATLAB工具可以使抽象理论得到直观演示。比如线性卷积与圆周卷积的关系。

安排与教学紧密结合的实践环节。安排8个实验，涵盖常见离散信号的产生和实现、离散系统的时域分析、离散系统的频域分析、设计数字滤波器、设计数字滤波器等内容。要求学生能运用MATLAB编程掌握一些数字信号处理的基本技能，从而加深对教学内容的理解，培养学生独立解决问题的能力。

参考文献：

[1] 刘会衡， 田玲. 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）： 237-238.

[2] 胡居荣， 曹宁. 基于Matlab的数字信号处理研究型教学的探索[J]. 中国电力教育， 2008， 121： 67-68.endprint