“数字信号处理”课程教学方法探讨

舒小华　贺正芸　易吉良　吕道轩

【摘要】“数字信号处理”课程是电子信息类专业非常重要的课程，但它理论性强、抽象、公式多，理解和掌握起来有一定难度，导致学生厌学、怕学的情绪。为了培养学生的学习兴趣，适应素质教育，针对“数字信号处理”课程教学内容、实践教学和课堂教学模式进行了改革，从教学方法、教学手段方面进行改革。结果表明，学生学习的热情得到了提高，取得了较好的效果。

【关键词】数字信号处理 教学改革 学习兴趣 探索性实验

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）06-0023-02

“数字信号处理”课程是电子类学科和专业的一门重要专业基础课，涉及知识面广泛，如信号与系统、信号处理、通信等，课程内容抽象，理论性强，概念多，学习难度较大，加上先修课程的学习的好坏也影响到本课程的学习。这些因素导致学生难以在有限的教学时间内掌握好本门课程的内容，学习的畏难情绪增加，学习效果随之下降，导致逐渐丧失学习信心和学习热情[2]。如何培养并保持学生的学习兴趣，充分发挥学生的学习主动性是数字信号处理课程教学中需要面对的一个重要问题。因此对传统的教学方法进行改进，采用多种教学方式激发学生的学习兴趣，取得了较好的教学效果。

一、多种教学手段结合激发学习兴趣

传统的课堂教学方式采用黑板板书方式，其优点是师生互动直接，可以自由控制时间，学生在老师板书的过程中有足够的时间理解和思考，跟进老师思路的压力较小，适合公式推导、例题讲解等内容的教学。但是板书方式形式单调，不适合对抽象的概念和复杂的过程的讲解，而且，数字信号处理课程本来每堂课内容多，全采用板书讲授方式将很难完成教学任务，加快速度则有些重要难以讲到，久之影响教学效果。同时，本课程涉及信号流图（如FFT流程图等）、滤波器设计内容中的频谱图及设计的结果，如果板书出来将占用珍贵的课堂时间。因此仅用黑板板书的方式显然并不合适。投影教学方式的优点是形象生动，尤其是有的复杂过程可采用动画形式展现，学生容易理解，且传递的信息量丰富。但长久的盯着亮的屏幕容易造成视觉疲劳，快速的翻页也会造成部分学生跟不上进度，一堂课下来感觉很累。因此，在课堂教学中，宜采用板书、多媒体教学相结合的授课方式，充分发挥各自教学方式的优点。公式推导、例题讲解等可采用板书方式，抽象的概念和理论、复杂的处理过程等则采用MATLAB仿真进行演示或采用动画形式展现。多媒体课件宜做得精炼，防止出现大幅的内容叙述。由于抽象概念的形象解释有助于学生的理解，学习兴趣也随之提高。比如在讲解长信号的线性卷积时，牵涉到重叠相加法、重叠保留法两种方法，可采用板书和投影教学相结合的方式进行讲解。先提出问题：两个长度相当的信号的线性卷积可以利用FFT进行快速卷积，但若一个信号很长甚至是无限长时如何实现快速卷积？让学生进行讨论。再使用板书方式推导出长信号的分段卷积式，对分段卷积结果如何处理则采用MATLAB仿真来演示和验证这一过程。通过MATLAB仿真，长信号的快速卷积就形象的展现出来，学生易于理解了，枯燥的定义和概念也变得生动起来，原本复杂的过程变得简单而容易接受，有利于知识的理解和掌握，也激发了学生的学习兴趣。

二、改进教学方法，激发学生学习兴趣

“数字信号处理”理论知识多，学习起来枯燥。但是，如果学生认识到所学的知识有用会激发他们的学习兴趣。因此，应加大应用性内容的教学，让学生参与到相关的实践活动中有助于提高学生的学习热情。

1.课程设计提升学习兴趣

课程设计是综合性实践教学环节，完成课程设计需要综合应用所学知识，包括查阅资料、方案设计、方案实施、结果分析、方案改进等。实施计划过程中遇到的困难和障碍构成了学生渴望以挑战的问题，正是这些问题激励学生积极思考并寻找解决问题的办法，在此过程中学习的积极性得以充分发挥。一般而言，学生在接到课程设计的任务后，需要对设计课题进行分析，确定完成此设计需要用到的知识，这些知识可能是已经学习过的，也有未学习过的。学生通过查阅相关资料后，综合所学的知识、技能，明确需解决的问题和达到的目标，并形成解决问题的技术方法。

比如在FFT的教学中，给定课程设计要求“语音信号的频谱分析”，要求综合运用数字信号处理的理论知识对语音信号进行频谱分析并对语音信号进行处理。在此课程设计中，要求学生掌握Windows 环境下语音信号采集方法，掌握用 MATLAB对信号进行分析和处理的编程方法，设计算法和应用程序，对结果进行分析，撰写总结和报告等。学生通过理论推导得出相应结論，利用MATLAB作为编程工具实现语音信号的谱分析和滤波。在设计的完成过程中互相交流学习心得，共同探讨出现的新问题，培养获取知识与解决问题的能力。与此同时，学习过程中获得的成就感激发了他们的学习热情，并培养了勇于探索开拓进取的学习精神。

在教学中，课程设计的题目可以由教师指定，由学生选择，如语音信号卷积的实现、图像信号的滤波等；也可以在教师指导下学生自己选择。学生通过参与数字信号处理的课程设计，加深了对“数字信号处理”理论的理解，提高了学习的热情，巩固了学生数字信号处理的基础知识，增强了学习兴趣。

2.探索性实验激发学习兴趣

探索性实验是指人们从事开创性的研究工作时，为探寻未知事物或现象的性质以及规律所进行的实践活动。它对培养学生的观察能力、思维能力、探索精神以及良好的学习方法具有重要意义。

目前数字信号处理课程配备的实验大多是验证性实验，旨在对所学知识进行验证，如快速傅里叶变换（FFT）、RIR滤波器设计、IIR滤波器设计等，学生只是使用MATLAB 对教材或实验指导书上的实验进行验证，对实验结论也是验证与所学的知识是否一致，遇到不一致的往往知其然不知其所以然，难以结合教材内容进行深入分析。实验过程中遇到的问题也很难独立思考和解决。因此，实验设计仅让学生懂得实验的基本过程及仅仅验证教材上的内容是不够的，更重要的是培养学生的分析和思考问题能力。探索性实验将使得学生在实验过程中通过自己的观察、思考得出结论，不仅能启迪思维，培养科学精神和创新能力，更能激发学习兴趣。探索性实验内容可由教师提出，学生依据实验课题内容查阅资料，设计实验方案，最终完成实验并撰写实验报告。如卷积在信号去噪处理中的应用，就可以采用高斯模板对被污染的图像进行卷积以去除噪声（二维卷积），或对一段被噪声污染的歌曲进行卷积运算去除噪声（一维卷积）。通过探索性实验的开展，改变了传统实验的单调性，调动了学生的主动性，提高学生的学习热情。将验证性实验与探索性相结合，不仅有助于知识的掌握和能力的培养，还培养了学生科学素养，对激发学生的学习兴趣具有积极意义。

3.建立有利于激发学习热情的考核方法

作为一门重要的专业基础课，学生很在乎自己学习成绩，设计一套好的评价考核方法能最大限度的激发學生的学习热情，变被动学习为主动学习。为全面考查学生课堂学习、课外学习、课程设计及探索性实验效果，需设计闭卷考试、实验考核、课程设计考核及平时综合考核的全面考核方式。闭卷考试主要考核基本概念、基本原理等理论知识，实验考核主要考查学生的实验技能及分析和解决问题的能力；课程设计考核主要考察获取知识与解决问题的能力，同时鼓励学生依据学习内容撰写小论文，并建立相应的加分制度。

三、结语

“数字信号处理”的特点是理论性强，公式多，比较枯燥难学，学生容易提不起兴趣。兴趣是最好的老师，是构成学习心理的最活跃的因素。为了达到较好的教学效果，教学实践中，我们改进传统的教学方法，在课堂教学中采用多种教学手段结合激发学习兴趣，并从课程设计、探索性实验及建立有利于激发学生学习热情的考核方法几个方面着手， 激发学习热情，促进学生以研究的态度进行学习，在学习中获得的成就感激发了学生求知欲和学习兴趣，这些措施的实施取得了良好的教学效果。

参考文献：

[1]程佩青.数字信号处理教程（第三版）[M].北京：清华大学出版社，2012.

[2]任淑萍，王欣峰.“数字信号处理”的优化教学研究[J].电力学报，2008，23（3）：255-257.

[3]刘永红，王娜，刘琚.“数字信号处理”课程学习兴趣的培养[J].电气电子教学学报，2014，36（2）：9-11.

[4]马永奎，高玉龙，张佳岩，张中兆.“数字信号处理”课程设计导向型教学初探[J].电气电子教学学报，2012，34（4）：96-97.

[5]郭建涛.“数字信号处理”课程的Matlab教学研究[J].电气电子教学学报，2010，32（3）：117-119.

[6]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）：67-69.

[7] 王秋生，袁海文.《数字信号处理》课程的分层实验教学方法[J].北京航空航天大学学报（社科版），2011，，24（5）：109-112.

基金项目：湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划资助项目（湘教通[2014]248号314）。