“卓越计划”下《数字信号处理》课程教学改革与创新

杨新　徐金玉　汪琳娜

摘要：按照国家“卓越工程师”教育培养计划，深入探讨三门课程（《高等数学》、《信号与系统》、《数字信号处理》）的整合、两个学科竞赛（全国大学生数学建模竞赛、全国大学生电子设计竞赛）的融合、一个软件（MATLAB）教和学的结合等课程改革和创新方法，全面提升“卓越班”学生工程技术的综合素养。

关键词：卓越工程师；课程改革；工程技术

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）53-0118-02

为贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020）》，促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国，全面提高工程教育人才培养质量，培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，教育部于2010年在天津召开了“卓越工程师教育培养计划”启动会，此后全国各省市教育厅和高校相继实施“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”），开设“卓越计划”试点班（以下简称卓越班）。“卓越计划”是以“面向工业界、面向世界、面向未来”为工程教育理念，在遵循“行业指导、校企合作、分类实施、形式多样”的原则基础上，促进工程教育改革和创新。

作为地方新建的本科独立学院，大多数高校从建校开始就始终把培养应用技术型人才作为人才培养的重要目标，但是目前我国正在引导一批普通本科高校向应用技术型高校转型。独立学院不仅面临着其他地方公办本科高校的竞争，同时也迎来了人才培养改革的良好契机。

我校电子工程学院依托国家“卓越计划”的实施，在电子信息工程专业开设“卓越计划”试点班，整合课程内容，重构课程体系，强化理论和实践结合。下面对卓越班的《数字信号处理》课程改革进行深入探讨。

一、课程学习概述

《数字信号处理》是我院电子信息工程专业必修的专业课程，计划安排理论48学时，实验16学时，选用丁玉美教师的《数字信号处理》第三版作为授课教材。在本课程学习前，在《信号与系统》课程中已经讲授过序列、z变换、傅立叶变换等概念，但是由于三本院校学生数学基础不好，难以理解复杂的信号分析理念，学习接受情况不理想，心理开始排斥此类课程学习。当接触《数字信号处理》课程后，发现以数学公式为基础的抽象复杂概念越来越多，逐渐失去了学习兴趣。因此长期以来该专业在《信号与系统》和《数字信号处理》课程教学效果不理想。

二、三门课程的整合

在文献[3]中将《数字信号处理》与《信号与系统》课程整合，精简教学内容，把讲授重点集中在基本概念和关键结论上。结合我院学生特点，在文献[3]的基础上，提出把大一的《高等数学》课程与这两门课程重新整合，让学生在《高等数学》课程中提前接触专业知识，理解求导、积分、微分方程等数学运算的具体用途，激发学生学习数学的兴趣，让学生提前探索数学知识在未来专业学习中的应用，为今后的专业学习打下良好的基础和铺垫。如在讲解“一阶线性微分方程”时，可以顺带提出一阶电路的概念，让学生逐渐认识用数学建模的思想去具体分析各种电路模型，通过构建微分方程求解得到电路中的参数变化情况。

当然这种整合方式对教师有较高的要求，要同时具备数学和信号方面的专业知识。我院数理教研室要求教师除了要掌握数学教学能力，也要对教授班级专业知识有所了解和认识，要在备课中尽可能体现数学知识在未来专业学习中的应用。除此之外，我院“卓越班”试点让教师同时担任《高等数学》、《信号与系统》、《数字信号处理》三门课程教学，结合三门课程的要求和特点，整合三门课程的内容，让学生从进校就接触专业方面的熏陶，理解数学知识的应用内涵，掌握用数学模型解决专业的本质。

三、两个学科竞赛的融合

信号分析和处理的内涵就是通过构建数学模型的方式，设计软硬件，通过系统去分析和处理各种信号。因此，可以让学生通过参加全国大学生数学建模竞赛和全国大学生电子设计大赛，经过长期的竞赛培训和指导，逐步提高学生数学建模和电子设计的能力。

我院已经在2013级电子信息工程专业班级开展参加以上学科竞赛的试点。学生在大一进校后通过参加数学建模培训，已经在全国大学生“电工杯”数学建模竞赛中取得了不错的成绩，下一步要引导学生继续参加全国电子设计大赛，以参加竞赛和培训为依托，全面提升该专业学生在工程理论和实践应用方面的能力。

四、一个软件教和学的结合

《数字信号处理》课程的理论大多都需要烦琐的数学理论和数学推导，对各种信号的分析和处理也需要通过大量的计算才能实现，很明显需要计算机软件辅助才能实现，MATLAB作为一个功能强大的数据可视化软件是当前该门课程的首选，而且自带的SIMULINK仿真模块可以非常简洁、直观地完成各种信号系统的仿真和处理。

在教学中教师可以运用MATLAB软件非常便捷地为学生演示各种信号的运算、变换、过滤等，让学生可以生动、形象地接收和理解这些抽象的概念，同时学生也可以通过自己编程实现复杂的数学运算，通过可视化图形观察实验结果，验证实验理论。

例如：已知一个离散系统系统函数为：H（z）=■=■ （1），输入信号为：x（t）=sin（2·π·200·n）+sin（2·π·10·n） （2），求系统输出。

求解可以采取把输入信号作z变换，然后与系统函数相乘，最后再做逆z变换，最后得到系统输出。很明显，这样的计算方式如果用手工计算很麻烦，但是运用MATLAB来求解就变得异常简单了。filter是MATLAB中专门用来求解离散系统输出的函数，调用格式为：y=filter（b，a，x） （3），其中b、a分别是系统函数分子和分母多项式的系数矩阵，x是输入序列，其求解和画图程序如下：

结果可视化显示为：

从上图结果可以清楚观察到输入信号经过该离散系统处理后得到的输出信号情况。《数字信号处理》课程中还有很多计算都可以运用MATLAB函数实现，如函数impz可以求一个离散系统的脉冲响应序列，函数freqz可用来求一个离散系统的频率响应，函数zplane可用来显示离散系统的零极点图，等等。当然要掌握MALTBA函数的用法不能只是在课堂上泛泛而谈，可以在学生大一入校时依靠高等数学教学和数学建模培训让他们提前接触和学习MTLAB软件，然后循序渐进，到学习《数字信号处理》课程时便能熟练掌握和运用MATLAB解决实际计算和可视化问题了。由以上分析可知，MATLAB软件帮助学生过滤掉了复杂的数学计算过程，而以简单的MTLAB编程实现，这样就大大提高了学生的学习兴趣，也促进了教学质量和效果的提升。

MATLAB软件教与学的结合可以让该课程的学习省去很多的麻烦和困难，学生的学习不再枯燥和乏味，也不用深究其中难以理解的数学推导和运算过程，只需要轻轻在键盘上点几下，就可以得到结果。这就是大数据时代下现代教学与传统教学的差别，应用技能型人才培养不再需要每个人都要像数学家一样会计算，应用知识和软件才是学习的首要任务。

五、结语

独立学院“卓越计划”的实施有别于其他地方本科院校，需要结合学生特点，整合教学资源，按照卓越计划培养标准，在课程整合、学科竞赛、软件教与学等方面大力改革和创新，切实加强“卓越班”教学的规划和管理，全面提升学生数学和专业知识的实践和创新能力。

参考文献：

[1]林健.面向“卓越工程师”培养的课程体系和教学内容改革[J].高等工程教育研究，2011，（5）：1-9.

[2]中华人民共和国教育部.教育部关于实施“卓越工程师教育培养计划”的若干意见[Z].教高[2011]1号，2011.

[3]张永瑞，张妮.信号与系统与数字信号处理两课程教学内容的一种整合方[J].电气电子教学学报，2001，23（1）：10-12.

[4]丁玉美.数字信号处理[M].西安：电子科技大学出版社，2001.endprint