任务驱动教学法在《数字信号处理》教学中的应用研究

文昊翔+胡松喜

摘要：针对传统教学模式的弊端，提出对《数字信号处理》课程采用任务驱动模式进行教学。通过对心电信号进行频谱分析、降噪处理等作为案例，讲授谱分析与滤波器设计等相关章节。案例取自于实际医疗仪器设计，因而直观、生动，有利于提高学生学习兴趣与培养学生解决问题的能力。与传统教学方法相比，以任务驱动模式实施教学后，学生到课率显著提高，在后继课程运用数字信号处理解决问题的能力亦有明显改观。

关键词：数字信号处理；心电信号；MATLAB；谱分析；滤波器设计

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）08-0134-04

Abstract： Task-based teaching method is introduced in the course of “Digital Signal Processing （DSP）” to overcome the drawback of traditional teaching method. The chapters of spectrum analysis and filter design are teaching base on the task of analyzing and denoising the Electrocardiograph （ECG）. The task which is taken from a real design of medical apparatus is straightforward and intuitive. It is advantageous to the improvement of students interest and their capability. Compared with the traditional teaching method， students are more willing to attend class with the new teaching method and their capability improves in solving problem with DSP knowledge.

Key words： Digital Signal Processing（DSP）； Electrocardiograph（ECG）； MATLAB； spectrum analysis； filter design

随着信息科学与计算机技术的迅速普及，数字信号处理的理论与应用得到飞跃式发展，已形成一门极其重要的学科。《数字信号处理》已经成为高等学校相关专业的必修课程，在课程体系中处于承前启后的地位，非常重要。

但在《数字信号处理》的讲授过程中，学生普遍反映该门课程数学推导复杂、概念抽象、枯燥难学。而配套的实验多为验证性实验，与生产应用相距甚远，不能有效引起学生的学习兴趣。

针对学生反馈信息，结合实际教学经验，本文提出采用任务驱动教学模式来改善课堂教学与实验教学这两个教学环节，并将该教学模式应用于实践。实践表明，与传统教学模式相比，使用任务驱动模式可以使教学效果有较大幅度的提高。

1 传统教学模式的弊端

在传统教学模式中，《数字信号处理》课程的教学多分为理论教学与实验两个环节。在理论教学中，教师主要通过多媒体讲授相关概念与数学原理；而在实验环节，学生主要通过实验验证理论，以进一步加深对理论知识的理解。

在理论教学中，一般多采用传统的讲授型教学方法，即先介绍概念，再引入数学工具进行推导获得结论，然后讲解例题，最后布置作业。该模式以教师为中心，对学生进行灌输性教学，可有效保证所讲授知识的系统性，但因讲授过程较枯燥，且数学推导复杂，导致学生学习积极性不高，教学效果不近人意。

在实验环节，主要通过引入MATLAB进行一些验证性的实验。MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境，将MATLAB软件应用于《数字信号处理》课程教学与实验中，将教学内容中难以理解的抽象概念、公式与例题的结果用图形的方法直观地表示出来，使学生形象地理解教学内容，并且开拓学生的视野。通过实验环节的引入，可部分缓解理论教学枯燥乏味的缺点。

但在实验环节中，验证性实验的比重较大，实验内容多是对理论教学内容进行验证，部分学生仅机械地运行MATLAB代码，对实验目的一知半解，对知识点的理解也仅仅浮于表面。因此既不利于培养学生解决问题的能力，亦未能有效激发学生的学习兴趣。

通过对《数字信号处理》的后继课程进行观察与调查得知，在《电子技术课程设计》设计频谱分析仪时，能编程实现快速Fourier变换（Fast Fourier Transform， FFT）并充分理解连续、离散信号时频关系的人不到25%，甚至有一半学生根本无法参加该门课程的实践。

2 任务驱动教学模式

任务驱动教学模式最早源自哈佛商学院的“案例式教学”[1]，针对高校理工科教学则在编程语言教学[2-4]中应用尤为普遍。任务驱动教学法，就是在教师的指导下，根据教学目的与要求，组织学生通过对任务的调查、阅读、思考、分析与交流讨论等活动，培养学生分析问题与解决问题的能力，并在此过程中加深学生对基本概念与数学原理的理解。

任务驱动教学法要求以学生为主体，学生在教师的指导下，扮演参与任务、体验任务、完成任务的重要角色。任务不应有标准答案，而是要学生自己去思考、去创造、充分发挥个人的想象，使得枯燥乏味的理论知识变成生动活泼的实践体验。

3 任务的选择与设计

任务的选择与设计是提高教学效果的关键，所选任务需要结合教学大纲要求，应以吸引学生学习兴趣，提高学生分析解决问题的能力为目的，并且任务须尽量选择学生所熟悉的应用作为背景，使学生易于接受。任务的选择需要同时满足以下条件：

1） 化虚为实

数字信号处理涉及很多抽象的概念与复杂的数学原理，如连续信号的时频变换分析、离散信号的时频变换分析，以及如何用离散信号的FFT逼近连续信号的频谱等。但这些内容在生产实践中有广泛的应用。因此可通过实际工程问题导入相关课程内容，做到化虚为实。

2） 贴近生活、生产实践

高校讲授知识的目的不在于让学生通过考试，而在于让学生能将知识应用于实践，解决生产问题。如果学生无法发现所学知识的应用价值，就会迷惘，甚至到最后失去学习动力。因此，在选择任务时必须结合生产实践，使学生学以致用。

3） 难度适中

任务的选择要考虑学生的接受能力与知识水平。过于复杂的任务将使学生无法完成而产生挫败感，久而久之学生就会失去学习兴趣。而过于简单的任务，因挑战性不强将不能有效激发学生的学习兴趣。

4） 目的连贯、覆盖面广

一个任务最好能覆盖多个前后连续的知识点，以便教学时逐步引导学生由浅入深接受知识点，同时达到整合知识的目的。

4 任务驱动教学的具体实施

本文以对心电信号进行处理为应用背景，引导学生进行频谱分析、滤波器设计以讲授课程相关内容。选择心电信号处理作为应用背景的主要原因有以下两点：

1）心电信号的形状在影视剧中经常出现，为学生所熟悉，能引起学生的兴趣。

2）心电信号是人类最早进行研究并应用于临床的一种生物信号，通过对心电信号进行统计与分析，可以详细地了解心脏的生理特性，为心血管疾病的诊断提供重要的依据。因此，如何能有效地提取出清晰、完整的心电信号具有相当重要的意义与临床价值[5]。

然而，由于人体生理机能的纷繁复杂，使得心电信号具有极强的随机性，同时还存在着普遍的噪声干扰。因此在对心电信号进行分析前，必须先对采集的信号进行预处理，以达到所需信噪比的要求。综合上述，对心电信号进行滤波预处理与进行频谱分析构成了心电信号处理的核心环节，具有极强的实际应用价值[6]。

以心电信号处理为任务，可以开展频谱分析、数字滤波器设计两个章节的授课工作。并最后布置一个探索性、提高性的任务供学有余力的学生思考。

4.1 频谱分析

在时域对图1与图3进行对比分析可得，带噪心电信号主要是以标准心电信号为基础，并附加了一个高频分量。在频域对图2与图4进行对比分析可得，带噪心电信号与标准心电信号相比，主要是在50Hz处存在一个干扰峰值。

通过本任务，可以完成以下三个知识点的教学：

1） 如何对信号进行时域分析与频域分析；

2） FFT的应用；

3） 如何用离散信号的离散频谱迫近连续信号的连续频谱。

4.2 数字滤波器的设计

由图4得，受工频干扰的心电信号在频域50Hz处有一干扰峰，可引导学生思考如何滤除该干扰，然后引入下一章节的内容--数字滤波器的设计。在讲授理论内容之前，先布置任务，然后引导学生带着问题听课。

对比时域图可得，滤波后信号（图6）与带噪信号（图3）相比，50Hz干扰得到极大的抑制，同时因设计的是低通滤波器，高频分量全部被滤除，因此滤波后信号（图6）与原心电信号（图1）相比，高频分量丢失严重。若从频域观察，该变化更明显。

4.3 开放性实验

由图6、图7可得，以低通滤波器滤除50Hz工频干扰并不是一种令人满意的解决方案，因为它把50Hz以上的高频分量也滤除掉，造成信号畸变。针对该缺陷，可引导学生从以下三个方面进行改进：

1）更好的解决方案应该是设计带通滤波器，仅仅滤除50Hz附近的频率分量。如此可以避免丢失高频分量[8]。

2）因电能质量不理想将导致谐波干扰，即工频干扰并不仅仅是在50Hz处，凡是与50Hz成倍数关系的频率处，都有可能出现谐波干扰[9]，因此需考虑设计数字陷波器，滤除工频干扰的基波分量与各谐波分量。

3）更复杂的情况是，因电力系统不稳定，会导致工频频率出现±3%的波动。方案一用传统的带阻滤波器滤除工频干扰时，其阻带是固定的，而为了避免滤除心电有效成份，带阻滤波器的阻带通常非常狭窄。当工频干扰的频率波动超出阻带带宽时，带阻滤波器将会失效。为克服工频频率波动的问题，需要用到更复杂的数字信号处理技术---自适应滤波[10]。自适应理论虽然相对复杂，但实现具体算法时仅需简单的四则运算。一些基础比较扎实的学生，仍然可以掌握。

以上三点改进方案已经超出《数字信号处理》的教学要求，但可以作为开放性实验，留给学生讨论，以提高学生分析问题、解决问题的能力。

5 结语

现代课程教学强调三大理念，即学术性、民主性与协作性，同时注重综合性、创新性与实践性。以此为目的，高校教育工作者纷纷探索各种更先进的教学模式。但理工科多以枯燥、复杂的数学原理为基础，由于学科内容的特殊性，和其他学科比较起来，难以在教学过程中实践其他先进的教学方法。同时由于课程内容相对枯燥，传统的教学方式又难以吸引学生的注意力。因此理工科教师在探索先进的教学模式时显得尤为艰辛。

笔者尝试将在计算机编程教学中取得成功应用的任务驱动模式引入《数字信号处理》教学。以心电信号处理这一实际工程应用为案例，讲授FFT、频谱分析、数字滤波器设计等相关章节，取得了较好的教学效果。当学生学习完相关理论，并以理论为指导解决实际工程问题，可极大地提高他们的自信心。同时，学而致用，更能提高学生的学习兴趣。实践表明，任务驱动模式可有效克服传统教学模式的缺陷，极大地提高学生的学习兴趣与积极性。同时后续课程教师反映，采用任务驱动模式开展教学工作后，学生利用《数字信号处理》解决实际问题的能力显著提高。

参考文献：

[1] 熊春荣. “C语言程序设计”课程案例驱动教学模式的研究与实践[J].玉林师范学院学报：自然科学版，2010，31（5）：119-121.

[2] 刘亚楠. 浅析计算机语言VB教学中如何有效应用任务驱动教学法徐茂[J].吉林建筑工程学院学报，2014，31（6）：61-63.

[3] 林海涛. 任务驱动教学法在《Matlab程序设计语言》教学中的实践[J]. 开封教育学院学报，2014，34（1）：80-81.

[4] 刘彩红. 项目化的任务驱动教学法在Java语言课程中的应用[J]. 甘肃科技，2014，30（8）：9-11.

[5] 宾光宏. 心电信号自动检测算法研究及其软件实现[D]. 长春理工大学，2008.

[6] 杜鹏飞. 心电信号的预处理及特征提取算法研究[D]. 郑州大学，2015.

[7] E.W. Kamen， B. S. Heck，. Fundamentals of Signal and Systems Using the Web and MATLAB[M]. 第二版.北京：科学出版社， 2004.342-344.

[8] 钱友峰. 心电信号的预处理和分析[D]. 长春理工大学，2006.

[9] 蔡忠法，陈隆道，陈国志. 基于Adaline神经网络的家用电器谐波分析[J]. 仪器仪表学报，2011，32（7）：1449-1454.

[10] 孙明丽. 用于心电信号去噪的自适应方法研究[D]. 天津理工大学，2014.