基于数字信号处理课程的教学实践与探索

初萍

摘 要 针对数字信号处理课程教学过程中碰到的问题，对教学过程中采用的方法及实验设置进行了改革探索，首先强化数字信号处理系统的概念，明确本课程在实际数字信号处理系统中的作用，其次及时对章节内容进行梳理，能熟练抓住理论的知识点及相互之间的关系，并且在实验的环节中设置与个人相关的实验内容，调动学生学习的积极性，收到了较好的教学效果。

关键词 数字信号处理 教学实践 实验设置

随着信息、通信、计算机科学与技术的迅速发展，数字信号处理理论得到快速的发展，它被广泛地应用于科技领域，如通信、生物、医学、航空航天及国防军工等，推动了现代社会和科技的发展。[1]数字信号处理课程是各大院校相关专业的一门重要专业基础必修课程，深圳大学信息工程学院将“数字信号处理”课程作为全学院各专业学生的学科专业核心课程，设置于大学三年级上学期，对前期需要微积分、复变函数、概率统计、信号与系统等课程为基础，对后期是随机过程、数字图像处理、语音信号处理等课程的基础课程，所以它在本学院的专业课程中起着重要的作用。

数字信号处理是一门以算法为核心的理论性很强的课程，由于该门课程的概念比较抽象，理论推导需要较深的数学基础，学生理解和掌握这门课程具有一定的难度，而且抽象的理论学习过程碰到问题时容易打击学生的学习积极性，为了改善学生的学习积极性以及提高教学效果，从2015年起，本学院电子信息工程专业的数字信号处理课程在教学过程中加入了仿真实验环节，实验以Matlab软件为基础，与教学内容相对应，对难以理解的理论部分设置实验环节，通过可视化的图形来加强学生对理论的理解，实验的设置对教学效果起到了良好的鞏固作用，加强了学生对理论知识点的理解，并调动了学生对课程的学习积极性。

1 教学情况及常见的学习问题

针对数字信号处理课程在教学过程中存在的理论学习难理解、较抽象的问题，很多学校或老师采用了Matlab仿真实验课堂演示或是Flash演示的方法，[2]也有部分学校增加了实验环节，[3]都收到了一定的效果，本学院的电子信息工程专业也从2015年开始增加了Matlab仿真实验环节，其中的仿真实验设置了七个实验，包括两个设计性实验，内容涵盖卷积、相关运算、LSI系统表征、FFT应用、滤波器设置等数字信号处理的关键理论内容。

笔者参与了所在学院电子信息工程专业的数字信号处理实验内容设计，并且在新的实验内容设置后，承担了2015年和2016年两个学期的教学工作，通过教学过程中的实践情况，对现在教学过程中的情况进行总结。由于Matlab仿真软件的可视化，通过仿真实验的设置，学生可以比较直观的看到仿真图形，验证课堂的理论内容，收到了较好的实践效果，但是实践过程中存在的问题有：一方面虽然Matlab软件比较容易使用，但是对于没有基础的同学来说刚使用Matlab软件还需要一个过程，另外一方面，实验内容设置为固定内容，很容易照搬其他同学的程序，还有一个问题就是仿真结果仍然是电脑显示的图片等方式体现，不能具体实物操作，感受不到数字信号处理在实际中的技术应用，所以在前期教学实践的基础上仍需要进一步思考数字信号处理的教学方式。

2 教学探索实施的情况

针对教学过程中碰到的问题，对教学过程中的一些方法进行了改进加强，并且在实验课中设计了一些学生感兴趣的实验，进一步巩固理论知识，并且让学生可以切身体会到数字信号处理的实际系统中的作用。

2.1 加强数字信号处理系统的概念

通常数字信号处理课程的绪论中，我们都会讲解数字信号处理的系统框图，如图1，给学生介绍数字信号处理的流程，但是一般情况下绪论的内容我们都做简单的介绍。

而实际教课过程中如果以数字信号处理系统框图为基础，举一个与每个人息息相关的数字信号处理的例子，学生可以非常好地理解数字信号处理在生活中的应用，而且能激发学生的学习兴趣。比现在手机是每个人的必备用品，尤其学生经常玩手机，笔者就尝试在课堂上将图1中的数字信号处理框图与手机收发文字信息和语音信息的处理过程结合，给学生讲解数字信号处理过程及数字信号处理课程在处理过程中的作用，课堂上收到了很好的反馈信息，通过这个方式学生很容易理解了数字信号处理的过程及作用，使得数字信号处理这门课程不再抽象，而且通过数字信息和语音信息的不同处理过程还可以了解不同应用场合下的数字处理过程，还提升了大家对数字信号处理课程的好奇心。

2.2 及时整理课堂内容

具体课程讲解过程中要与系统应用结合起来，说明对应系统处理的作用及地位，这样学习过程中不会将数字信号处理理论作为数字的理论来学习。本学院选用的数字信号处理教材是清华大学程佩青教授的《数字信号处理教程》，[4]课本内容知识点内容展开非常详细，在学习过程中有部分同学出现抓不住要点而去记忆一些性质及结论，结果反而导致学习过程混乱，所以在讲课过程中及时的对章节内容进行逻辑关系整理，并说明在整个数字信号处理系统中的位置和作用变得非常关键。以第1章内容为例，简单说明总结的方法，如图2所示，1章结束之后对整章的知识点进行总结，说明各小节之间相互的关系及每小节包含的知识要点，在图2的基础上还可以进一步扩展，这样学生对每章的学习内容思路就会非常清晰。

2.3 设计学生可以切身体会的实验

为了更好地理解巩固理论知识，我们设置了实验环节，其中我们设计了分析声音信号的频率特性的实验，为了激发学生的兴趣，我们要求学生对自己的声音录音，然后使用Matlab软件对自己的声音信号进行分析，分析过程中分别采用FFT的方法和CZT变换的方法。图3和图4是其中一组同学完成的仿真结果。其中图3分别展示了原始录音的信号波形及直接50000点的频谱分析的结果，图4是声音信号50000点FFT的结果与1024点CZT变换分析的结果对比。

实验中，学生首先通过FFT的方法得到了声音信号的频率范围，并锁定了自己声音频率最集中的频率点大概为200Hz，接下来利用CZT变换的原理在198Hz-200Hz频率范围内应用1024点的CZT得到了更细节的频率特性，锁定更精确的个人声音频率集中点为199.4Hz。通过实验同学们完全掌握了FFT变换在信号频谱分析过程中的作用，而且深刻理解了CZT在实际应用中的价值。

3 总结

数字信号处理课程实践过程中的探索在教学的过程中收到了比较好的效果，学生能在系统应用的角度上去理解数字信号处理课程的作用，设置的灵活性的实验可以激发学生对课程的学习积极性，并且可以切身去体会数字信号处理理论在科技领域中的应用与地位，使得学习过程不再是单纯的理论学习，并且能更好地理解理论点，为本专业接下来其它课程的学习提供了良好的理论基础。而且现在随着现在通信工具的进步，微信已经成为大家不可缺少的一项通信工具，可以尝试建立课程班级的微信群，这样可以更实时地解决学习过程中碰到的问题，作者本学期的课程已经在尝试这种方法，预计会发挥比较好的作用。通过实践中的不断修正、探索，本文提出的方法对数字信号处理课程的学习具有比较好的实践意义。

参考文献

[1] 陈俊杰，周晖.数字信号处理课程教学改革初探[J].中国教育技术装备，2016（12）.

[2] 余颖，肖静，刘树博.数字信号处理课程教学改革的探索和实践[J].东华理工大学学报（社会科学版），2011.30（3）.

[3] 陈敏歌.巧用MATLAB愉悦数字信号处理课堂教学[J].科教导刊，2012（3）.

[4] 程佩青.数字信号处理教程[D].北京：清华大学出版社，2013.2.