案例库建设在《现代信号处理》课程教学中的应用

姜晖 朱明哲 武洁 王满满

摘 要：针对现代信号处理课程在现有教学过程中存在公式多和公式推导复杂的特点，在教学中采用了案例式教学法，通过设计与教学内容结合紧密的实验案例，将教学内容以案例的形式进行分解，使学生参与到课堂的教学活动中，较好地建立起知识点和实际应用的关联，便于对知识点形成较好的认知。通过研究生教学过程中的实践，说明案例教学对促进学生知识点掌握和提高相关知识在具体应用领域的研究能力具有良好的作用。

关键词：案例库; 现代信号处理; 教学方法

中图分类号：G642            文献标识码：A      文章编号： 1006-3315（2020）9-117-001

现代信号处理是一门理论与实践紧密结合的研究生课程[1]，是电子与通信工程、信息与通信工程硕士研究生的一门主干课程，具有理论性强、抽象概念多、数学推导严密且难度大、应用于广泛的电子领域，而且相应的理论、方法和技术一直处于不斷的发展和变化之中，导致学生难学、不易理解、方向不易把握。同时在实际的教学过程中，大多采用讲课加课后复习为主，这也进一步加大教学效果很难达到预期。因此需要改革教学方法手段，启发学生创新性思维，强化工程实践素质培养，提高学生的理论及应用水平。

通过“案例库建设”的教学方式[2-4]，加强师生、生生之间的多向互动和积极研讨等形式，形成的案例库反哺学生的学习和科研工作，让学生在整个过程中不断提高自身发现问题、分析问题并解决问题的科学素养，为研究生阶段的科学研究提供多方位的思路，培养学生文献调研、学习借鉴与创新的能力，这也符合目前国家提倡的新工科的教学理念，它将理论知识教学转化为学生的更多自学，并正确应用到工程实践当中。

一、案例库设计

1.思路及原则

“现代信号处理”作为信息科学中发展十分迅速的一门专业基础学科，理论性强、抽象概念多、起点高、难度大、数学推导严密。因此合理的案例设计是保证教学效果的关键，案例既要涵盖现代信号处理的主要理论知识，又要和实践应用相结合。同时案例要按照理论知识讲解的进度进行合理分解，保证学生在做任务过程中学习理解相应的理论知识。因此案例库在设计的过程中必须满足典型性、实用性、启发性的原则。

2.案例库详细设计

我们将按照这四个板块进行案例建设[5]，在每个板块拟建设3至4个案例，现以本书第二章短时傅里叶变换为例。本案例涉及数字信号处理中的联合时频分析方法，这种方法形成了二维域，在该二维域中能够表示信号能量随时间变化的规律。通过Matlab语言编程来观察短时傅立叶变换（STFT）对非平稳信号频谱的分析结果，涉及的知识点主要有现代信号处理中的傅立叶变换、短时傅里叶变换理论基础方面、窗口函数的选用、Matlab编程仿真等方面内容。

现对一个原始语音信号加一随机的噪声信号，首先通过仿真结果对比发现加噪后的语音信号的时域波形比原始信号浑浊了许多，并且在频率5000Hz以后的频率幅值发生了明显增加。再通过对比原始信号与加噪后信号的回放效果，我们还能够发现人耳可以明显辨别出两种语音信号的差异性。

最后，我们用FIR低通滤波器对加噪语音进行滤波处理，并将其频谱和时域波形与滤波前进行比较。由于短时傅立叶变换是时频分析的重要工具，能够解决傅立叶变换所不能分析的时变信号和非平稳信号，但存在Heisenberg的不确定性，因此它不能同时在时域和频域达到很高的分辨率。

为了更好的对信号进行分析，我们要根据不同的信号在不同的时域和频域的要求，必须选择适当的时域或频域分辨率。

通过案例库的教学初期准备工作，并结合学生的后期参与，提高学生和教师的互动，以及学生的自我学习和相互讨论能力的训练。案例教学是深化研究生教育综合改革的重要内容，是改革教学方式的重要探索，是继情境教学、讨论式教学、翻转课堂的又一种新的教学方法。

三、结束语

针对实际教学中出现的问题，开展案例教学方法的研究与实践，使学生不仅能够掌握现代数字信号处理的基本理论与方法，而且具有独立分析、解决实际问题的创新能力，对促进教学工作，提高教学质量，培养研究生实践能力方面具有重要意义。

参考文献：

[1]陈纯锴，关雪梅，徐妮妮，王少娜.现代数字信号处理研究生课程教学案例库建设[J]高师理科学刊，2018，38（2）：80-83

[2]陶丹，胡健，陈后金.“信号与系统”课程案例教学探讨[J]电气电子教学学报，2015，37（5）：55-57

[3]孙军伟，黄春.建设研究生课程案例库，保障高水平应用型人才培养[J]中国电力教育，2016，（1）：78-81

[4]赵明，廖志芳，杨柳，易茜.软件工程核心课程教学案例库建设以及案例教学实践[J]计算机教育，2019，（8）：32-35

[5]胡广书.现代信号处理教程[M]清华大学出版社，2010