课设任务驱动下数字信号处理课程教学方法研究

郑雁翎

摘  要 数字信号处理课程的特点是理论性强、概念抽象，工科学生在学习过程中很难把课程内容与工程实践问题相联系，课程对学生的数学基础要求高，前驱课程理论知识要求扎实。因此，学生普遍对该课程的学习积极性、主动性不够高。为了既能让学生主动学习、自主探究，又能够满足新工科背景下人才培养的要求，提出课设任务驱动下的课程教学方法设计，将课设任务引入整个教学过程中，让学生在学习知识点的时候，如同在研究一个个小的课题。从近两年教学实践来看，课设任务驱动教学能够有效提高教学效率，激发学生学习兴趣。该方法同样适用于工科其他专业课的教学。

关键词 数字信号处理；课程设计；教学方法；任务驱动；IIR数字滤波器

中图分类号：G642.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）14-0089-03

Abstract The course of Digital Signal Processing is characterized by strong theory and abstract concept. It is difficult for engineering stu-dents to connect the course content with engineering practice pro-blems in the learning process. The course has high requirements for students mathematical foundation and solid theoretical knowledge for the precursor course. Students are neither active nor active in lear-ning. In this paper， it is proposed that a curriculum teaching method driven by the curriculum design task in order to enable students to study actively and explore independently， and meet the requirements of talent training under the background of new engineering. The curri-culum design task is introduced into the whole teaching process， so that students learn knowledge points as if they are studying a small topic. From the teaching practice in the past two years， the teaching method by curriculum design task driven can effectively improve teaching efficiency and stimulate students interest in learning. This method is also suitable for teaching other engineering courses.

Key words digital signal processing; curriculum design; teaching method; task driven; IIR digital filter

0  引言

课设任务驱动下的教学方法，即根据教学内容将课程设计任务分解成子课题，进行理论与实践紧密结合的教学：理论课上引入课题任务，进行引导式和讲授式教学；实验课上进行课题的设计与实施，采用启发研讨式教学方式；课外组织创新拓展实践，积极采用“互联网+”的自主式和协作式学习模式。针对数字信号处理课程，在教学过程中引入课设题目，理论课中，提出与课程内容相关的课程设计题目，围绕设计题目所用知识点展开讲解，激发学生兴趣，使学生愿意主动探究；实验课中，针对课设任务中的某个指标要求进行实验设计、仿真并得出结论；课后，学生根据课设内容进行拓展，分小组进行实践内容设计与实践。复杂的理论教学过程变成一个个小的设计课题，有助于学生从理论到实践再到应用创新的完美结合。

1  数字信号处理课程分析

数字信号处理课程的特点是理论性强，概念抽象，工科学生在学习过程中很难把课程内容与工程实践问题相联系。数字信号处理课程的前驱课程包括高等数学、复变函数、积分变换等数学基础课程，数字电路、信号与系统、MATLAB语言等专业基础课程。目前，宝鸡文理学院的数字信号处理课程开设在电子信息及自动化专业大三第二学期，对学生的数学基础、专业课基础要求高，加之内容复杂抽象，在近年教学中，学生学习的主动性、积极性不够。针对这些问题，对电子信息及自动化专业的数字信号处理课程建设进行深入探索，提出课设任务驱动下的教学方法研究和设计。通过不断探索并改革教学方法，不但要消除学生对课程的畏惧心理，而且要让学生主动学习、自主探究，把所学知识应用于工程实际问题的解决中[1]。

2  课设任务驱动下的数字信号处理课程教学方法设计与实施

2.1  课设任务驱动下的教学方法设计

2.1.1  理论教学方法设计  传统的理论课教学是从知识点出发开始讲授，结合大量运算和推导等。学生把更多的精力集中在理论知识的推导和运算上，而忽视工程实际应用，这不符合新工科背景下培養应用型人才的要求[2-3]。基于课设任务驱动的理论课开展，注重工程实践，每个新的知识点都结合一个课程设计题目，从工程实践项目的实例出发，引出知识点，课堂从实际工程实例导入。

2.1.2  实验教学方法设计  数字信号处理课程具有很强的工程性和实践性，因此，实验教学环节是该课程必不可少的环节。传统的教学方法多以验证性实验为主体，学生通过虚拟仿真软件对教师课堂讲授的知识进行验证性仿真，加强理解理论知识。然而，这样的验证性实验不能直观地让学生理解课程的工程应用价值。因此，在教学过程中减少验证性实验，增加基于课设项目的设计性实验。选择的课设题目必须与工程实践紧密结合，设计指标应该接近或者完全按照实际应用指标要求，以此提高学生所学知识的综合应用能力，帮助其树立正确的工程价值观[4]。

2.2  教学方法的实施过程：以IIR数字滤波器设计及实现为例

2.2.1  IIR数字滤波器理论课程设计  理论教学过程中，通过多媒体演示工程实践的声音、图像信号的处理过程，学生能够非常直接地看到整个数字信号的处理过程，从而产生理论学习的兴趣，明确理论学习的目的和要求。理论知识点主要讲授IIR数字滤波器的设计方法：脉冲响应不变法和双线性变换法。以应用最广泛的双线性变换法为例，其基本设计过程是：将给定的数字滤波器的指标转换成过渡模拟滤波器的指标；设计过渡模拟滤波器；将过渡模拟滤波器系统函数转换成数字滤波器的系统函数。

2.2.2  IIR数字滤波器实践教学过程设计

1）提出设计目标任务。在设计任务驱动下，在实验教学中首先提出设计目标，让学生进行设计、仿真，再根据仿真结果得出结论。如在设计IIR数字滤波器时，图1所示为复合信号s（t）的时域波形和幅频特性曲线，由三路调幅信号叠加构成。由图1可见，三路信号时域混叠无法在时域分离，但频域是分离的，那么如何通过滤波的方法在频域分离呢？带着这样的任务目标，启发学生思考，使其主动进行分析设计。

2）联系理论知识分析思考。由复合信号s（t）的幅频特性图可知：频谱图中有三个滤波器，分别为低通滤波器、带通滤波器和高通滤波器。进而确定滤波器的通带和阻带截止频率，并要求其阻带的最小衰减通常为60 dB，通带的最大衰减可以为0.1 dB。抑制载波单频调幅信号的数学表达式如公式所示：

其中，cos（2πfct）为被调制波（即载波），fc为载频（即载波频率）；cos（2πf0t）为单频调制信号，f0是其调制频率，且fc＞f0。由公式（1）积化和差后可知：信号s（t）是由关于载频fc对称的2个频率成分的正弦波信号叠加而成，其对称的2根谱线频率分别为和频fc+f0及差频fc-f0。从图1可以得到250 Hz、500 Hz、1 000 Hz分别为复合信号的三路载频[5]。

假设g（t）是无直流成分的连续带限调制信号，那么s（t）=g（t）cos（2πfct）通常表示为一般的抑制载波调幅信号。其频谱图有2个边带（上、下边带），且关于载频fc对称。若g（t）是具有直流成分的调制信号，则s（t）=g（t）cos（2πfct）是包含载频成分的一般的双边带调幅信号，其频谱图也是有关于载频fc对称2个边带（上、下边带）的频谱。

3）动手设计，得出结论。用MATLAB编写程序，完成滤波器的软件设计。

首先，调用函数buttord和butter完成设计三个巴特沃斯滤波器，同时绘制幅频响应特性的曲线图并显示。

其次，调用函数filter实现s（t）信号的滤波，并从调幅信号s（t）中分离出y1（n）、y2（n）和y3（n）不同载频的三路信号，与此同时，绘图并显示三路信号的时域波形图，分离效果图如图2所示。

2.3  课后拓展

课后拓展部分主要是把工程實践问题带入设计。数字信号处理在声音、图像等信号的去噪中广泛应用，这些信号和学生的生活实际息息相关，容易被学生接受和理解。因此，针对IIR数字滤波器，不同的小组分别设计声音信号的去噪、图像信号的去噪。学生可以选择录取组员男、女同学声音信号进行处理，也可以选择自己喜欢的组员照片进行处理，将处理结果与理论分析结果对比，理解滤波算法并掌握其应用。课后拓展为学生走上工作岗位奠定坚实的基础。

3  教学效果评价

基于课设项目驱动的数字信号处理课程教学方法，在宝鸡文理学院2016级、2017级电子信息及自动化专业应用实施，从课堂到课率、课堂讨论参与率、实验课程动手情况来看，该教学方法得到良好效果，学生普遍反映良好，学习热情、积极性普遍很高。一些喜欢研究、动手能力强的学生还会应用所学知识主动参与大学生创新创业项目，近两年获批多项省级、校级大创项目。

4  结束语

数字信号处理已经被广泛应用于现代通信、控制、电子技术所涉及的各个行业，需要大量高素质应用型人才。为了适应人才培养的要求，需要不断改革探索更加适合的教学方法。基于课设任务驱动的数字信号处理课程教学方法设计，让学生从学习理论知识开始就有明确工程设计目标，了解工程应用领域，在实验环节和课后实践环节完成一个完整的课设项目。整个知识点的学习就是在一个个小的项目驱动下完成，让学生把抽象的信号函数与实际工程量相联系，让人才的培养服务于社会。该教学方法也适用于其他工科专业课，让学生在学校的学习生活中打下良好的工程基础。

参考文献

[1]李利，陈刚，田雪莲.项目驱动在“数字信号处理”课程教学中的应用[J].实验室研究与探索，2015（12）：169-170，178.

[2]孙晓娟.新工科背景下计算机控制技术课程教学方法设计[J].中国教育技术装备，2019（18）：60-62.

[3]韩建，牟海维，姜晓岚，等.新工科背景下数字信号处理课程教学方法探讨[J].教育教学论坛，2019（11）：185-186.

[4]刘文斐.基于虚拟仿真的“数字信号处理”课程教学改革探索与实践[J].齐鲁师范学院学报，2019（1）：34-41.

[5]高西全，丁美玉.数字信号处理[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2016.