基于电子信息工程专业的“数字信号处理”课程教学改革探索

陈思谕

摘 要：“数字信号处理”作为电子信息工程专业的核心课程，文章针对该课程兼具理论性与实践性的特点，从理论教学改革、实践教学改革、课程考核方式改革等方面进行课程教学改革，关注学生学习信心与学习兴趣的培养，采用线上线下混合教学模式，贯彻理论与实践并重的教学理念。教学实践表明，新的教学方法与教学模式，有利于学生理论知识的掌握与实践能力的培养，提升了学生的学习积极性与主动性，理论教学与实践教学效果良好。

关键词：“数字信号处理”;理论教学;实践教学;考核方式

0    引言

“数字信号处理”作为信息处理领域的重要基础核心课程，是电子信息工程本科专业的必修课程，在现代通信领域应用广泛，具有重要的核心地位[1]。该课程具有基础理论性和实践性的特点，在要求掌握相关理论的同时，更强调课程的实践性，注重理论与实践的结合，以理论指导实践，并通过实践验证理论，促进学生对理论知识的深入理解[2]。本课程的主要内容包括时域离散信号和系统的傅里叶分析理论、Z变换分析方法、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换、模拟信号的数字处理、时域离散系统的网络结构理论、IIR与FIR数字滤波器的设计等，通过学习本课程使学生系统掌握“数字信号处理”的基本理论、分析和设计方法。

本课程与先修课程“信号与系统”联系密切，同时也是后续的“DSP原理及其应用”等专业课程的基础课程。该课程具有数学要求较高的特点，许多理论原理及其分析方法都是基于数学推导进行的，其中涉及很多具有一定难度的数学知识，如傅里叶变换、拉氏变换、三角函数与欧拉公式的相关理论、“高数”中积分与级数的相关理论、“复变函数”的围线积分和留数定理等[1]，学生普遍认为该课程许多理论推导和分析方法复杂难懂。

本文基于“数字信号处理”课程的特点与国家新工科课程改革要求，以玉林师范学院电子信息工程专业为课程改革对象，充分考虑本课程理论性与实践性的特点，进行理论和实践的教学改革研究，革新教学理念，改革教学方法，提升学生的学习兴趣和信心，以实现扎实学生“数字信号处理”基础理论、提升学生实践能力、着力培养新时代工程专业人才的课程改革目标。

1    理论教学改革

1.1  渐进、互动式教学，促建学习自信和兴趣

由于本课程所涉及的许多内容具有抽象复杂的特点，学生普遍认为学习困难，容易产生消极畏难的学习心理，挫败学生的学习自信和兴趣，而兴趣是最好的老师，自信能够提升学习的积极性和主动性。因此，提升学生的学习自信和兴趣对本课程的教学尤为重要。

首先，渐进式教学促建学习自信。在教学实例讲解、课堂提问和习题安排中，按渐进式教学原则，由易到难开展教学。例如在序列傅里叶变换的教学中，完成相关理论与公式讲解后，在实例讲解时，先讲解一道简单信号的傅里叶变换，如单位采用序列δ（n）的离散傅里叶变换，此信号只有当n=0时，取非零值δ（n）=1，根据序列傅里叶变换的定义式进行乘积、求和运算即可求出，同学们均表示很简单。接着讲解序列RN（n），u（n）的傅里叶变换，这两个实例的计算依然是根据定义式进行计算，但需要进行乘积、求和的有效项增多，需要涉及到等比数列求和、欧拉公式变换等知识，通过实例的渐进式讲解，学生逐步掌握相关理论，并逐步建立起学习自信。

其次，互动式教学提升学生的学习兴趣。传统的教学方式偏向于老师主讲，学生参与性不强，学习处于被动接受的模式，不利于学生学习兴趣的培养。在本课程的授课过程中，重视师生的教学互动，并结合所讲实例以渐进式的课堂提问方式进行互动。例如在讲解了序列傅里叶变换的实例后，安排相应知识点的随堂练习，让学生积极思考问题，并在解答过程中更深刻地理解知识点，让学生更好地参与到教学中来，如求解的傅里叶变换，通过学习、思考，完成解答，学生能够更加清晰地掌握相关理论，进而提升学生的学习兴趣。此外，课后安排与课堂学习内容相对应的作业，更好地巩固所学内容。在作业安排时，遵循实例、随堂练习、作业的知识点对应，难度逐步递增，覆盖内容全面的原则，使学生在课程学习过程中提升学习信心，培养学习兴趣。

1.2  抽象理论图形化，直观呈现物理意义

“数字信号处理”课程内容具有抽象难懂的特点，许多理论、公式的抽象性，使学生感觉难于掌握其物理意义。基于此，本课程在课堂教学中充分使用多媒体、MATLAB等现代教学工具，将抽象理论图形化，直观地呈现其物理意义[3]。例如在离散傅里叶变换（DFT）教学中，教师讲解DFT定义与物理意义时，学生表示对DFT的物理意义理解模糊，随后教师将DFT的抽象理论图形化，直观呈现其物理意义。如以离散信号x（n）=R8（n）的32点DFT变换为例，结合图1中FT[x（n）]的幅频特性曲线和图2中FT[x（n）]与X（k）的幅频特性曲线进行DFT变换讲解，两个图形直观地呈现了DFT的物理意义：有限长序列x（n）的N点DFT（X（k））即为x（n）的傅里叶变换（FT[x（n）]）在频率区间[0，2π]的N点等间隔采样，采样间隔是2π/N，而且通过图2可以直观地计算出DFT的第k个采样点的频率为2πk/N，同学们表示结合前面从理论、公式角度的理解，抽象理论图形化的讲解方式，使抽象理论直观易懂，理解更深刻。

1.3 利用大学慕课平台，实现线上线下混合式教学

随着网络技术的快速发展，传统的教学模式很难满足当前的教育发展要求，近年来大学的教学方式在探索中不断创新发展，其中慕课平台创新了教学途径，打破了教学的时空限制[4]。玉林师范学院电子信息工程专业“数字信号处理”课程内容多、课时少（理论32学时，实践16学时），课程理论抽象难懂、公式推导繁杂耗时，在有限的课时安排下，难于全面完成本课程的教学任务。因此，学院顺应教育的时代潮流，充分利用大学慕课平台，结合自身实际建设“数字信号处理”慕课，采用线上线下混合式教学模式进行本课程的教学，使课堂教学与线上教学优势互补。在慕课建设过程中，主要按以下步骤进行：首先，组建合理的课程建设小组，并选派年轻教师进行慕课建设培训。本小组由教学经验丰富的老教师、极富教育热情的青年教师、精力充沛的年轻教师组成，职称组成包括教授、副教授、讲师，结构合理，充满活力。第二，进行课程小组课程教学研讨、组织资深教师授课研讨、咨询本课程教学专家听取意见和建议，然后梳理课程知识体系，按概念、原理细化知识点，为慕课建设做好准备工作。第三，按细化的知识点录制高质量教学短视频，完成PPT课件的制作，并根据课程教学内容编撰高质量课程单元习题。最后，将视频、课件、习题等上传到慕课平台，并完成课程建设后续工作。慕课程建设实现了该课程线上线下混合式教学，对本课程教学具有重要辅助教学作用。首先，线上慕课解决了本课程内容多、课时少的冲突，课堂教学可将重心放在核心理论、知识的讲解，以及学生问题的解答，而繁杂的理论证明、推导可通过慕课线上教学进行。其次，慕课教学视频采用短视频的方式呈現，学生可以利用碎片时间进行学习，有效缓解了学生的学习压力。第三，教师可以通过慕课平台的学情统计功能，及时掌握学生的学习情况，并根据具体教学情况及时调整、完善教学方案。第四，师生间可以通过慕课平台的互动功能增强互动，还可以在课堂教学中采用慕课堂小程序发布随堂练习，进行即时的互动教学。整体而言，慕课建设提高了教学效率，并收到很好的课程教学效果。

2    实践教学改革

“数字信号处理”作为工程应用类型的核心课程，既要有扎实基础理论，更要培养学生的实践能力和运用所学知识解决实践问题的能力[5]。

2.1  充分使用MATLAB仿真软件

MATLAB软件作为高效的数值处理、仿真计算软件，该软件具有强大的数字信号处理函数库，是数字信号处理中信号分析与算法仿真的有效工具[6]。由于“数字信号处理”的许多理论、算法具有抽象复杂的特点，单从理论、公式的角度理解具有一定难度，因此为了让学生更直观地理解抽象理论，本课程采用MATLAB软件仿真进行辅助教学和实验教学。根据相关原理和算法，设计MATLAB程序实现理论的仿真实践，并通过相关参数的设置与修改，从仿真结果中直观地展现相关理论，以及实验的物理意义，有助于学生从实践中掌握理论，提升实践能力。

2.2  软件与硬件相结合，提升实践能力

在“数字信号处理”的实践教学中，采用软件与硬件相结合的教学模式，致力于培养学生的实践能力[7]。首先根据实验原理、算法编写MATLAB程序，并根据实验要求设置相关参数，实现数字信号处理的理论仿真，然后借助DSP实验教学平台实现相关理论。例如在IIR数字滤波器的设计与信号滤波实现的实验中，首先根据实验原理与设计要求，在MATLAB软件进行实验仿真，然后在DSP实验教学平台实现IIR数字滤波器设计与信号滤波，从理论算法到软件仿真，再到理论实验、结果验证，给学生展现了完整的数字信号处理从理论到应用的实践过程，提升了学生的学习兴趣，加深了理论知识的理解，有助于培养学生的实践能力。

此外，在学期中后期阶段，安排课程综合实践设计，并作为期末成绩考核的重要组成部分，推动学生将理论与工程实践相结合，运用所学知识解决工程实践问题，从实践角度加深对理论知识的深刻理解，提升学生的实践能力和创新精神。

3    课程考核方式改革

本课程具有理论性与实践性并重的特点，在强调理论指导实践的同时，又注重实践的重要性。以往注重理论，不重实践，以期末考试为主，平时考核为辅的考核方式已不能很好地反映教学的真实情况，所以课程考核方式改革至关重要。为了能够更好地提升学生的学习积极性、主动性，更好地体现教学真实效果，本课程进行了课程考核方式改革，本课程成绩由期末理论考试成绩（40%）、作业成绩（10%）、课堂平时成绩（15%）、课程实践成绩（35%）组成。其中，课堂平时成绩包括课堂回答问题、参与教学互动、到课情况、慕课堂随堂练习记录的成绩等;实践成绩包括课程实验成绩（20%）、课程综合实践成绩（15%）。本课程考核方式改革不仅体现了本课程理论性与实践性并重的教学理念，作业成绩和课堂平时成绩能够很好地反映出学生平时的学习情况，课程考核强调平时成绩促使学生积极参与到教学中来，提升了学生的学习积极性和主动性。通过考核方式改革使课程考核更完善，学生不仅扎实了理论知识，还提升了实践能力，教学效果良好。

4    结语

本文根据新时代工科人才培养要求，基于“数字信号处理”课程的理论性与实践性的特点以及课程教学难点，主要从理论教学改革、实践教学改革、课程考核方式改革等方面进行课程教学改革。教学实践表明，新的教学方法与教学模式有利于学生理论知识的掌握与实践能力的培养，提升了学生的学习积极性与主动性，理论教学与实践教学效果均取得良好效果。

[参考文献]

[1]郭东亮.面向新工科人才培养的数字信号处理教学研究[J].大学教育，2020（8）：135-137.

[2]王秋生，富立，王玲玲.面向工程实践理念的“数字信号处理”课程建设[J].电气电子教学学报，2020（4）：128-133.

[3]孔令杰.应用型人才培养模式下的《数字信号处理》课程教学探究[J].中国教育信息化，2019（19）：77-81.

[4]王恩亮，李桂枝，黄世钊.基于慕课的数字信号处理课程教学改革研究[J].集宁师范学院学报，2020（3）：86-89，94.

[5]王莉，沈捷，张印强.面向实践创新能力培养的数字信号处理实验教学改革[J].西昌学院学报（自然科学版），2018（3）：116-119.

[6]纪萍，吴静妹，胡徐胜.基于MATLAB的数字信号处理课程的教学研究[J].西昌学院学报（自然科學版），2017（3）：117-120.

[7]赵雪英，汪江，宫元九.数字信号处理课程综合实验设计[J].辽宁大学学报（自然科学版），2017（2）：184-187.

（编辑 何 琳）