渐进式学习下的“数字信号处理”实验教学研究

魏洪峰

摘要：为了适应当前社会对电子通信等专业人才的需求，文章结合学科的发展和课程的特点，探析了“数字信号处理”课程实验教学的改革，主要表现在整合教学内容、丰富教学手段、运用多样化等渐进式学习的实践教学，注重培养学生的动手能力和解决问题的能力。

关键词：渐进式学习；“数字信号处理”；实验教学

中图分类号：G642.0

文献标志码：A

0 引言

随着信息技术的发展，数字技术的应用越来越广泛，“数字信号处理”课程的重要性日益突出。“数字信号处理”课程理论性强，概念抽象，知识点难于理解和掌握，学生在学习过程中缺乏主观能动性，学习兴趣不高。为了适应市场对应用型人才的需求，改变教学实践环节与人才能力的培养严重脱节的现象，改进实验教学方法、教学手段和教学内容等势在必行。根据学科的特点，教师应对实验教学模式做出适当的改革，采用适合学生实际的实验教学方法，增强实验教学效果，使学生能学以致用、学有所得，提高课堂的教学效率。

1 “数字信号处理”课程实验面临的问题

“数字信号处理”作为高等院校电子信息类专业的主干课程之一，具有技术更新快、理论和实践并重的特点，但是实验课不易开展，即使开设了实验课，验证类的实验课居多，而系统仿真类的实验课几乎没有。在课程教学中，教学方法盲目照搬，应用和理论划分不清，没有自己的特色；学生动手能力欠缺，不具备一定的分析问题和解决问题的能力；教学内容存在理论验证过多，综合性与设计性内容较少的主要问题，借助MATLAB软件编程验证理论结论过多，图像演示、模型设计、滤波器分析等过少，综合性与设计性的内容欠缺，不利于学生知识结构的全面发展和分析问题、解决问题能力的培养^［1-2］。

1.1 教学过程中，与其他学科的衔接较少

“数字信号处理”课程在电子专业各教学环节中起着承上启下的作用，前修课程为“信号与系统”，后续课程有“通信原理”“移动通信”和“DSP技术”等。“数字信号处理”课程和“信号与系统”课程在数字篇有很大的重复性，“信号与系统”课程的重点是连续信号与系统的分析和处理，强调基本概念、变换和方法的学习，主抓思维模式和研究方法，数字部分的研究很少；而“数字信号处理”课程则着重离散信号与系统的分析和处理，强化工程应用和系统设计，与“信号与系统”课程既有联系又有本质的区别^［3-4］。另外，实验课程教学为后续课程的铺垫很少，基本围绕本课程的知识体系进行教授，不能与其他课程做好衔接，不能把电路设计、PCB制版等联系在一起。

1.2 教学的目的性不强，教学效率不高

“数字信号处理”课程教学一般只是围绕课本的基础知识点进行验证，不能借助MATLAB软件和DSP硬件平台实现“数字信号处理”课程的设计，只是利用MATLAB软件做了一些简单的原理和方法的验证，设计类、仿真类和系统综合类的实验基本没有涉及，所学知识不能有机结合，也不能很好地利用教學资源，教学效果和教学效率很低^［5-6］。

1.3 教师指导性强，学生的主观能动性差

教学方法上，教师不关心学生的个体差异，教师唱主角，一味地知识灌输，违背了“因材施教”的教学理念；学生常常处于被动的学习状态，缺少学习的主动性和原动力；课堂上缺少学生的积极参与，教师只让学生完成设定的任务，学生的主观能动性不好，不利于学生自主学习和独立能力的培养，造成学生对实际问题的分析和解决能力欠缺，对学生就业上岗等不利，也达不到实验的预期效果。

2 实验教学改革具体实施内容

如何帮助学生提高解决实际问题的能力，以适应人才培养的需要，是“数字信号处理”课程的实践教学所要解决的关键问题。优化该课程体系、丰富教学手段、运用多样化的实践教学、改革考核方法等环节都会影响课程教学效果，只有对各环节总体规划、协调建设和改革，才能取得更好的教学效果，增强学生学习本课程的热情和兴趣，提高学习质量。

2.1 强化理论知识模块，掌握课程知识体系

通过课程的理论知识讲解，使学生掌握课程的理论内容，在深入分析课程理论内容及组成结构的基础上，培养学生探索创新能力，提升学生的学科知识掌握和运用能力。

以“信号的运算”知识点为例，实现两个不等长的有限长序列的加法运算，对应程序如下，结果如图1所示。

程序：

n1=1：4;

x10=［1 0.7 0.4 0.1］;

n2=3：8;

x20=［0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1］;

n=1：8

x1=［x10 zeros（1，8-length（n1））］;

x2=［zeros（1，8-length（n2）） x20］;

x=x1+x2;

subplot（3，1，1）; stem（n，x1）;

subplot（3，1，2）

stem（n，x2）;

subplot（3，1，3）; stem（n，x）;

通过编程仿真，学生能对所学的知识点加深理解和掌握，能修正学习中遇到的问题，提升学生的学科知识掌握和运用能力。

2.2 促进学生的自主学习能力，掌握软件语言编程

根据“以学生的能力培养为目标”的教学理念，发挥学生的主观能动性，让学生运用学过的C语言程序设计和MATLAB语言程序设计知识，根据实验大纲里给出的实验内容进行自主编程设计，可以了解语言编程在本课程软件设计实验中的应用，也可以加深对语言程序设计的掌握和运用，了解MATLAB软件仿真过程，并通过验证性的基础实验加深对课程知识的理解和掌握。

以离散傅立叶变换的知识点为例，利用MATLAB语言进行编程实现。例如：实现N=16的有限序列x（n）=sin（nπ/4）+sin（nπ/8）的DFT，对应程序如下，结果如图2所示。

程序：

N=16;

n=0：1：N-1;

xn=sin（n×pi/8）+sin（n×pi/4）;

k=0：1：N-1;

WN=exp（-j×2×pi/N）;

nk=n-×k;

WNnk=WN.^nk;

Xk=xn×WNnk;

subplot（2，1，1）

stem（n，xn）;

subplot（2，1，2）

stem（k，abs（Xk））

通过编程仿真，学生既掌握了MATLAB语言程序编程的要点，又巩固了对应的知识点，加深了对课程知识的理解和掌握。

2.3 多门课程相综合，拓宽知识体系

将“数字信号处理”课程群多门课程的知识综合在一起，制定综合性设计实验。把DSP硬件模块与之相结合，开展综合设计实验，突出MATLAB软件仿真和DSP硬件设计的两种设计方案，培养学生软件编程和硬件开发的能力，再拓展学生的创新能力。

以可调电压的单电源供电的电源电路设计为例来实现硬件电路设计。TPS7301提供了可调节的输出电压，其调节范围为1.2～9.75 V，可改变两个外接电阻阻值实现可调电压的单电源供电的电源电路设计，具体电路如图3所示。

通过硬件设计，学生掌握了多门课程的关联知识，其创新能力得以拓展，硬件开发能力得以提升。

2.4 通过建模仿真，奠定学生科学研究的基础

在实验中设定模型仿真环节，可以把“数字信号处理”课程群多门课程的知识进行综合，使学生建立系统整体设计的理念，加强学生对专业应用能力、自主学习能力和解决问题能力的培养。

建模仿真是以MATLAB为平台，利用DSP Builder完成的。DSP Builder是Altera推出的一个开发工具，可以在Simulink中进行图形化设计和仿真，利用DSP Builder进行设计的流程如图4所示。

DSP Builder设计流程的第一步是在MATLAB的Simulink环境中建立一个mdl模型文件，用图形方式调用Altera DSP Builder和其他Simulink库中的图形模块（Block），构成系统级或算法级设计框图（或称Simulink设计模型）；第二步是利用Simulink强大的图形化仿真、分析功能，分析此设计模型的正确性，完成模型仿真。

利用DSP Builder，以3阶FIR滤波器模型为例仿真的图形和结果如图5—6所示。

通过建模仿真，可以把多门课程的知识进行综合，使学生建立系统整体设计的理念，奠定学生科学研究的基础，加强学生对专业应用能力、自主学习能力和解决问题能力的培养。

2.5 完善教学质量监督体系，加强实验教学管理

所有实验教学手段的目的都是希望提高教学质量，全方位、多元化的考核体系有助于激发学生的实验兴趣和加强实验教学的规范化管理。实验教学中，保证实验学时完满、实验内容充足、学生的出勤率高、保证学生的实验设计方案正确可行、实验中学生操作规范、课后的实验报告撰写要满足要求等，采用多元化考核办法进行综合评定，注重考评方式的多样化和考评指标的规范化，以保证学生实验成绩和教师教学

效果检验的客观公正性，使學生更加重视实验实践教学环节，由被动学习转向主动学习。

3 结语

教师通过整合教学内容、丰富教学手段、运用多样化等渐进式学习的实验教学，改变了传统的实验实践教学方法。教师在教学过程中，注重培养学生的动手能力和解决问题能力，学生由被动学习转向主动学习，学生的综合素质有了很大的提升，教学效果良好。

参考文献

［1］孙春志.数字信号处理实验教学改革与探索［J］.中原工学院学报，2014（25）：71-73.

［2］王连明，陈菊芳，黄继鹏，等.电子信息类专业实验课程体系改革与实践［J］.实验室研究与探索，2018（37）：147-149.

［3］罗轶.信号与系统与数字信号处理课程整合的研究与实践［J］.吉首大学学报（自然科学版），2011（32）：117-119.

［4］李敏，刘俊.“信号处理”课程群实验实践教学改革与实践［J］.高校实验室工作研究，2020（23）：4-6.

［5］周小薇，金宁，胡建荣.信号处理课程群教学改革的实践与探索［J］.中国电力教育，2011（1）：86-87.

［6］孙业国.数字信号处理课程教学研究初探［J］.淮南师范学院学报，2011（3）：118-119.

（编辑 王雪芬）

Research on experimental teaching of “Digital Signal Processing” under progressive learningWei Hongfeng

（College of Physical Science and Technology， Bohai University， Jinzhou 121013， China）

Abstract： In order to meet the current demand for professionals in electronic communication and other fields in society， the article explores the reform of experimental teaching in the course of “Digital Signal Processing” based on the development of the subject and the characteristics of the curriculum. The main manifestations are the integration of teaching content， enrichment of teaching methods， and the use of diversified practical teaching methods， which gradually improve students hands-on ability and problem-solving ability.

Key words： progressive learning; “Digital Signal Processing”; experimental teaching