面向职业技能发展的“数字信号处理”教学理念与实践

张晶 聂尧

摘要“数字信号处理”是电子信息类专业教育课程体系中承上启下的关键环节，通过本课程的教学使学生了解技术领域概貌，建立基本概念，掌握相關分析方法，对提高其职业技能，从而培养多样化人才、传承技术技能、促进就业创业具有现实意义。为有效开展教学工作，文章构建了以学生职业发展需要为中心的教学理念，采用因材施教的教学措施，激发学生的学习热情和积极性。尽力构建完整的知识体系，并引导学生加深对基本公式的理解和运用，做到活学活用，取得了符合预期的良好的教学效果。

关键词 数字信号处理；教学理念；教学措施；职业技能发展

中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.14.005

“数字信号处理”是电子信息类科学的重要组成部分，数字处理技术的应用也越来越广泛[1]。学生通过本课程的学习，了解这一技术领域的同时，还能够建立起数字信号处理基本概念，掌握基本方法，本课程是一门结合实际工程应用的基础理论课程。

笔者承担了皖西学院电子信息科学与技术专业大三上学期“数字信号处理”课程的讲授任务。为有效贯彻中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于推动现代职业教育高质量发展的意见》等文件精神[2]，笔者在备课过程中积极向由多名教授、副教授、博士以及经验丰富的专任教师组成的本校省级教学团队求教学习，借助大规模在线开放课程汲取先进教学经验模式，构建以学生职业发展需求为中心的教学理念，并由此指导教学实践。

1教学理念总结构建

1.1充分重视课程实用技能培养

数字信号处理技术广泛应用于诸多工程领域[3]，如雷达、遥感、通讯、电气仪表、自动化控制等。随着单片机（SoC）集成化程度的提升，通过ARM微处理器、DSP、FPGA等数字电路进行信号处理已经广泛渗透到日常生活的各个领域，如计算机和智能手机对语音、图像、视频的压缩、存储与播放，网络通讯中传输层的编解码，穿戴设备定位、环境测量、用户体征测量，汽车自动辅助驾驶系统对环境的感知，智能家居系统中对于家电设备的工况监测与自动控制等。电子信息相关专业的学生在相关行业就业后，对数字信号处理相关知识的需求频率高，场景丰富。教师在教学过程中应面向项目需求、工程问题，以培养学生的实操能力为关键点，使之更好具备在上述领域独立完成研发工作所需的能力。

1.2有效构建课程概念知识体系

本课程承接“信号与系统”，从时域离散信号和时域离散系统基础知识出发，涉及频域分析、离散傅立叶变换、快速傅立叶变换、时域离散系统的网络结构等关键知识单元，到IIR＼FIR数字滤波器的设计为止[4]。可见，作为工程学科课程，其目的在于培养学生设计数字滤波器的能力。而目前主要教材及参考资料着重于基础理论讲授，包含大量的数学公式推导证明，“用复杂的事物去解释复杂的事物”，容易造成学生理解困难。从因材施教的角度出发，应优先保障学生理解并掌握相关基本概念，了解算法和滤波器的基本功能和适用范围，以便在对应场景下自行查阅相关资料以解决实际问题。

1.3快速传递课程基本数学理论

数字信号处理作为一个快速发展、广泛应用的技术，围绕其工程应用，已经形成了大量的通用软件平台及相关工具箱可供使用，如Matlab包含Signal Processing Toolbox，以及通讯、小波、射频、DSP、相控阵等相关分析工具箱；Python中常用的Scipy库中也包含了信号处理signal模块。笔者认为，在实际工程设计过程中应用相关工具或以此为基础进行二次开发已成为主流，没有必要“从轮子开始造车”，但另外一方面，学生能够系统性地了解相关数学基础，对于用好相关软件工具，提高数字滤波器设计水平，将大有裨益。在学生已掌握概念知识体系的基础上，教师应尽量快速、全面地阐明主要公式的含义，便于学生理解；有能力的学生可在课下自行进行公式推导证明。

1.4全面重温课程相关基础知识

学习“数字信号处理”需要全面用到“信号与系统”知识。“信号与系统”课程包含了“数字信号处理”所必需的绝大部分前序知识，如采样、卷积、傅立叶变换、拉普拉斯变换、Z变换、系统响应等[5]。要求学生具备良好的数理基础和逻辑思维能力。在大量学生存在数学基础功底不扎实，前序课程知识不牢固的情况下，不能简单假设“学生已掌握相关知识”，而是应该将相关知识点进行代入，帮助学生重温基础知识，从而提升对当前内容的理解。图1为数字信号处理课程知识结构图[6-7]。

2教学实践及具体措施

2.1加强兴趣引导着力概念传递

在教学中着眼于将教学内容与实际工作生活场景相结合，引导学生正确理解信号处理的基本概念，以免陷入对数学公式的死记硬背当中丧失课程学习动能。如在讲授信号傅立叶级数变化时，首先通过动画展示带领学生重温波的叠加特征，而后指出傅里叶级数是一种对周期信号进行分解的方式，满足条件（狄利克雷条件）的任何周期函数可以由一系列不同频率的正弦（余弦）函数叠加而成，而这些正弦函数构成了级数分解的正交基，并进一步通过动画演示如何通过基函数叠加实现对方波信号的拟合。而后，再进行相关数学公式的展示与介绍，使得学生能够进一步理解公式中各项的含义。通过从直观感受到概念建立，再到公式理解，使得基本思想和方法得以传达，数学表达与演算也能够建立，培养学生直觉与思辨的双重能力。

2.2强化实操训练注重实验课程

在讲授课程48学时的基础上，专门安排了10课时的实验课程，使学生对数字信号处理的理论知识得到进一步加强，为后面的学习打下坚实的基础。本课程采用期末闭卷考试、章节测试，实验成绩、平时成绩、大作业等相结合的方式进行综合评定。作业考核主要检验学生就某一具体数字信号处理系统撰写报告、PPT展示表达个人观点以及与业界同行进行交流的能力。实验考核主要检验学生通过实验，运用数字信号处理相关技术原理建模求解问题的能力、识别和判断数字信号处理技术中关键参数的能力和分析相关技术平台在方案设计中局限性的能力。章节测试利用先进的网络学习平台——学习通，对每个章节的知识点进行在线测试，测试题目一般选用客观题，包括选择、判断以及填空等，最终评判的结果以及成绩由系统给出。通过学习通进行章节测试，不仅可以高效客观地给出成绩，对各个章节的知识点进行加强巩固，而且提高了学生学习的积极性。试卷考核主要检验学生在问题求解过程中运用数字信号处理相关原理与基础技术的能力、对数字信号系统关键环节的识别和判断能力。具体的评分标准需要根据每次考试题目以及每个知识点对应的课程目标、所占的比重等，制订相应的评分参考标准。

2.3着眼承前启后重视温故知新

教师在讲授主要教学内容的过程中，均通过对前期课程內容的代入，使学生在听讲过程中得以重温已有知识点，并对相关概念进行“预热”，以便更快地进入恰当的学习状态。特别是离散傅立叶变换与Z变换相关内容与前期“信号与系统”课程有相当多的内容重叠，而作为快速傅立叶变换的基础，笔者在课程中本着“不厌其烦”“温故知新”的态度，对知识点进行了有效分解和详细讲述。另一方面，笔者在课后习题的布置中力争涵盖当天教学的关键知识点，使学生通过习题引导，自主进行复习，加深认知。

2.4融合网络资源创新教学形式

2.4.1借助网络平台提升备课工作质量

传统的备课手段无法实现资源共享和信息化教学的要求，在教育信息化的大环境下，将资源共享、协调配合作为主要的指导思想，以丰富的资源为支撑，可快速便捷地查找、选择及管理自己需要的资源，完成各项备课任务[8]。课堂上还可以利用网络信息化学习平台进行签到、在线互动、课堂讨论、课堂测试以及章节测试，使得课堂学习形式多元化，活跃课堂气氛。此外，教师也可以根据云平台的大数据，针对学生的不同学习情况以及学习水平，制订不同的教学方案，提高教学质量和效率。

2.4.2建立以学生为中心的新型师生互动模式

通过多种渠道搜集学生的反馈信息，如课堂问答、课后作业、实验操作情况及实验报告等进行分析，从而从整体上了解学生的学习情况，做出改善教学的调整，从而形成将学生作为课堂中心的互动教学模式[9]，强调学生的积极参与和主动感受，是一种“主导―主体”结构的教学模式[10]。

2.5坚持思政融入实现立德树人

在本课程讲授过程中，应建立讲授内容与思政要素的有机映射，实现思政教育要求在课程内容中的有效融合[11]。在课程的不同阶段，结合数字信号处理相关仪器仪表的自主可控需求与当前现状分析，鼓励学生投身产业报国；通过对信号流图表示网络结构，代入个体与整体关系，促使学生加强团队合作；通过傅立叶变换及其持续发展演进的讲授，说明创新的持续性和积累性，量变产生质变，提升学生的创新意识和创新理念等。

3结语

通过确立教学理念，采取合理措施，开展教学实践，有效完成了该学期“数字信号处理”课程教学任务。从课堂讲授过程看，课堂上学生的出勤率很高，会积极抢占前排的座位，经常有同学抢答课堂问题的情况，课堂教学氛围很好，学生的参与度很高。从课后作业看，学生的作业完成度很高，整体质量很好，书写工整，条理清晰，大部分同学都可以及时纠正参考答案的错误。从章节测试来看，学生非常欢迎网络信息化学习平台加入课堂，学习积极性高涨。从期末考试成绩看，成绩比较理想，班级高分学生较多，大多数学生的综合能力较强，自主学习意识较强，期末考试前复习很充分，课程教学达到了预期目标。从长远看，教学是一项长期的工作，未来将继续完善线上线下配套教学资源[12]，进一步为课程建设、学生职业技能发展，乃至国家人才队伍培养做出贡献。

*通讯作者：张晶

基金项目：皖西学院校级高层次人才科研启动项目（WGKQ2021057）；审核性评估与新工科视域下通信工程专业人才培养评价研究（2019JYXM1174）；安徽省质量工程项目“新工科”背景下信息类专业学生评价研究（2019JYXM0360）；安徽省质量工程项目数字信号处理教学团队（2019JXTD092）；安徽省质量工程项目通信原理智慧课堂皖西学院校级质量工程（WXXY2019019）。

参考文献

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[2]教育部.中共中央办公厅国务院办公厅印发《关于推动现代职业教育高质量发展的意见》[EB/OL].（2021-10-12）. http：//www.moe. gov.cn/jyb_xxgk/moe_1777/moe_1778/202110/t20211012_571737.html.

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