数字信号处理课程教学改革路径分析

【摘" 要】 文章分析了数字信号处理课程教学的展开现状以及存在着的共性问题，在此基础上，着重阐述了数字信号处理课程教学的改革探索与优化思路，从合理设置教学目标、优化课程内容体系、更新课堂教学方法、引入课程思政理念、重视理论联系实际、完善课程考核方式这几方面入手，对相应课程教学的改革策略与实施要点进行了说明，以期实现数字信号处理课程教学的升级。

【关键词】 数字信号处理；课程教学；教学改革

一、数字信号处理课程教学的现状分析

国内多所理工科院校均已开设数字信号处理课程，同时也有很多教学团队就课程教学改革和创新开展了研究。不同学者从不同的角度入手取得了不同的研究成果。电子科技大学的多位教授从教学方法、教学内容等方面入手对数字信号处理课程进行了相对全面的探索和研究，降低了学生对课程内容的理解难度。解放军信息工程大学的多位教师研究和探索了数字信号处理课程中涉及的各种处理方式方法所形成的背景，并追本溯源，从成因和背景的角度向学生介绍了数字信号处理这门课程的内容，帮助学生从工科思维的角度进一步理解相关知识的应用范畴。有教师基于问题探究的角度研究了数字信号处理课程的教学方法，提出了互动式教学模式。部分教师改革教学实践，将实际案例应用到了课程教学中，致力于提高学生的知识转化能力和实践应用能力。

总的来说，在众多学者教师的不断努力下，数字信号处理课程建设取得了一定的成绩，但与时代发展对人才提出的要求仍存在差距。所以在当前仍然需要持续展开数字信号处理课程建设改革，推动教学内容创新，引导学生开展探究式学习和自主学习，以培养出时代所需的理工科人才。

二、数字信号处理课程教学的共性问题分析

数字信号处理课程存在“难教难学”的特点，其原因在于：第一，数字信号处理课程与数学理论有交叉，对数学基础薄弱的学生而言，数字信号处理课程的学习难度较大。数字信号处理课程是理工类学科中专业性较强的课程，包含一定量的抽象概念和理论知识，其中，部分知识理论的推演需要有数学理论知识为支撑，包括“高等数学”等课程内容，对学生的数学素养和基础要求相对较高。第二，实践性较强。数字信号处理课程与数学课程交叉的内容很多，且该课程实践性较强，包括大量的科研、工程内容，需要学生在具有扎实理论知识的基础上完成对应专业课程的学习，并提高实践能力。

除了课程本身的特点外，教学内容、教学方法等方面也存在一些共性问题影响着课程建设改革。第一，数学知识内容与数字信号处理内容之间缺乏关联性，造成了综合能力的培养存在一定的困难。第二，被动式、浅显化记忆造成学生涉及的数学理论知识记忆不牢。将理论教学看作重点的教学模式不利于创新意识的培养。第三，知识零散，资源相对较少；实践性课程缺乏实践性，不利于学生自主能力的培养。第四，理论知识同工程案例相脱节，不利于知识转化。

三、数字信号处理课程教学改革路径探究

（一）合理设置教学目标

数字信号处理课程的教学目标可以细化为两部分，具体如下：

第一，学生在学习过程中要理解时间离散系统的基本原理、离散时间傅里叶变换、Z变换、DFT、FFT、时域采样定理以及频域采样定理等工程基础知识，并能够利用相应基础知识分析、解决物联网领域的复杂工程问题。教师需要对学生追求真理、探索未知、勇攀科学高峰的使命感与责任感进行培养；推动学生逐步形成正确的价值观念，落实对学生科学精神、工程思维、思辨能力的培养。

第二，明确使用DFT对模拟信号展开谱分析的过程以及误差，了解各类网络的结构特点并可以准确区分；可以结合文献研究内容以及窗函数法的应用，完成对具备线性相位的FIR数字滤波器的设计，能够对影响物联网领域复杂工程问题解决的因素进行分析与确定，培养学生获取有效结论的能力；对学生精益求精、工匠精神进行培养，调动学生科技报国的情怀与使命担当。

（二）优化课程内容体系

提炼数字信号处理课程中的重点知识模块，包括离散时间信号与系统的时域分析、离散时间信号与系统的频域分析、设计数字滤波器、处理多抽样率信号，以此为参考进行对课程教学内容体系的优化，完成知识图谱的构建，具体有：在工程应用层面，包含频谱分析、时域滤波；在设计方法层面，包含DIT-FFT、DIF-FFT、IFFT、窗函数法FIR-DF设计、频率采样法FIR-DF设计、脉冲响应不变法IIR-DF设计、双线性变换法IIR-DF设计；在知识要素层面，包含Z变换、DFS、DTFT、DFT、线性卷积、循环卷积、抽取滤波、插值滤波；在理论支撑层面，包含时域采样定理、频域采样定理。

同时，对重叠、过时的内容进行删减，着重对频谱分析、数字滤波的应用落实凸显，并加入更多的工程案例，以此为基础落实对基于学生综合应用能力培养的数字信号处理课程内容体系构建。在此过程中，加强横向关联，促使各个知识模块之间的内在联系得以强化。例如，在频谱分析相关知识内容中，使用“Z变换—离散时间傅里叶变换—周期序列离散傅里叶级数—离散傅里叶变换”这样的教学流程，促使学生能够完成对多种变换的深入理解与对比分析。另外，还要强调纵向落实，着重凸显从理论到实践的综合应用，设定并使用“理论支撑—知识要素—设计方法—工程应用”这样的综合能力培养路径，让学生在完成学习后能够灵活应用相关知识点完成实际工程问题的处理。

（三）更新课堂教学方法

第一，鼓励合作学习。鼓励学生使用社交软件完成学习社区的搭建，并结合教师布置的任务展开分工合作、小组讨论，最终形成结论。同时，对于一些进阶的辨析主题，引导学生在完成合作学习与小组讨论后，结合组内各个成员特长的不同，分别进行理论推导与仿真验证，提升学习效果，激发学生自主学习热情。

第二，优化线上学习，实施“线上+线下”混合教学。在安排一定比例的学时展开线下教学的基础上，开设线上教学环节，并将其纳入总体课程的课时分配方案。实践中，需要切实参考不同教学内容、知识点难度等方面的不同，合理设定充足的线上与线下教学课时。例如，针对时域离散信号与系统相关教学内容，可以设定6学时的线下理论教学以及6学时的线上教学；针对时域离散信号与系统的傅里叶变换分析方法相关教学内容，可以设定12学时的线下理论教学以及1学时的线上教学；针对DFT相关教学内容，可以设定12学时的线下理论教学以及2学时的线上教学；针对FFT相关教学内容，可以设定8学时的线下理论教学以及2学时的线上教学；针对时域系统的基本网络结构相关教学内容，可以设定2学时的线下理论教学以及2学时的线上教学；针对IIR数字滤波器设计相关教学内容，可以设定5学时的线下理论教学以及2学时的线上教学；针对FIR数字滤波器设计相关教学内容，可以设定3学时的线下理论教学以及1学时的线上教学。

（四）引入课程思政理念

坚持立德树人，着重在课堂教学期间突出科学思维、科学方法，加入我国在数字信号处理领域中取得的一系列成就，实现对学生科学精神、爱国主义精神、创新精神等的有效培养。为实现这一目标，要细化章节内容与知识点，提炼其中包含着的思政元素，并结合互联网查找相关素材，丰富课堂教学内容，践行课程思政。

以“数字信号处理的概念及学习方法”的相关内容教学为例，课堂教学期间，介绍过去一些在数字信号处理方面工作突出的科研人员、校友的学习方法与研究案例；展望国际，引用国际上知名大学的电子与信息工程专业教授对本门课程不同角度的观点；鼓励学生敢于挑战，为国家在未来的科技任务中贡献自己的力量。此时可以引入的思政元素包括敢于想象、调研与跨界学习；坚持不懈；工匠精神；在实践中提升专业能力等。在课后复习与练习阶段，鼓励学生思考在目前的国际形势下，怎么突破关键数字信号处理设备的研制。例如，大飞机控制系统、高铁控制系统、弹道导弹控制系统等。鼓励学生求真务实、不畏艰难、敢为人先。依托课程思政的展开，能够更好引导学生利用实践巩固知识，并实现对学生综合素养的更好培养。

（五）重视理论联系实际

现阶段，可以结合信息化技术的应用，搭建并在教学中应用典型工程案例库，其中所包含着的内容（部分）设定如下：

双音多频信号检测，可以使用的实验平台为Matlab以及eZdsp平台，该案例中包含着的理论知识点为离散时间系统、DFT分析原理，设定的能力目标为以工程实现的视角对比分析使用DFT、FFT展开信号谱分析的优缺点，对学生的系统设计思维进行培养；软件无线电中的插值以及抽取过程实现，可以使用的实验平台为Matlab以及eZdsp平台，该案例中包含着的理论知识点为窗函数法设计FIR滤波器、采样率转换的实时实现，设定的能力目标为对比分析基于不同窗函数的滤波性能，对学生的辩证思维进行培养；基于FFT的实时快速卷积，可以使用的实验平台为Matlab以及eZdsp平台，该案例中包含着的理论知识点为离散傅里叶变换快速计算视域卷积的理论，设定的能力目标为利用实验对比分析直接视域卷积以及频域变换这两种方法的运算量，对学生使用变换域解决问题的思维、能力、习惯进行培养。

依托相应典型工程案例库的构建与使用，能够结合实际案例，将难以理解的知识点转换为实验题目，利用实验启发学生思考，并鼓励学生利用实验平台进行仿真验证，从而达到切实提高学生工程实践能力的效果。

（六）完善课程考核方式

为提升考核的全面性与客观性，在实践中，可以将学生获取到的总成绩细化为两部分，即平时成绩以及期末考试成绩，设定各部分成绩占比为：

总成绩=平时成绩*50%+期末考试成绩*50%

其中：平时成绩=课后作业*25%+课堂表现*30%+随堂测试*10%+线上考试20%+讨论5%+线上视频学习10%

在展开对数字信号处理课程的考核期间，要求切实参考前期设定的课程目标完成考核方案的设定，具体如下：针对课程目标1，在平时成绩中，设定平时作业的权重比例为70%，设定课堂表现的权重比例为70%，随堂测试的权重比例为70%，线上考试的权重比例为70%，讨论的权重比例为70%，线上视频学习的权重比例为70%；在期末考试中，设定期末考试成绩的权重比例为70%；课程目标1的总体成绩比例设定为70%。

针对课程目标2，在平时成绩中，设定平时作业的权重比例为30%，设定课堂表现的权重比例为30%，随堂测试的权重比例为30%，线上考试的权重比例为30%，讨论的权重比例为30%，线上视频学习的权重比例为30%；在期末考试中，设定期末考试成绩的权重比例为30%；课程目标2的总体成绩比例设定为30%。

依托这种考核内容与标准的细化设计，能够实现对学生实际学习情况以及个人能力提升情况的综合考核，让教师、学生更为清晰地掌握在学习方面的不足，以此为参考完成“查缺补漏”。

四、结语

综上所述，数字信号处理课程建设在当前已然取得了一定的成绩，但与时代发展对人才提出的要求仍存在差距，所以仍然需要持续展开对数字信号处理课程的教学改革，合理设置教学目标，推动教学内容创新，引导学生开展探究式学习和自主学习，引入课程思政理念并强化实践教学，更新课程考核方法，实现教学升级，切实培养出时代所需的理工科人才。

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