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數字信號處理課程教學改革
數字信號處理課程教學改革
摘 要： 數字信號處理是電子信息工程專業的核心課程，其理論性強，應用領域廣泛。
但課程公式繁多、枯燥難學、內容多、知識點分散，導致大多數學生學習起來較為困難，從而引發學生對課程的學習興趣不濃等問題出現。
作者根據教學時所積累的經驗，針對產生問題的主要原因，從課程的知識結構、實驗教學、教學模式等方面進行了改革與探討。
關鍵詞： 數字信號處理課程 教學改革 優化知識結構 加強實驗教學 綜合化教學模式
數字信號處理所涉及的內容非常繁多、廣泛。
其所應用的數學工具涉及微積分、隨機過程、數值分析、復變函數和各種變換等;其理論基礎包括網絡理論、信號與系統、神經網絡等;其應用領域包括通信、雷達、人工智能、模式識別、航空航天、圖像處理、語音處理等。
在GSM手機中應用數字信號處理技術可將語音壓縮至13kps;在語音信箱、留言電話方面也均可以采用數字信號處理技術。
學生在學習數字信號處理課程時，常常會覺得枯燥乏味，不僅覺得概念抽象，而且對其中的分析方法與基本理論不能很好地理解與掌握。
為了有利于學生系統地理解和掌握課程中的基本內容，充分鍛煉實驗的應用能力，我對數字信號處理課程的教學進行了針對性的改革與探討。
1.優化知識結構
數字信號處理課程中知識點比較多，數學推導十分復雜。
我通過對本門課程進行深入研究，類比各知識點，發現有一條線路貫穿于課程之中，只要在課程教學中把握好這條線路，復雜的數學推導將會變得清晰，容易識記。
我將該課程優化成兩大模塊：變換域的知識結構和數字濾波器的知識結構。
1.1變換域的知識結構
變換域的知識結構是該課程的第一大模塊結構。
先引入時域離散信號與系統，通過時域采樣定理對模擬信號進行采樣得到離散時間信號(序列)內容進行展開討論，對于幾種典型序列和時域離散系統性質：線性、時不變、因果性和穩定性進行重點介紹。
其次講述DTFT、DFS、ZT(IZT)、DFT變換的定義、性質和定理。
其中每個變換都遵循嚴密的數學推理，都圍繞著變換的定義、性質和定理展開內容講解。
在教學過程中除了詳細講解各個知識點之外，還要建立之間的聯系，歸納出變換之間的聯系如圖1所示。
在建立聯系時不僅要從數學公式上進行變換證明，而且要用物理意義進行直觀的講解，使學生能夠完全掌握。
例如DTFT是單位圓上的Z變換，DFT是DTFT的等間隔采樣，等等。
1.2數字濾波器的知識結構
數字濾波器的知識結構是該課程的第二大模塊結構，其主要圍繞數字濾波器網絡結構及其設計方法展開討論。
數字濾波器的網絡結構分為：IIR網絡結構和FIR網絡結構。
通過狀態變量分析法對網絡結構進行分析，確定狀態變量，求出狀態方程和輸出方程。
應用脈沖響應不變法和雙線性變換法設計低通、帶通IIR數字濾波器，分析理解兩種具體方法的特點和區別，與分別設計的數字濾波器的頻域特性。
窗函數法和頻率采樣法是設計FIR濾波器基本方法，通過實驗使學生熟悉線性相位FIR濾波器的幅頻特性和相頻特性，了解不同窗函數對濾波器性能的影響。
數字濾波器的設計和網絡結構分析如圖2所示。
2.加強實驗教學
數字信號處理課程中的理論和結論大都是經過數學推導得來的，比較抽象，也較難理解。
MATLAB語言對諸如離散線性卷積、循環卷積、抽樣定理、對Z變換進行等間隔采樣實現DFT、數字濾波器設計等一系列問題都可通過圖形建模使之可視化。
實驗教學平臺可以選擇MATLAB軟件平臺和DSP硬件平臺，MATLAB軟件平臺主要用來演示數字信號處理的概念、性質和原理。
例如序列的傅立葉變換、Z變換、離散傅立葉變換的概念和性質等;硬件平臺主要實現數字信號處理的算法，例如卷積、FFT算法、FIR濾波器和IIR濾波器設計方法等。
2.1基于MATLAB基礎理論實驗
數字信號處理課程具有理論性強和應用性強等特點，在教學中教師要加強理論教學。
實驗教學的設計可以更好地讓學生理解理論教學內容，具有啟發性，能培養學生的思考能力和科研能力。
針對理論知識點的內容，可將實驗各部分的內容劃為：系統響應及系統穩定性;時域采樣與頻域采樣;用FFT對信號作頻譜分析;IIR數字濾波器設計及軟件實現;FIR數字濾波器設計與軟件實現。
對于所涉及的實驗教學內容，要突出強調對實驗結果的“物理意義”的理解，使知識點覆蓋基本完整且重點突出。
2.2綜合性課程設計
在基礎理論實驗的基礎上，為了充分調動學生主動學習的積極性，提高學生鉆研科學的興趣，綜合性課程設計是非常有必要的。
其可以充分發揮學生的主觀能動性，更有利于培養他們獨立思考、善于創造、綜合運用知識的能力。
根據數字信號處理在雙音多頻撥號系統中的實際應用，我進行了綜合性、設計性實驗的探討。
雙音多頻(Dual Tone Multi Frequency，DTMF)信號是音頻電話中的撥號信號。
DTMF信號系統是一個典型的小型信號處理系統，它用數字方法產生模擬信號并進行傳輸，其中還用到了D/A變換器;在接收端用A/D變換器將其轉換成數字信號，并進行數字信號處理與識別。
3.綜合化教學模式
由于數字信號處理的DTFT、DFS、ZT(IZT)、DFT變換的定義、性質和定理和數字濾波器設計的內容涉及的公式繁多、概念抽象，在學習過程中，學生對其都具有犯難情緒，因而在授課中需要采用形象化教學方法、多樣化教學手段、創造自主化學習情境，提高學生的學習興趣，幫助學生理解公式的物理意義，便于對知識的識記和應用。
3.1形象化教學方法
數字信號處理課程中大量的抽象概念都是用繁瑣的公式來描述，其推導過程也相當復雜。
在實際的教學中，教師需要采用課程板書的形式，讓學生跟上你的思路一步一步去解析公式，完全細化每一個變換的來源。
而不是急于把最新的知識、最新的技術一股腦地塞給學生。
教師在教學中，必須從公式所代表的具體意義去理解公式，注重物理意義的表達，也要相信學生在打好基礎后，能舉一反三，學一知十，例如：X(k)=X(e)|k=0，1，…，N-1，說明X(k)為x(n)的傅里葉變換X(e)在區間[0，2π]上的N點等間隔采樣。
在講解相關抽象化的知識點時，教師可采用繪制波形圖或框圖的方法將抽象概念形象化，用直觀圖形進行解讀公式的意義。
在教學中，教師可采取合理應用形象化的方法，培養學生看到公式可以聯想到公式的物理意義，突破公式難懂難記的問題。
3.2多樣化教學手段
在習題課和一些基本原理、基本方法的推導和證明中，教師要采用課堂板書形式，解答思路清晰，在板書的過程中，也要留給學生足夠的時間進行領會。
對于難以理解的抽象概念，需要用形象化的圖形來進行解析，采用多媒體教學手段，可以節約大量的板書時間，可以化抽象為形象，化枯燥為生動，增加課堂信息量，使學生把重點放到加深對抽象概念的理解上。
同時，PPT要有一定的吸引力，比如適當地粘貼一些圖片性內容，遠比文字要形象和生動，還可以粘貼一些調節氣氛的有意思圖片，但不可太花哨，速度要放慢，講一行放一行，切不可地所有的一次都放出來，否則容易誤導學生去費勁地閱讀PPT上的文字。
多媒體教學手段與傳統的板書教學相融合，不但可以發揮多媒體手段信息量大、形象、直觀等優勢，而且板書可以對多媒體的推導細節進行補充，放慢上課節奏，使教學邏輯更嚴密、交互性更強，其實際效果比單獨使用其中的一種都要好。
3.3自主化學習情境
在實際教學中，教師要站在學生的立場上，找到學習入門的最好切入點：結合課堂提問、作業布置、習題講解等手段，使學生達到基本的教學要求。
適當地提問，可以檢驗學生學得怎么樣，將學生的狀況及時的反饋給老師，老師再適當地在教學中作調整，將取得很好的教學效果，同時也可加強與學生的雙向交流，活躍課堂氣氛。
由于該門課程比較抽象，公式又相對繁瑣，單靠課堂講解學生當時可能聽得明白，但是課后若不加以鞏固，掌握情況也不會太理想，因此每次課后要給學生布置適量的作業，通過批改作業來發現存在的問題并及時解決。
3.4完善化考試模式
本門課程的成績考核采取傳統模式，即由平時表現成績、期末筆試成績按比例綜合計算。
這樣的考核方式簡單易于操作，這也是一些學生不重視實驗、不注重如何應用所學知識解決實際問題的原因之一，結果造成理論聯系實際和解決實際問題的能力差。
完善化考試模式，增加上機考試，要求MATLAB上機考試，這能極大地強化學生的自主學習能力及動手實踐能力。
4.結語
我針對數字信號處理課程的特點，應用知識的連貫性，建立了各個知識點之間的聯系，便于學生理解與聯想記憶。
MATLAB的引入為數字信號處理教學提供了全新的方法，激發了學生的學習興趣，變被動學習為主動探索，加強了理論與實踐相結合，提高了綜合運用知識及解決實際問題的能力。
采用了傳統板書和多媒體教學相結合的手段，提高了學生的學習興趣，做到了用中學、學中用，使學生大大增強了學習的興趣。
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