面向卓越工程师培养的数字信号处理课程教学改革探索

作者:未知

  [摘           要]  根据“卓越工程师教育培养计划”的总体要求,面向勘查技术与工程专业卓越工程师的培养,分析和研究数字信号处理课程的教学改革,从教材选择、教学内容、教学方法等方面进行调整,旨在提高学生的实践能力和创新能力。
  [关    键   词]  卓越工程师;教育培养计划;数字信号处理;教学改革
  [中图分类号]  G642             [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603(2019)10-0098-02
   “卓越工程师教育培养计划”(以下简称“卓越计划”)是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》和《国家中长期人才发展规划纲要(2010—2020年)》的重大改革项目,目标在于培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才(以下简称“卓越工程师”)。教学内容改革是成功地进行卓越工程师培养必须完成的一项至关重要而又具有挑战性的关键工作[1]。
   随着科学技术和计算技术的迅速发展,数字信号处理的理論和技术取得了飞跃性的进展,已经渗透到生产和生活的各个领域,成为目前发展最快、应用最广泛、成效最显著的新兴学科之一[2]。数字信号处理课程已经不仅是电子与通信本科专业的重要的专业基础课程,同时也是勘查技术与工程等专业重要的专业基础课程。以培养“卓越工程师”为目标进行数字信号处理课程教学改革,对提高学生动手能力、应用能力和自主创新能力,为后续的地震勘探原理与数据处理等专业课程的学习提供有力的支撑。
   数字信号处理作为以数学为基础的学科,包含了很多的抽象概念和理论,很多结论的推导涉及大量的数学过程,学生容易产生抗拒和厌烦心理。如何让枯燥的理论课变得生动?如何让学生由“被动学习”转为“主动学习”?如何让高校培养的学生称为真正的“卓越工程师”?这是教育工作者所面临的重要问题。本文以此为目标,从教材合理选择、教学内容调整、教学方法调整等方面出发,旨在提高数字信号处理课程的教学质量,培养学生的实践能力和创新能力,顺利完成“卓越计划”服务。
   一、教材合理选择——多教材整合、课外教材辅助
   优秀的教材是课堂教学的灵魂。数字信号处理这门课程可选择的教材很多,以往的勘查技术与工程专业选择西安电子科技大学出版社出版、丁玉美主编的《数字信号处理》[2],该书内容简洁、选材精炼,适合非电子和通信类专业学生使用。结合本次“卓越工程师”的培养目标,对教材的选择进行了相应的调整。采取以目标为先导,“多教材整合、课外教材辅助”的原则,突破了“一门课一本教材”的限制,让学生采众家之所长。以程乾生著的《数字信号处理》[3](教材一)和高西全主编的《数字信号处理》(第三版)[4](教材二)为主要授课教材。前者由于作者参加过勘查技术与工程专业的课题,所以在教材内容选取上与专业课程衔接紧密,易于学生对后续课程的理解;后者经过再版,增加了实验和MATLAB信号处理工具箱函数,使学生在学习理论的同时能够进行高效的上机实验、设计和仿真。同时,选择OPPENHEIM的经典教材《DISCRETE-TIME SIGNAL PROCESSING》和程佩青的《数字信号处理教程》作为课外辅助教材,经典课外教材的辅助阅读能够培养学生课外自主学习能力,拓宽学生视野,提高学生专业英语的水平。
   二、教学内容调整——基础理论与工程实践并重
   以往工科专业本科生的培养方式多是以理论教学为主,实践教学为辅;以“卓越工程师”为培养目标的培养方式必须结合本专业进行教学内容的适当调整和优化,坚持“基础理论和工程实践并重”的原则,才能激发学生学习的动力和兴趣,提高学生的实践创新能力。
   适当调整学时,增大实验教学学时比重,使其达到总学时的三分之一。实践课程是“卓越工程师”培养的重要途径,通过设计九个综合性和创新性结合的实验项目,使理论和实践紧密结合,凸显理论知识的运用和价值,让学生真正动手做起来、思考起来,体现学生的教学主体地位,消除学生学习的被动、消极与盲从心态,激发学生学习的主动性、积极性和创新性[5-6]。实验教学比重提高导致理论教学学时的压缩,因此要求教师在实验教学设计上要紧密联系理论教学,采取边理论教学边实验的方式,利用实验来深化理论,加强学生的认识。
   教师对教学内容进行精选整合,是让学生在有限的学时内掌握好数字信号处理的基本概念和理论,了解学科的基础框架和关键细节的重要前提。本门课程是以傅里叶变换为基础和主线,以滤波器的设计为目标,在教学内容调整时不能偏离主线和目标。由于学生已经学过连续信号的傅里叶变换,此部分只需做简单的回顾和总结,将有限学时分配到后续教学内容中。将教材二中第8章、第9章中的“采样和量化问题”进行压缩,调整到第1章“模拟信号数字处理方法”中讲解,既节约学时,又提高了学生对本部分相关内容的理解。适当增加相关分析、希尔伯特变换、最小相位信号等内容的讲解,紧密结合后续专业课程的学习。课程内容的调整和更新,注重各知识点的内在联系和相关性,体现课程的综合性和系统性。
   三、教学方法调整——激发学习兴趣、提高实践能力
   首先,数字信号处理课程理论性强、抽象概念多、公式推导多,形象化教学的引入,激发学生对理论学习的兴趣[7]。形象化教学的方式多种多样,公式的形象化是让学生把死记硬背抽象的数学公式,变为记忆其表达的物理意义,例如关于Z变换的性质3,可以引导学生记忆函数的指数加权的Z变换等价于Z域的尺度变换。再比如,教师在讲解采样信号频谱和原信号频谱的关系公式时,一定要学生理解这个公式所代表的周期延拓的概念,记公式不是直接地读公式,而是理解其所表达的物理意义。计算过程的形象化,就是把枯燥的计算推导过程用图表表示出来。例如,在计算序列的褶积时,可以充分利用多媒体的灵活的教学方式,将两个序列的褶积运算动态地表示出来,既形象又生动。再如,教师对连续信号用DFT进行谱分析的过程,也可以通过图表结合的方式有效地表达出来。    其次,多媒体教学和板书教学相结合的方式,使枯燥的数字信号处理课程变得丰富多彩。多媒体教学是目前大学课程中主要的教学方式之一,这种新生的教学手段可以提高教学效率,形式新颖,使教学内容形象化、直观化[8]。但是并不能全部课程都采用多媒体教学方式,因为完全采用多媒體教学方式,使课堂信息量过大,忽视了学生的思考空间,特别是数字信号处理涉及的数学理论和公式繁多,利用板书教学进行详细的公式推导,可以吸引学生的注意力,使学生关注推导的细节,同时可以增加师生间的互动,鼓励学生积极参与课程学习,提高学生的主体地位。
   再次,MATLAB辅助课堂教学和实验教学,提高了教学质量和学生的学习效率[9]。MATLAB作为数字信号处理的有力助手,已经越来越受到人们的重视。合理地运用工具软件,设计综合性、实践性实验,辅助课堂教学演示,是检验理论知识综合运用能力和体现学生实践能力和创新能力的有效手段。例如,讲授离散信号的褶积相关运算、离散信号的频域分析、数字滤波器的设计等问题时,学生容易感到枯燥难懂,而采用理论讲解和MATLAB仿真工具相结合方式,通过参数调节和形象展示,可以增加学生的感性认识,加深学生对理论知识的理解[10]。在实验教学中,学生亲自动手参与仿真实验,进行参数调节、结果演示,分析解决实际应用问题,激发了主动学习的积极性,培养了实践能力和创新能力。
   最后,仿真实验教学让抽象问题形象化,提高了学生对理论知识的理解和认识。将工程实际应用实例引入课堂,利用专门的仿真实验软件,如进行声音信号的滤波、调频等变换,比较男女声音的频谱,让学生准确、直观地掌握信号在不同频率下的特征,加深对理论知识的应用和理解,锻炼了学生的动手能力。
   四、结语
   “卓越计划”是要培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才[11],树立以学生为主体的教学观,充分发挥学生的主观能动性,提高学生提出新问题、发现新知识和解决新问题的能力。数字信号处理作为勘查技术与工程专业基础课程,以知识获取、能力培养、素质提升为课程设计指导思想进行教学改革,是服务“卓越计划”、完善课程体系建设的重要基础环节。
   参考文献:
   [1]林健.面向“卓越工程师”培养的课程体系和教学内容改革[J].高等工程教育研究,2011(5):1-9.
   [2]丁玉美,高西全.数字信号处理[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社,2001.
   [3]程乾生.数字信号处理[M].北京:北京大学出版社,2003.
   [4]高西全,丁玉美.数字信号处理[M].3版.西安:西安电子科技大学出版社,2008.
   [5]宋佩维.卓越工程师创新能力培养的思路与途径[J].中国电力教育,2011(3):23-29.
   [6]刘会衡,田玲.数字及信号处理课程教学方法改革与实践[J].教学研究,2008,31(3):237-239.
   [7]高超,金高洁,王心源.传统教学与多媒体教学融合:以“遥感导论”课程为例[J].中国地质教育,2007(4):118-122.
   [8]许建霞.基于Matlab的数字信号处理教学改革与探讨[J].中国科技信息,2009(12):286.
   [9]刘焕淋,陈勇.MATLAB在数字信号处理实验教学中应用[J].创新教育,2010(26):148.
   [10]林健.卓越工程师创新能力的培养[J].高等工程教育研究,2012(5):1-17.
   [11]毕萍,刘毓.面向“卓越工程师”目标进行“信号与系统”课程教学改革[J].清华大学教育研究,2014(1):190-193.
  ◎编辑 陈鲜艳
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