“数字信号处理”教学方法评析与实践
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【摘 要】数字信号处理作为工科院校本科阶段一门重要的专业必修课，其教学方法和效果对教学质量提升至关重要。本研究首先对近年来应用在数字信号处理课程教学上的方法进行总结和评述，在此基础上，介绍了笔者所在课题组近年来对数字信号处理的教学方法进行的改革和实践，具体包括（1）结合媒体资料及案例的教学内容导入;（2）讲授、练习与讨论相结合的授课模式;（3）基于MATLAB仿真的开放性实验设计;（4）设置文献综述报告交流环节。在此基础上，还讨论了数字信号处理课程教学方法未来持续改进的方向和挑战，希望给广大同行提供参考。
【关键词】数字信号处理;教学方法;教学模式;改革
中图分类号： TN911.72-4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）05-0127-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.05.047
0 引言
数字信号处理作为本科阶段电子信息、通信工程、自动化、仪器科学与技术等多个工科学科的必修主干课程，对开展学生专业能力具有重要意义。数字信号处理课程包括离散时间信号与系统、离散时间信号和系统的频域分析、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换和数字滤波器设计等内容，一方面与微积分、线性代数、离散数学、统计学等基础学科关系密切，课程中许多公式推导、证明等过程运用到这些数学类课程的知识;而另一方面又与数字图像处理、嵌入式系统、模式识别等课程前后衔接，在教学过程中专业教师和学生通常反映有关傅里叶变换、Z变换、频域分析、滤波器设计等较为抽象的内容在掌握和理解方面存在一定难度，同时如何使学生能够将DSP的相关思路和方法应用到具体问题上亦存在挑战。本文在总结和分析现有教学方法及其在数字信号处理专业课程教学上应用的基础上，结合笔者所在教研室多年来教学方法改革的实践，探讨数字信号处理的教学模式，希望给广大同行提供参考。
1 数字信号处理课程教学方法
在课程教学过程中教学方法具有重要地位，既能体现教师的主导作用，又能影响学生的主体作用，因此是达到教学目的的桥梁。在国内外长达数百年的大学教育实践过程中，形成了包括读书教学法、讨论教学法、讲演教学法、练习教学法、实物教学法、实验教学法、设计教学法、表演教学法等多种教学法[1]，同时近年来随着电脑、互联网和智能手机的兴起，多媒体、网络教学方式、远程教学方式、慕课等新教学模式与各个经典教学法不断融合。对于一门具体的课程而言，采用不同的教学方法会得到完全不同的教学效果，教学方法需要根据教学任务、教学内容、教学对象、教学情境和教学过程等方面进行选择和优化，以获得较好的教学效果。在数字信号处理课程的教学实践中，亦出现了一些对教学方法进行改革的尝试。胡学友等（2007）在数字信号处理课程进行教学改革时，强调概念的物理意义注重实践教学，引入MATLAB软件进行教学演示，并在课程内容时间分配、启发式教学等方面进行了一系列有益的尝试[2]。赵全明等（2008）在数字信号处理课程的教学中充分利用图片、影片等媒体教学素材，并在一些如奈奎斯特定理采样定理内容讲授时结合Flash动画设计，有助于培养学生的工程设计能力[3]。王祥春（2010）将案例教学法引入数字信号处理课程的教学中，特别在课程教学起初阶段借助数学工具、图形及动画讲授一些抽象概念，并注意建立各个知识点之间的联系，取得较好的教学效果[4]。徐庆伟等（2010）在数字信号处理的课程教学中尝试增加了文献阅读研讨课的内容，在拓展学生视野的同时也加深了对课程理论知识的理解[5]。在上述教研成果的启发下，笔者对数字信号处理的教学方法进行了如下改革和实践。
2 数字信号处理教学方法改革实践
2.1 结合媒体资料及案例的教学内容导入
数字信号处理课程的一些内容与生活中的科技联系紧密，如信号的频域分析和语音识别，信号采样与各类传感器的AD转换过程等，在介绍相关内容时通过相关媒体资料及案例导入。例如，课程中采用了数字音频的混音、变调和去噪使学生对信号的频域产生感性认识;通过介绍遥感传感器不同波段通道的成像过程，向介绍信号采样的过程。此外，課程中还适当穿插了介绍移动通讯技术，语音识别及合成，卫星定位与导航技术的媒体资料，有效激发了学生学习数字信号处理技术的兴趣。同时，通过介绍数字信号传输和处理技术在5G通讯、火星探测、月背探测等深空探测领域的应用使同学明白即使这样一门传统的技术仍存在挑战，需要不断突破，并与其它学科紧密结合，共同解决新的问题。多次课程教学发现，这些经过选择和安排的媒体教学内容和案例教学形式能够有助于提高学生的课程参与度，有利于促进学生在头脑中形成关于数字信号处理和相关课程、技术的宏观知识体系，经这种方式培养的学生通常具有更强的思考和解决问题的能力。
2.2 讲授、练习与讨论相结合的授课模式
数字信号处理课程的部分章节存在较多的计算、证明环节，例如信号的各种计算和卷积、系统线性和时变特性的分析，Z变换收敛域判断，Z变换、Z反变换的计算、以及Z变换定理的应用，系统函数、系统频率响应分析，离散傅里叶变换及其对连续信号进行频谱分析等。这些内容由于操作性较强，单纯讲授的效果往往不理想。因此在课程教学中，首先对学生进行分组，针对一些知识点将讲授和课程练习相结合，通过当堂习题演练巩固，分组竞赛并派代表做题讲解，使大多数同学思维充分被调动，这种形式的课堂氛围通常十分热烈，教学效果较好。在讲授和练习的同时，教师可以根据学生对知识的掌握情况组织讨论，帮助同学更好地理解和掌握课程的重点和难点，事半功倍。
2.3 基于MATLAB仿真的开放性实验设计
MATLAB作为强大的科学计算和分析工具，被引入到数字信号处理课程的教学已有较长的时间，目前多数高校具备MATLAB仿真实验的条件。借助其友好的人机界面，教师可以通过课堂演示和实验将一些数字信号处理的过程直观地进行展示，例如在介绍傅里叶变换和快速傅里叶变换（FFT）时，可以安排学生分别使用DFT和FFT处理某个信号，通过编写程序，查看分析的过程和结果，能够有效加深学生对离散信号傅里叶变换的理解，同时通过在MATLAB中比较两种方法实现同一操作的时间差，使学生体会到FFT在数字信号处理上的优势。在教学过程中，可以利用这一方式对信号的计算、卷积、傅里叶变换和频域分析、滤波器效果考察等进行演示，并设置如数字滤波器设计等一些开放性实验，提升学生灵活运用知识和工具的能力。
2.4 设置文献综述报告交流环节
近年的教学实践中，笔者和教研室老师增加了文献综述报告和交流的环节，一般一学期在后半段安排每位同学选择一个具体的问题进行一次文献调研和综述，以报告的形式进行交流和讨论。通过这一环节，有效提高了学生专业资料查阅、整理和概括的能力和自主学习的意识。在综述报告过程中，例如小波分析、信号特征的提取、信号压缩及重构等深一度的内容被提出并进行讨论，有效加深学生对课程知识内涵和外延的认识。而在实施这一方法时，教师应注意对文献资料查阅方法、查找范围、综述和报告形式等作适当的辅导，以保证教学效果。
3 小结、问题与挑战
数字信号处理课程教学总体上是大学理工科专业中一门较有挑战性的课程，在课程教学方法创新、改革时教师应注意对多种教学方法的综合运用，同时应充分考虑学生所在专业的特点、知识结构、上下游课程之间的关系等因素，选择适当的方法并不断优化。经过多年的课程教学，笔者认为该门课程教学的主要问题和挑战在于如何让学生能够理解和掌握课程中一些较为抽象的内容和相对较深的数学分析、推导过程，以及如何使课程教学与上下游课程更好地衔接。因此，在未来的教学过程中仍需不断探索提升教学效果的途径。
【参考文献】
[1]姚利民. 高校教学方法研究述评[J]. 大学教育科学. 2010， 2010（1）： 21-30.
[2]胡学友，王颖，胡云龙. "数字信号处理"教学改革与实践[J]. 高教论坛. 2007（3）： 67-69.
[3]赵全明，王霞，高军萍，等. 数字信号处理教学方法探析[J].教学研究. 2008， 31（5）： 443-444.
[4]王祥春. “数字信号处理”教学方法探讨[J]. 科技创新导报. 2010（16）： 248.
[5]徐庆伟，郭振铎，刘洲峰. 数字信号处理课程教学方式的改革与研究[J]. 中国教育技术装备. 2010（6）： 27.
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