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数字信号处理课程的教学改革与探索

来源:用户上传      作者:许亚男

  摘要:作为应用型本科院校,针对数字信号处理课程本身的理论性强、概念抽象、公式繁多等特点,经过多年的教学实践,在理论教学过程中尽力淡化公式的概念推导,重点介绍公式的应用,引入Matlab仿真教学以及学校数字化教学平台,结合实际动手能力的培养,使得学生的学习兴趣大大提高。
  关键词:数字信号处理;教学改革;实践改革
  中图分类号:G642        文獻标识码:A        文章编号:1009-3044(2019)02-0108-02
  数字信号处理是电子通信类专业的必修专业基础课程,也是很多专业的研究生入学考试科目,教学过程中学生都普遍反映课程的内容枯燥、理论太强、公式多且繁,整本书感觉都是在进行公式推导, 学生很难产生学习兴趣[1][2]。数字信号处理这门课程对数学知识要求比较高,学生前期高等数学、复变函数、概率论等数学知识比较扎实的话对学习这门课程会有很大帮助,其次,信号与系统是数字信号处理的先学课程, 有些同学信号与系统都没有学好,怎么能够学好数字信号处理,可以说数字信号处理是紧接着信号与系统的连续系统分析转换到离散系统分析,是一门基础理论与工程实践相结合的课程,其很多知识都是与公式推导联系在一起的,学生听不懂、不想听甚至厌恶听都是可以理解的。然而作为一名高校教师有义务将这门课程教好,所以我们学校电子课题组的老师多年来一直在完善教学方法与教学手段,尽可能提高学生的学习兴趣,以符合我们学校应用型本科院校的定位, 达到专业培养的目标。
  1教学现状
  目前我们学校在这类课程的教学过程中,还没有形成一个健全的教学模式,大部分老师教学的时候,重点还是在课程理论的讲解上面,但是学生根本不感兴趣,所以我们迫切希望能够让学生从根本上不再厌烦理论的讲解,这需要将理论知识进行剖析分解,将枯燥的内容形象化,将难懂的内容简单化后再传授给学生,同时要增加实践的比重,强调课程的实际应用价值。以下几个方面是我们目前遇到的主要问题。
  1.1重理论轻实践
  “数字信号处理”课程是对数字信号的一些处理方法的介绍,课程理论性很强,全篇公式特别多,老师们在上课的过程中难免需要对这些公式进行推导、证明,让学生以为公式才是重点。另外,课程实验主要还是以Matlab仿真实现课本上的一些基本算法,很多算法都是Matlab工具箱自带的,并不需要学生自己去编程,根本不能够激发学生的学习积极性。
  1.2只讲授确定信号,不讲授随机信号
  目前,我们学校在《数字信号处理课程》的讲授过程中还没有对随机信号内容进行讲解的,可是,我们在实际生活中,经常处理的信号都是一些随机信号,比如语音信号,噪声干扰信号,心电信号等等。所以,今后教学过程中有必要介绍一些随机信号的知识,这样对学生今后考研和工作上可能都会有很大帮助的。
  1.3教材选择的不够合理
  经过比较,我们选择的几个版本的教材理论性都太强,与前期的复变函数、信号与系统等课程的衔接不够紧密,学生一时不能适应课程的教学,另外教材中也没有涉及实验教学,缺乏实践案例,学生无法从全篇的公式推导中寻找到学习的乐趣,也就很难培养出应用型人才。
  1.4考核方式比较单一
  一直以来,数字信号处理的考核跟其他课程一样,由平时成绩与期末成绩构成,平时成绩主要包括考勤、作业以及课堂表现,一般占30%,期末考试是老师上完该课程之后进行统一的闭卷考试,占总成绩的70%,这种考核方式重点是考查学生对基本理论、基本概念的掌握,学生都是通过考前死记硬背来应付这样的考试的,等到考试一结束,就忘记得干干净净,根本考查不了学生分析和解决问题的能力,更不利于学生综合素质的培养。
  1.5学生学习兴趣不高
  很多学生还没有摆脱高中时期的应试教育的影响,一味地觉得做题才是学好理工科的关键,觉得考个高分就代表这门课学得很好,其实大学生真正要学好一门课程还是要从这门课程的应用方面来着手,只有意识到这门课程的学习价值,才能主动自觉的要求学,也才能真正地学好一门课程,所以,要想使学生对《数字信号处理》这门课程感兴趣,首先应该让他们真正认识门课程价值所在。
  为了培养出应用型本科人才,我们需要让学生对课程感兴趣,让他们在掌握一定理论基础的前提下,更多的将课程的工程应用于自己的实际工作中,解决自己工作中遇到的问题。因此,我们有必要探索更好的教学方法,以帮助学生更好地掌握这门课程的学习,为今后的学习工作打下坚实的基础。
  2教学改革建设方案与措施
  基于我校数字信号处理课程教学中存在的一些问题,结合教学实际情况对该门课程提出了几点改革措施。
  2.1选择合适的教材
  针对后升本的普通本科院校来说,很多课程的教材选用还存在一个摸索阶段,需要结合学生的学习效果与老师的教学经验才能找到最适合应用型本科院校的教材。当前大部分高校都是使用一些理论性比较强的教材,比如郑君里编著的《数字信号处理》,程佩青编著的《数字信号处理教程》等[3][4]。 这些教材理论性都比较强,对实际工程应用讲解的太少,我们可以尝试选择一些结合工程应用的教材,比如赵红怡,张常年编着的《数字信号处理及其MATLAB实现》。同时,可以引导一些层次比较好的同学参考一些优秀的国外教材,比如美国维纳 K英格尔以及约翰 G普罗克斯著,刘树棠,陈志刚译的《数字信号处理》( MATLAB版)第3版。
  2.2制定合理的教学大纲,调整理论与实践的课时比例
  根据不同专业学习数字信号处理的差异性,制定不同的教学大纲。不同专业的人才培养目标不同,对课程的要求也不同,需要根据不同专业的特点,对课程的理论与实践教学课时的安排也需要适当调整。比如对于电子信息类的专业在开设这门课程之前应该多学过高等数学与信号与系统等相关课程,并且还开设了信号与系统的MATLAB仿真实训,所以学生具备了一定的基础知识,而且信号与系统也是电子信息专业的重要专业课,很多同学想着以后考研要考这门课程,所以学的时候都很认真,这样他们在学习数字信号处理的时候会轻松很多,所以理论课时可以适当地增加一些,实践内容也可以适当地加大难度。其他一些专业比如电气工程及其自动化专业,学生在学习信号与系统的时候重视程度不够,也没有安排信号与系统的MATLAB实训,后面学习数字信号处理的时候就更没有兴趣了,对于电气类学生应该重点放在简单的算法实现与工程应用上,对于一些烦琐的公式推导尽量淡化,知识内容上也可以适当地删减一些,这样可以一定程度上提高学生的学习兴趣,以便取得满意的效果。新旧教学课时有所改变见表1。   2.3教学内容与教学方法的改革
  理论教学中强调数字信号处理的实际应用性,注重实践教学,培养学生的学习兴趣,提高他们的动手能力。教学过程中随时利用MATLAB、LABVIEW仿真软件对教学内容进行仿真实现,同时借助课程实训加强对课程教学内容的理解,有条件的话引入硬件实验教学也是很有必要的。
  课堂教学应该板书与多媒体结合使用,基本概念与基本公式可以写在黑板上,不会占用太多时间,公式的推导以及图解就可以借助多媒体来展示,这样老师可以省下很多时间来写公式的推导过程,可以把更多的时间用于公式含义的讲解,物理意义以及工程应用的引入,这样学生就不会觉得这门课程全程都是公式推导了。实验教学主要以matlab仿真实训为主,让学生更加熟悉matlab软件的使用,同时加深对课本中一些理论的理解,尤其将很多理论知识通过仿真实验看到它们的实际应用价值,同时后期还会开设一门DSP课程,将DSP硬件实验引入实验教学中[5]。
  此外,除了传统的课堂教学和实验教学外,还应充分利用学校的网络化教学平台,将教学大纲、教学要求、电子教案、网络课件、习题及答案等内容上网,学生可以课前预习,也可以课后复习,还可以随时通过平台向老师提问,给老师留言等等,这样使得学生与老师之间的沟通变得更加方便,大大提高了学生学习的积极性。
  2.4考核方式的优化
  以往数字信号处理的考核都是以期末考试为主,平时课堂表现与课内实践为辅,按照三七比例(平时成绩占30%,期末卷面成绩占70%)给出总评成绩,试卷上面能够考察的还是公式为主,很难考查学生是否真的知道这门课程的实际应用,以及学生的实际编程与动手能力,所以我们尝试平时多进行一些实践内容的考察,比如平时布置一些实际动手的项目让学生去完成,可以分小组完成,最后提交项目报告,根据完成情况,给出平时实践分数,将期末考试分成理论与实践两部分,实践部分可以开放式考核,这样课程的学习目的就达到了。表2就是对课程考核进行改革的具体情况。
  2.5教师综合素质的提高
  教师是传道授业的主体,作为工科的老师就更应该要不断丰富自己的知识储备,不断更新自己的知识体系,要经常参加一些学术交流, 熟悉本领域的最新动态,同时与本教研室的老师也要经常探讨课程的改革方式方法,不断提高教师的教学水平,尤其是从事该课程教学的老师需要经常在一起沟通教学经验,加强学习与讨论的机会,分析大家教学中遇到的问题以及学生的反馈意见等,不断提高自己的教学水平。
  3结论
  经过一段时间的教学改革,采用理论教学与实践教学相结合的方法,注重课程本身的实际应用,避开一些烦琐的公式、理论推导,可以使得学生的学习兴趣大大提高,能够激发学生的学习积极性。利用Matlab仿真软件可以使课堂教学中的枯燥内容变得实际生动,板书结合多媒体教学更能点面结合,做到该详细的详细该生动的生动,单独的实训教学可以更加集中学习实际应用,同时可以引入项目教学,让学生发挥自己的创造性,完成整个项目的设计要求,增强学生的学生兴趣,也为今后工作打下良好的基础。同时充分利用学校的数字化网络教学平台,可以方便学生在课下查阅课程相关资料,做好预习与复习,还可以与授课老师进行在线交流,学生的学习自主性大大提高。
  参考文献:
  [1]谢平,王娜,林洪彬.信号处理原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2009.
  [2]刘永红,王娜.“数字信号处理”课程学习兴趣的培养[J].电气电子足学报2014,36(2):9-11.
  [3] 程佩青.數字信号处理教程[M].4版.北京:清华大学出版社,2015:6-10.
  [4] 高西全,丁玉美.数字信号处理[M].4版.西安:西安电子科技出版社,2016:2-6.
  [5] 尹立敏.数字信号处理课程实验教学内容改革研究[J].科技资讯,2016,16(10):84-86.
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