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數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革
數(shù)字信號處理課程教學(xué)改革
摘 要： 數(shù)字信號處理是電子信息工程專業(yè)的核心課程，其理論性強，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。
但課程公式繁多、枯燥難學(xué)、內(nèi)容多、知識點分散，導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生學(xué)習(xí)起來較為困難，從而引發(fā)學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣不濃等問題出現(xiàn)。
作者根據(jù)教學(xué)時所積累的經(jīng)驗，針對產(chǎn)生問題的主要原因，從課程的知識結(jié)構(gòu)、實驗教學(xué)、教學(xué)模式等方面進行了改革與探討。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字信號處理課程 教學(xué)改革 優(yōu)化知識結(jié)構(gòu) 加強實驗教學(xué) 綜合化教學(xué)模式
數(shù)字信號處理所涉及的內(nèi)容非常繁多、廣泛。
其所應(yīng)用的數(shù)學(xué)工具涉及微積分、隨機過程、數(shù)值分析、復(fù)變函數(shù)和各種變換等;其理論基礎(chǔ)包括網(wǎng)絡(luò)理論、信號與系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等;其應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)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(shù)字信號處理技術(shù)。
學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)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(xué)生系統(tǒng)地理解和掌握課程中的基本內(nèi)容，充分鍛煉實驗的應(yīng)用能力，我對數(shù)字信號處理課程的教學(xué)進行了針對性的改革與探討。
1.優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)
數(shù)字信號處理課程中知識點比較多，數(shù)學(xué)推導(dǎo)十分復(fù)雜。
我通過對本門課程進行深入研究，類比各知識點，發(fā)現(xiàn)有一條線路貫穿于課程之中，只要在課程教學(xué)中把握好這條線路，復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)將會變得清晰，容易識記。
我將該課程優(yōu)化成兩大模塊：變換域的知識結(jié)構(gòu)和數(shù)字濾波器的知識結(jié)構(gòu)。
1.1變換域的知識結(jié)構(gòu)
變換域的知識結(jié)構(gòu)是該課程的第一大模塊結(jié)構(gòu)。
先引入時域離散信號與系統(tǒng)，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(nèi)容進行展開討論，對于幾種典型序列和時域離散系統(tǒng)性質(zhì)：線性、時不變、因果性和穩(wěn)定性進行重點介紹。
其次講述DTFT、DFS、ZT(IZT)、DFT變換的定義、性質(zhì)和定理。
其中每個變換都遵循嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理，都圍繞著變換的定義、性質(zhì)和定理展開內(nèi)容講解。
在教學(xué)過程中除了詳細講解各個知識點之外，還要建立之間的聯(lián)系，歸納出變換之間的聯(lián)系如圖1所示。
在建立聯(lián)系時不僅要從數(shù)學(xué)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(xué)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(shù)字濾波器的知識結(jié)構(gòu)
數(shù)字濾波器的知識結(jié)構(gòu)是該課程的第二大模塊結(jié)構(gòu)，其主要圍繞數(shù)字濾波器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計方法展開討論。
數(shù)字濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為：IIR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和FIR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
通過狀態(tài)變量分析法對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行分析，確定狀態(tài)變量，求出狀態(tài)方程和輸出方程。
應(yīng)用脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法設(shè)計低通、帶通IIR數(shù)字濾波器，分析理解兩種具體方法的特點和區(qū)別，與分別設(shè)計的數(shù)字濾波器的頻域特性。
窗函數(shù)法和頻率采樣法是設(shè)計FIR濾波器基本方法，通過實驗使學(xué)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(shù)對濾波器性能的影響。
數(shù)字濾波器的設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析如圖2所示。
2.加強實驗教學(xué)
數(shù)字信號處理課程中的理論和結(jié)論大都是經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)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(huán)卷積、抽樣定理、對Z變換進行等間隔采樣實現(xiàn)DFT、數(shù)字濾波器設(shè)計等一系列問題都可通過圖形建模使之可視化。
實驗教學(xué)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(shù)字信號處理的概念、性質(zhì)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(zhì)等;硬件平臺主要實現(xiàn)數(shù)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(shè)計方法等。
2.1基于MATLAB基礎(chǔ)理論實驗
數(shù)字信號處理課程具有理論性強和應(yīng)用性強等特點，在教學(xué)中教師要加強理論教學(xué)。
實驗教學(xué)的設(shè)計可以更好地讓學(xué)生理解理論教學(xué)內(nèi)容，具有啟發(fā)性，能培養(yǎng)學(xué)生的思考能力和科研能力。
針對理論知識點的內(nèi)容，可將實驗各部分的內(nèi)容劃為：系統(tǒng)響應(yīng)及系統(tǒng)穩(wěn)定性;時域采樣與頻域采樣;用FFT對信號作頻譜分析;IIR數(shù)字濾波器設(shè)計及軟件實現(xiàn);FIR數(shù)字濾波器設(shè)計與軟件實現(xiàn)。
對于所涉及的實驗教學(xué)內(nèi)容，要突出強調(diào)對實驗結(jié)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(shè)計
在基礎(chǔ)理論實驗的基礎(chǔ)上，為了充分調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生鉆研科學(xué)的興趣，綜合性課程設(shè)計是非常有必要的。
其可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，更有利于培養(yǎng)他們獨立思考、善于創(chuàng)造、綜合運用知識的能力。
根據(jù)數(shù)字信號處理在雙音多頻撥號系統(tǒng)中的實際應(yīng)用，我進行了綜合性、設(shè)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(tǒng)是一個典型的小型信號處理系統(tǒng)，它用數(shù)字方法產(chǎn)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并進行數(shù)字信號處理與識別。
3.綜合化教學(xué)模式
由于數(shù)字信號處理的DTFT、DFS、ZT(IZT)、DFT變換的定義、性質(zhì)和定理和數(shù)字濾波器設(shè)計的內(nèi)容涉及的公式繁多、概念抽象，在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)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(xué)方法、多樣化教學(xué)手段、創(chuàng)造自主化學(xué)習(xí)情境，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生理解公式的物理意義，便于對知識的識記和應(yīng)用。
3.1形象化教學(xué)方法
數(shù)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(dǎo)過程也相當(dāng)復(fù)雜。
在實際的教學(xué)中，教師需要采用課程板書的形式，讓學(xué)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(shù)一股腦地塞給學(xué)生。
教師在教學(xué)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(xué)生在打好基礎(chǔ)后，能舉一反三，學(xué)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(qū)間[0，2π]上的N點等間隔采樣。
在講解相關(guān)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(xué)中，教師可采取合理應(yīng)用形象化的方法，培養(yǎng)學(xué)生看到公式可以聯(lián)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(xué)手段
在習(xí)題課和一些基本原理、基本方法的推導(dǎo)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(xué)生足夠的時間進行領(lǐng)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(xué)手段，可以節(jié)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(xué)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(dāng)?shù)卣迟N一些圖片性內(nèi)容，遠比文字要形象和生動，還可以粘貼一些調(diào)節(jié)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(dǎo)學(xué)生去費勁地閱讀PPT上的文字。
多媒體教學(xué)手段與傳統(tǒng)的板書教學(xué)相融合，不但可以發(fā)揮多媒體手段信息量大、形象、直觀等優(yōu)勢，而且板書可以對多媒體的推導(dǎo)細節(jié)進行補充，放慢上課節(jié)奏，使教學(xué)邏輯更嚴(yán)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(xué)習(xí)情境
在實際教學(xué)中，教師要站在學(xué)生的立場上，找到學(xué)習(xí)入門的最好切入點：結(jié)合課堂提問、作業(yè)布置、習(xí)題講解等手段，使學(xué)生達到基本的教學(xué)要求。
適當(dāng)?shù)靥釂枺梢詸z驗學(xué)生學(xué)得怎么樣，將學(xué)生的狀況及時的反饋給老師，老師再適當(dāng)?shù)卦诮虒W(xué)中作調(diào)整，將取得很好的教學(xué)效果，同時也可加強與學(xué)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(xué)生當(dāng)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(xué)生布置適量的作業(yè)，通過批改作業(yè)來發(fā)現(xiàn)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(tǒng)模式，即由平時表現(xiàn)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(xué)生不重視實驗、不注重如何應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的原因之一，結(jié)果造成理論聯(lián)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(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力及動手實踐能力。
4.結(jié)語
我針對數(shù)字信號處理課程的特點，應(yīng)用知識的連貫性，建立了各個知識點之間的聯(lián)系，便于學(xué)生理解與聯(lián)想記憶。
MATLAB的引入為數(shù)字信號處理教學(xué)提供了全新的方法，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變被動學(xué)習(xí)為主動探索，加強了理論與實踐相結(jié)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(tǒng)板書和多媒體教學(xué)相結(jié)合的手段，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，做到了用中學(xué)、學(xué)中用，使學(xué)生大大增強了學(xué)習(xí)的興趣。
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