《数字信号处理》教学方法研究

1.引言 随着电子技术及计算机技术的飞速发展，数字信号处理的新理论和新 技术层出不穷，目前它已成为应用最快、成效最显著的学科之一。《数字信号 处理》已经成为我校通信工程专业的一门专业基础课，它是多门课程相互连接 的桥梁和纽带，实现了从理论到实践的相互过渡，对于培养学生理论分析和综 合应用能力有非常重要的作用。但是该课程理论性比较强，概念抽象，［１］ 对数学基础要求也比较高，容易使学生感到乏味，学生对该课程普遍有畏难情 绪。因此笔者结合江苏大学通信学院的教学特点，对数字信号处理教学方法作 了深层的探讨，在传统教学手段的基础上，开发了多媒体教学辅助系统，充分 发挥了现代教学手段的优势；并将 Matlab 软件用于教学，将抽象的概念感性化， 以形象生动的手段来展示理论内涵；采用实验和教学相结合的形象教学，培养 学生的学习兴趣，充分调动学生的学习积极性。 2.教材和教学内容的选择 2.1 教材选择 目前“数字信号处理”的教材很多，笔者选用了东南大学吴镇扬教授编写 的《数字信号处理》第二版。［２］该书对信号处理的基础理论和基本算法进 行了充分的论述与讨论，条理清楚，深入浅出，有利于学生更牢固地掌握，是 一本很实用的教材。该书还很好地处理了和“信号与线性系统”的关系，在保持 课程完整性的同时压缩重复内容。在内容取舍上，结合数字信号处理技术的发 展做了精心的安排。 2.2 教学内容 “数字信号处理”课程理论性较强，对数学基础要求较高，学生普遍反映 抽象、难学。［３］针对这种情况，为在 60 学时（含实验 10 学时）内有效完 成数字信号处理的知识点的讲授，笔者对内容做了合理安排，讲授沿两条主线 进行，精简部分内容，如表 1 所示。 一条是信号与系统的时、频域分析，包括离散系统的时域分析、z 域分 析、傅氏变换，FFT 及利用 FFT 进行频谱分析；另一条是数字滤波器的设计与实 现，包括 IIR 数字滤波器的设计、FIR 数字滤波器的设计，以及这两类数字滤波 器的实现结构和各种滤波器结构的误差分析。对教材中关于 DSP 应用方面，如 芯片介绍这一节的内容，将并入到另一门课“DSP 芯片原理及应用”这门课中讲授。 3.教学方法优化 “数字信号处理”是一门数学理论较强的课程，其特点是公式多，概念比 较抽象，比较枯燥，难度大。要获得较好的教学效果，我们需要采取一些技巧 和方法。 3.1 多媒体教学手段和传统教学手段的并用 基于本课程的特点，在教学过程中教师可以采用板书和多媒体教学相 结合的讲课方式，以板书为主，多媒体为辅。板书主要是针对一些课程中的基 本原理和方法推导证明，这样可以使讲课方式更灵活、师生互动性更强，使学 生跟随教师的思路来领会学习的要点和难点，学起来比较容易。而对于一些需 要形象理解、图形举例演示的部分，教师可以采用多媒体教学方法，利用图像、 视频等多种形式进行互动教学。［４］比如介绍采样定理的时候，在推导采样 定理的同时，采用动画的方式，演示一个模拟信号经过采样前后，时域和频域 的变换关系，使学生更深刻地理解采样定理，实现对该知识点的融会贯通。 在设计幻灯片格式时我们应注意以下几点： （1）选择容易看清的字体和字号。PowerPoint 默认的中文字体为宋体、 英文字体为 TimesNewRoman，为保证坐在教室最后一排(尤其角落处)的学生看 清演示，中文选用加粗黑体，英文选用加粗 Arial，字号在 18pointspoints 和 28pointspoints 之间。 （2）选用深蓝色背景，字体颜色采用对比度较高的颜色。为了便于学 生使用，将演示文稿制作成适于打印的.pdf 文件。 （3）由于学生同时听讲和看幻灯片，注意力容易分散，会感觉跟不上 讲课思路或对于幻灯片内容印象不深。为解决这个问题，既可以利用动画效果 逐步展示内容，又可以制作内容精练、布局合理、便于识记的幻灯片。 3.2 在教学中应用 Matlab 软件 Matlab 是 DSP 教学中的标准仿真软件，它能轻松完成系统分析、信号 处理中的大量计算和绘图工作，并可生成教学所需的多媒体素材。［５］例： 已知一连续正弦信号的频率为 150Hz，取时间长度为 0.1s，采样频率分别取为 500Hz，1000Hz，5000Hz，20000Hz，仿真结果分别如图 1―4 所示。 3.3 课堂讨论与练习 课堂目前是本科生进行理论学习的主要场所，课堂教学方法的改革应 放在重要位置。笔者采取“启发式教学和研究型学习”的教学方法，从研究问题 入手，将数字信号处理的一些重要理论构建过程展现出来，同时提出新的问题， 以便让学生进行思考和研究。比如介绍滤波器理论时，笔者首先提出在通信系 统构建的主要模块，在系统最前端，其次为了选择有效信号，引入滤波的概念， 提出滤波器理论。 在课程的理论教学中，笔者针对教学难点和重点提出问题，定期和不 定期地在课堂中进行讨论，请学生事先准备好，上讲台发表见解。 4.结语 《数字信号处理》是一门非常重要的课程，因此在适应素质教育对电 子信息专业人才培养的要求下，笔者结合我校实际情况对该课程进行优化改革。 实践证明，随着通信技术、电子技术和计算机技术的飞速发展，实现对《数字 信号处理》的教学优化，有利于提高课时效率，有利于拓宽专业知识面，有利 于培养和加强自身系统设计能力和实践能力，有利于加强自身素质教育的课程 改革。 但是，如何在学习过程中发挥自身的主动性，将更多方案应用于学习， 使学生的学习效果达到最优，还有待进一步探索和实践。采用 Matlab 仿真软件 来优化课堂教学，不仅丰富了教学内容，而且加深了学生对理论的理解；使公 式的推导不再枯燥，且算法易于实现；使理论与实际紧密结合，更锻炼了学生 的实践能力。 