随着计算机和电子技术应用的飞速发展, 数字信号处理学科得到了飞跃式地发展, 成为众多学科和领域的重要理论基础与技术基础。因此, 《数字信号处理》课程成为理工类本科院校电子信息工程和通信工程等专业的一门重要的专业基础课。但这门课程理论性很强, 抽象概念多, 起点高, 难度大, 又包含有很多科学方法, 涉及的数学知识非常多, 学生学习起来有一定困难。为了帮助学生系统理解和掌握该课程中的基本理论和分析方法, 培养综合应用所学知识独立解决实际问题的能力和工程实践创新能力, 我们课程组对《数字信号处理》课程进行了有针对性的改革, 在教学内容、教学方法和实践环节等方面进行了改革与尝试。
1 教学内容的调整
《数字信号处理》课程很多理论和方法比较抽象, 但因学时限制教学时不可能面面俱到, 应适当精简、浓缩课程内容, 讲授最根本和精华的内容, 因而教材选用和建设非常重要。前几年我校信息工程专业和电子信息专业选用的教材为程佩青编著的《数字信号处理》, 该教材对数字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, 内容丰富。但近年来, 由于扩招, 学生的素质良莠不齐, 基础下降, 发现该教材学生学起来比较吃力, 不再适合本校学生的实际情况, 根据教学实际, 我们课题组组织编写了教材《数字信号处理-理论和实践》, 本着厚基础、重实践的指导思想, 对教学内容进行了合理的整合。该教材围绕《数字信号处理》课程的两大主线进行展开:离散傅利叶变换DFT和快速傅利叶变换FFT, 数字滤波器的设计及实现。教材内容上重视基本概念和基本原理的阐述, 简化了复杂公式的理论推导, 有效地突出了教学重点和难点, 同时每部分配以大量MATLAB例子及习题, 以方便学生的理解与自学。在具体利用该教材进行教学的过程中, 课题组关于教学内容方面主要做了以下的改革实践。
(1) 明确要求以教材为主题, 但尽可能简化理论公式推导, 而是要深入浅出, 化抽象的数学概念为学生易接受和理解的生动实例。在课堂上多注重利用MATLAB程序演示实际的课堂内容, 使抽象概念形象化, 枯燥定义具体化。
(2) 注重数字信号处理学科的新技术和发展动态的引入。数字信号处理理论和应用在近年来发展很快, 应用领域不断拓宽, 传统的经典谱分析已无法满足人们对信号处理的要求, 以小波变换为代表的现代谱估计应运而生。因此, 随着教学的展开和深入, 教学中有意识地介绍本学科的新进展, 开阔学生的思路, 激发学生学习的积极性和求知欲。
(3) 教学内容更重视理论联系实际的原则。数字信号处理课程不仅理论性强, 而且其工程应用非常广泛, 为此我们课题组结合科研课题的具体应用, 对教学的每一部分都选取了几个典型的工程应用案例, 以便教师在教学中向学生说明。这样, 再通过课堂上MATLAB生动地演示, 学生会清楚所学知识在实际应用中的用武之地, 理解概念、理论的物理意义、联系与工程应用。
(4) 强调课程衔接, 理顺理论体系。与《数字信号处理》直接相关的前期课程是信号与系统, 在《数字信号处理》课程中很多内容对于学生来说不是全新内容, 学生在信号与系统课程中已经学过一些相关概念、性质及表示等内容, 只是由于这些内容对数字信号处理课程的学习至关重要, 会重新学习。所以两课的衔接和过渡显得尤为重要, 安排不好, 就会影响学生的兴趣, 使学生产生厌烦情绪。为了避免重复, 应突出讲授数字信号处理的离散化问题, 做好课程的衔接, 这在我们编写的教材中已经进行了很好的体现。与《数字信号处理》直接相关的后续课程有通信信号处理技术、嵌入式应用技术和DSP原理等, 这些课程侧重于数字信号处理理论的具体应用。因此, 在教学内容的安排上, 必须理顺课程的体系, 处理好信号分析与系统分析的关系, 强调以信号分析为基础, 以信号处理为目的, 系统分析和设计服务于信号处理的需要。鉴于此, 教材的内容安排上更加注重前后知识点之间的联系, 要求教师在每章结束时注意总结前后内容的联系, 帮助学生对所学知识有清晰的轮廓和完整的认识, 以增强学生逻辑思维, 进而掌握本课程的理论体系, 为后续课程的学习打下基础。
2 教学方法的改革
教学活动是师生双边活动的过程。教师对待学生和学科的态度直接影响他们学习的兴趣和动机。教学中教师不要忽视学生的主导作用, 应给他们创造宽松的环境。为此, 我们在教学方法上主要从以下两方面进行了改革。
(1) 多种教学方法的融合。由于大学扩招, 致使教学对象的个体存在差异和多样性, 因此不存在单一的最佳的教学方法和手段, 必须采用灵活多变的教学方法, 并且在教学的过程中, 要勇于创新。为此, 我们在教学过程中主要采用讲授、演示、互动相结合的方法, 特别注重多媒体教学的利用。在讲授中利用多媒体课件丰富课程的内容, 注重引导学生学习的兴趣及相关应用实例的引入, 使学生感到自己所学的知识就在身边, 而不是遥不可及、触摸不到的;利用一些典型的专题如FFT应用、数字滤波器设计等进行课堂讨论, 注意引导学生提出问题、分析问题;利用网络为学生提供丰富的教学资源, 如教学课件、疑难问题的解答等, 以帮助学生及时解决遇到的问题。实践证明, 多种教学方法的结合有助于激发学生学习的主动性, 开阔思路, 培养他们独立思考问题和解决问题的能力, 收到了较好的教学效果。
(2) 加强习题课和实验课的教学。习题课和实验课是对课堂教学内容的延伸和拓展, 能够帮助学生消化和巩固所学知识, 培养学生运用理论知识解决实际问题的能力。在习题和实验的挑选上考虑大多数学生的学习情况, 注重基础概念的理解, 理论和实践的结合等。针对学习精力有余的学生, 选择一些开放习题和开放实验, 以锻炼学生的思维能力, 进一步理解和掌握课程的知识难点, 拓宽知识面。从实际效果看, 促进了学生对课堂教学内容的理解和掌握, 学生的整体考评成绩得到了提升。
3 多种形式实践平台的构建
为了切实提高我校电子信息工程类专业的动手能力, 随着数字信号处理课程教学改革的逐步展开, 根据不同阶段的特点, 我们构建了从基础实验、课程设计实习到课题式研究的一套实践平台。
(1) 基于Matlab的实验平台。MATALB是一种可视化的科学计算和分析软件, 利用其提供的良好界面、方便的操作过程及强大的数字信号处理工具包, 我们针对《数字信号处理》课程开发和设计了验证性、综合性、设计性实验。在课堂上注重演示一些典型实验的实现过程, 对一些重点内容要求学生在课后利用MATLAB设计程序进行验证。通过这些实验, 锻炼了学生用计算机辅助计算与分析解决实际问题的能力, 进一步地理解了数字信号处理的理论知识。
(2) 构建了多种服务于《数字信号处理》课程的综合应用系统开发平台。为了达到对知识的融会贯通, 提高学生的系统分析和应用能力, 结合我校的大学生课外实践活动, 我们针对《数字信号处理》课程开发了基于单片机的综合系统应用平台、基于ARM的嵌入式系统平台和DSP应用开发平台, 学生在这些平台上可以进一步地学习FFT、数字滤波器等的实现及应用方法。在课程设计环节, 可以进一步通过这些平台提高综合运用数字信号处理理论的能力及系统设计能力;在此基础上通过向学生推荐一些开放性课题, 以及组织学生参加电子大赛、大学生创新活动等指导学生综合所学知识去开发不同的应用系统, 以进一步培养学生的创新和实践能力, 同时又促进了学生对嵌入式技术、DSP技术等相关课程的学习, 提高学生的科研能力。
4 结语
《数字信号处理》课程教学改革是一个融合多方面的系统工程, 尤其在科技不断进步、信息更新的时代, 更需要我们教学工作者全身心地投入。针对《数字信号处理》课程的教学改革还处于一个起步阶段, 还需要课程组成员继续不断地去实践中探索, 并在教学内容、教学方法上大胆地创新和尝试, 密切理论和实践平台的联系, 切实提高教学质量以培养出更多具有创新能力的大学生。
摘要：从优化课程教学内容、改进教学方法及构建多种形式的实践平台等三个方面来阐述数字信号处理课程教学改革的主体内容。目的在于形成数字信号处理课程的创新教学模式, 促进教学改革的深入, 提高教学质量。实践证明, 通过改革教学质量得到了提高, 增强了学生的创新实践能力。
关键词：数字信号处理,教学方法,MATLAB,实践平台
参考文献
[1] 王艳芬.信息专业“数字信号处理”的改革与实践[J].电气电子教学学报, 2004, 1 (2) :47～49.
[2] 程佩清.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社, 1995.
[3] 孙明, 邓羽.提高“信号处理原理”课程教学效果的实践[J].电气电子教学学报, 2006, 26 (4) :98～101.