数字信号处理课程多教学模式的探索（共10篇）
随着科学研究和工程技术等领域广泛的应用信号处理，其对信号处理要求也逐渐提高，但在实际应用的过程中，模拟信号处理存在诸多的问题，故现在开始采用数字的方法对信号进行处理。随着经济的发展，数字信号处理也成为信号与信息处理学科中的重要部分，且也得到了快速的发展。
一、数字信号处理课程教学中存在的问题
随着数字化和信息化的快速发展，数字信号处理课程在电子信息类专业的地位越来越重要。目前，我国数字信号处理课程教学中存在以下的诸多问题：首先，课程教学的过程中主要是以系统分析为主的，重视对原理与方法的讲解，忽略了信号分析的重要性，这满足不了现代市场对人才的需要。其次，忽视了数字信号处理的应用。在教学的过程中，一味的强调理论课程的学习，忽视了学生对实践知识的需求，造成了其教学内容与应用的脱节，最后，由于数字信号处理课程本身的繁杂性无法调动学生的学习兴趣，在学生学习的过程中，经常会遇到各种各样的问题，阻碍了学生在大学阶段能全面学习数字信号处理课程的专业知识。
二、数字信号处理课程教学实践与探索
2.1考核方式的改革
改变考核方式，是当前高等院校数字信号处理课程改革的一项重要内容。数字信号处理课程的考核应该理论与实践相结合，既要检查学生的理论知识，又要考查学生的实践能力，从而提高学生的综合能力。教学评价在学校教学中占有重要的地位，高等院校数字信号处理课程也不例外。在高等院校数字信号处理课堂教学过程中，教师应当给予学生科学评价。教师可根据学生完成的程度的个体差异、显性指标及隐性指标等进行评价。或按照学生在学习过程中与别人的合作程度及学习的努力程度进行学生间的互评，促进高等院校数字信号处理教学有效地开展。考核的评价方式应全面衡量学生自身的综合学习情况，重视学生的努力程度等个体差异情况。评价还用重视学生的参与度，重视学生在学习过程中的自我评价、收获及经验。
2.2学生动脑动手，创新思维的锻炼现代的教育理念
逐步由注重学生的认知到注重学生的成长发展与变化，即从重视继承向重视创新的转变。一些研究型课程和拓展型课程的开设也是很有必要的。让学生拥有自主学习的能力，经过专业课程训练，能够使学生适应不断变化的专业领域的各种趋势，使本科生形成初步的科学研究态度和认识。
2.3进行双向互动式研究型学习
双向互动式研究型学习是在教学过程中突出了学生的主体地位，教师的指导作用，这种教学模式主要是鼓励学生进行自我的学习，积极的参与到数字信号处理课程的自主发现式学习中，通过自身掌握的相关知识，将学习的知识通过学生演讲、讨论和教师总结补充的方式，在学习课程内容之余，鼓励学生做超越数字信号处理课程内容的创新应用设计，进而激发学生对数学信号处理课程的学习兴趣。
2.4提高学校教学管理水平
管理工作的科学化和现代化是社会进步的重要动力。但教学管理是一项综合性较强的工作，教学是一个动态系统。随着数字信号处理教育的需求，可适当的将封闭式教学转化为开放式教学，改变教师包办一切的教育形式，用主动式的管教方法，为数字信号处理提供更多的教学空间和教学时间。
2.5提高数字信号处理教师的综合素养
随着现代市场对人才的需求，为适应素质教育发展的需求，促进数字信号处理人格的健康发展，需要数字信号处理教师的专业化发展有较高的水平。数字信号处理教师应不断的进行继续教育，使知识得到不断的补充和发展，不仅具有专业的知识外，还应掌握相关的教育心理学知识等。数字信号处理师资力量是保证教学的重要因素，直接影响着教学的质量。
三、结语
随着高校师范专业课程教学论针对高校课程的探究式教学实践研究的展开，工科专业课程的教学方法和教学内容是否能够适应改革，是当前高等教育课程改革的重要内容。在数字信号处理教学中，教师要综合利用多种教学手段,在教学过程中要注意理论联系实际,激发学生的学习兴趣。
参考文献
近年来, 由于大规模集成电路、计算机技术、电子技术的飞速发展, 信号的数字处理技术已成为科学研究和工程技术中的一个重要环节, 代替了传统的模拟信号处理技术, 广泛应用于通信、雷达、航空航天、控制、物理、天文、生物医学等各种领域。与此同时, “数字信号处理”课程已被确定为电子信息工程、通信工程、测控仪器类等相关本科专业的专业基础课程, 并成为了以上各专业或学科研究生入学考试的课程, 是一门理论性和技术性都很强的课程[1,2,3]。目前, “数字信号处理”课程是我校的精品课程, 是“信号处理”课程群的核心课程, 该课程群是广西特色专业及课程一体化建设项目电子信息工程专业的两个核心课程群之一。我们开展课程建设与改革, 有助于建构学生合理的知识结构、能力结构, 也是保证和提高教学质量最重要的基础性建设。
“数字信号处理”课程解决从模拟信号到数字化处理过程的信号变换和系统设计。为了跟踪国际技术前沿, 我们采用外文教材, 由电子工业出版社出版的英文改编版《数字信号处理-基于计算机的方法》[4], 美国著名专家Sanjit K.Mitra著。该教材理论和实践并重, 通过五届学生的使用, 在理论教学、实践教学上日渐成熟, 构建了围绕2个定理和2个系统的理论和实践教学主线。在教学方法上, 采用问题探究式、比较学习等教学方法, 将MATLAB软件融入教学各个环节, 提高课程的生动性、形象性和趣味性。
2 教学主线
数字信号处理本质上是利用数字系统来实现对信号的处理, 课程内容围绕着信号的数字化处理课程。2个定理为时域抽样定理和频域抽样定理, 对应于三个傅里叶变换, 即连续时间傅里叶变换CTFT、离散时间傅里叶变换DTFT、离散傅里叶变换, 2个系统是指有限长冲激响应FIR滤波器和无限长冲激响应IIR滤波器。在授课过程以此为据, 将前后知识进行链接, 将整本教材内容串接, 使得学生不仅能熟练掌握基础理论知识的本质, 同时还能系统掌握各种变换, 及其之间的联系。
数字信号处理需要将连续时间信号离散化, 也就是将时域连续信号抽样为时域离散信号, 通过数字处理后, 再恢复为连续时间信号。在这个时域抽样过程中, 需要满足1个定理, 那就是人们通常所称的奈奎斯特时域抽样定理, 抽样频率要大于或等于信号最高频率的2倍。这个结论是从时频域结合分析中得到的。在分析过程, 抽样前的连续时间傅里叶变换CTFT和抽样后的离散时间傅里叶变换DTFT满足一定的关系, 如图1所示。在时域上的离散, 就造成了频域的周期化, 这与离散时间傅里叶变换具有周期性的结论完全一致。
离散时间信号的频谱X (ejω) 仍然为连续信号, 不便于计算处理。对其进行频域抽样, 得到离散频谱X (k) , 对应于离散傅里叶正变换过程, 这个抽样点数必须满足一定的条件, 才能从离散频谱的逆变换中恢复原始信号x (n) , 那就是要求抽样的点数N要大于或等于原信号的长度, 这就是频域抽样定理。这个结论也是从时频域结合分析得到的, 同样可以得到在频域里离散, 造成时域信号的周期化, 如图2所示。
信号处理往往需求系统的响应, 而系统的响应输入信号与系统冲激响应的卷积, 基于这个频域抽样定理, 可以利用离散傅里叶正反变换DFT和IDFT实现系统响应的求解。整个过程完全数字化, 可利用计算机、数字信号处理器DSP和各种专用集成芯片ASIC实现, 并已经应用于各个领域。
数字滤波器是数字信号处理课程的重要内容, 涉及有限长冲激响应FIR滤波器和无限长冲激响应IIR滤波器的结构和设计方法, 这两种滤波的设计方法均采用逼近理想滤波器的路线, 设计过程均依据给出的指标, 求出理想滤波器的系统函数或冲激响应, 再利用变化得到响应的数字滤波的系统函数。由于数字滤波器不像模拟滤波器那样由电子元器件构成, 有实物, 学生能亲身感受, 而数字滤波器由冲激响应或系统传输函数表示, 均是抽象的数字符号, 学生掌握起来, 有一定的难度。
3 教学方法探索
3.1 中英文结合
我们采用外文教材的目的是使学生能使用中英文开展学习, 掌握专业知识。由于数字信号处理课程是我校信息与通信学院本科生在二年级下学期的专业课程, 是学生首次接触外文教材, 刚开始不知从何下手, 不知道如何学习专业知识, 显得很吃力。针对这种情况, 我们带领学生一起读书, 并用中文解释, 说明重要专业词汇的理解;另外除了采用PPT外, 还尽可能地在黑板上进行公式推导、解释;叮嘱学生做好笔记。通过2-3周的引导, 学生逐渐适应了外文教材, 并能用英文答题, 并树立了自信心。
3.2 问题探究式教学方法
在课堂教学中, 我们首先让学生明白并接受“信号只有离散化后, 才能用计算机等处理器进行处理”这个前提。接着, 我们提出问题: (1) 如何将信号在时域离散化? (2) 如何将信号在频域离散化? (3) 时域离散化后, 频域会发生什么情况? (4) 频域离散化后, 时域会发生什么情况? (4) 什么情况下, 时域和频域都是“离散化的”, 对于用数值计算方法分析信号有何帮助?回答上述问题, 实际上就是教学主线的2个定理。通过提问, 使得学生积极参与课堂教学。让学生先自己考虑这些问题的答案, 使他们带着问题来听讲, 在讲解中并不直接将答案全盘给出, 而是旁敲侧击的引导学生思考答案由来的原因、理解推导过程, 这样会调动学生的参与意识, 主动学习激情, 给学生留下更深刻的影响。
3.3 比较学习教学方法
傅里叶变换变换的定理和性质存在相似之处和不同之处。如对称性质, 在离散时间傅里叶变换DTFT中, 时域复序列的实部的频谱为该序列频谱的共轭对称部分;在离散傅里叶变换DFT中, 时域复序列的实部的离散频谱为该序列频谱的圆周共轭对称部分。从叙述来看, 两者非常近似, 不同的是后者为圆周共轭对称部分, 考虑了有限长序列的周期延拓性质。这样的例子还有很多, 在教学中, 引导学生自己去总结, 并写出读书笔记, 进一步加深理解。
3.4 MATLAB软件辅助教学
在课堂教学上结合MATLAB实例展示, 让学生更能直观了解知识的应用和系统的实现。如实序列的离散频谱具有圆周共轭性, 通过MATLAB演示, 使得学生理解其离散频谱的幅度谱具有圆周偶对称性, 相位谱具有圆周奇对称性, 并能正确分析信号的频谱。又如, 数字滤波器的设计中, 编写MATLAB程序, 验证滤波器的功能, 让学生理解滤波的作用, 并掌握设计过程。
学生通过课堂的学习, 能主动将MATLAB融入到习题解答和课后训练中。再通过实验课程的学习, 不仅掌握了MATLAB这门工具软件, 还能设计一些系统。这些都为课程设计和毕业设计打下了坚实的基础。
3.5 教学形式
在课堂教学中, 要主动走进学生中间, 积极与他们交流, 一方面了解知识的掌握程度, 另一方面, 有助于调节课堂气氛。除了传统的班级授课形式, 我们还增加了分组教学形式和网络教学形式。对于分组形式, 按照教材课后训练分组, 每个小组4～5人, 共同完成一个MATLAB作业, 培养学生的团队协作精神。网络形式又分为网上答疑和网络自主学习, 前者是由教师在网上解答学生的疑问, 后者是发布网络课件, 由学生根据需要进行自学。
4 教学实践和体会
在2007年至2012年的数字信号处理课程教学活动中, 不断总结和探索, 围绕2个定理和2个系统的教学主线, 遵循“注重基础、强调应用、加强实践”的指导思想展开教学, 让学生能把书变薄, 能灵活应用理论知识解决实际问题。上述思路和方法得到了广大学生的认可和有关专家的赞同, 教学效果良好。
5 结论
数字信号处理课程是电子信息类的核心专业基础课程。研究和探索课程的教学内容、教学方法、教学形式等具有重要的实际意义。有助于建构学生合理的知识结构、能力结构, 也是保证和提高教学质量最重要的基础性建设。
参考文献
[1]王球生, 刘颖异, 袁海文, 等.数字滤波器设计的“求同存异”教学方法研究[J], 中国电力教育, 2012, 31:46-47.
[2]彭启琮.“数字信号处理”课程双语教学的初步实践与探讨[J].电气电子教学学报, 2003, 25 (4) :12-14
[3]张晓光, 王艳芬, 王刚, 等.基于Matlab WebServer的数字信号处理远程仿真[J].电气电子教学学报, 2009, 31 (1) :86-107.
【关键词】数字信号处理 教学改革 教学方法 教学手段
目前数字信号处理课程已成为国内外电子信息、通信工程、自动控制及计算机等几乎所有电类专业甚至非电类专业如：生物、纺织、医学等专业的专业基础课程。让学生理解和掌握数字信号的产生及处理过程对学生未来从事电子工程设计是非常必要的。20多年来，随着电子技术的发展，该课程教材内容发生了很大的变化，教学的对象也从研究生课程或本科选修课变成专业基础必修课。为适应电子技术的发展，使学生所学尽可能的与社会发展接轨，对数字信号处理这一课程进行改革势在必行。
数字信号处理课程的特点是课程本身理论性强、公式推导较多、概念比较抽象，学生常有枯燥难学之感。近年来，国外及国内有些学校对一般电类专业该课程的教学主要强调应用性 学习 ，主要介绍数字信号处理的用途和用法，而对其深奥的理论推导仅做一般介绍，并给学生提供进行实验的机会，以激发学生对该课程的兴趣和学习主动性。
一、合理设置教学内容
在教材选取方面，选用《数字信号处理教程》为主要教材，选用《数字信号处理》为辅助教材，对两本教材的不同章节进行交叉融合使用，既有利于学生夯实基础，又有利于拓宽知识面。
在教学内容设置方面，以信号的离散傅里叶变换（DFT）和数字滤波器的设计为两大主线。为突出教学的重点和难点，把不同教学模块中各知识点分为自学、了解、理解、掌握等层次，精简课程内容，将理论与实际应用相结合，加强学生创新意识和实践能力的培养。
二、采用将抽象内容形象化的教学方法
教师在熟悉课程内容的基础上，精心设计每一节课的内容，突出重点、分散难点，将抽象内容形象化，采用启发式、讨论式和研究式的教学方法，加强教师和学生的互动。对部分内容采用“设置悬疑”“分层讲解”“实例分析”“结论描述”的步骤讲解。以线性卷积和圆周卷积关系为例，给出两个序列x1（n）和x2（n），长度分别为N1、N2，先用MATLAB程序演示x1（n）和x2（n）线性卷积结果，之后分别演示x1（n）和x2（n）的L点（L≤N1+N2-1、L=N1+N2-1、L≥N1+N2-1）的圆周卷积结果，比较线性卷积与不同点圆周卷积结果，设置“线性卷积和圆周卷积是否具有某种联系”的悬疑；之后进行分层讲解：分别利用公式推导出两序列的线性卷积和圆周卷积具体表达式，推导出圆周卷积是线性卷积以L为周期的周期延拓序列的主值序列；以简单的两个序列为例，由学生分别计算线性卷积和圆周卷积，根据计算结果能够进一步明确这一结论的正确性，从而说明“这就是利用DFT计算线性卷积的方法和要求，即可以选择长度大于等于线性卷积的两序列长度之和的DFT运算计算线性卷积”。
三、多种教学手段并用
1.多媒体教学、课堂板书和网络教学相结合
充分利用多媒体把抽象的概念和枯燥的学习内容形象化、具体化的优点，把基本概念、基本理论及需要形象理解、图示举例及仿真演示等部分的内容利用声音、图像、视频、动画等多种形式进行互动教学，直观生动，便于学生理解和记忆，激发学生的积极性和学习兴趣，拓展学生的思维空间。课程幻灯片设置两个不同的版本，一个供教师课堂讲解使用，主要是课堂讲解提纲及基本概念、基本理论及图示举例、动画演示等；一个供学生课下自学使用，详细介绍课程的各章具体内容及公式、结论推导过程。
2.设置综合性习题课
知识的掌握可通过课堂学习、课下复习等环节来实现，通过习题的训练使学生学会知识的运用和解决实际问题。习题是理论教学过程中一个不容忽视的环节，能够进一步巩固和加深学生对课堂所学理论的理解，启发学生独立思考，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。在习题设置过程中一方面根据必须掌握和要求理解的课堂内容设置基础习题，突出本学科的特点，有助于学生对概念、规律的理解；另一方面要布置综合性设计性题目，提高学生对各部分知识的融会贯通能力，注重知识面拓宽，有助于学生探究能力和科学思维能力的提高。适当讲解一些高校研究生入学考试试题，以吸引学生的注意力，提高学习兴趣。
3.实验课让学生扩展视野
除了课堂教学外，要让学生亲自参与到数字信号处理的实践中，通过亲自验证理论并设计系统，进一步加深学生的理论应用能力。实验课的设置可以分为四个部分，信号的时域分析 、信号的频域分析、数字滤波器的设计（有限脉冲响应和无限脉冲响应两大类滤波器）。每个部分的实验可以根据课时情况设置不同的理论验证或设计内容 。除了规定必做的内容外，可以让学生根据个人情况自己设计实验内容。实验仍以MATLAB作为平台，通过实验学生不但对理论有了新的认识，而且对MATLAB信号处理工具箱的应用能力得到提高。当然对于学习能力较低的学生，要做到这一点还有些困难，可以通过实验指导书给予较详尽的指导。
四、建立完善合理的教学考核制度
为提高学生的综合素质，培养创新精神，考核采用多种成绩综合评定的方式。考核成绩由期末考试（70%）+平时成绩（10%）+实验成绩（20%）等部分组成。其中平时成绩由平时出勤（60%）+课堂表现（25%）+作业成绩（15%）组成；实验成绩由实验出勤（60%）+实验报告（20%）+实际操作（20%）组成。试卷命题以教学大纲和教学要求为中心，以教学中的重点内容为主线，既注重基本内容及实际应用，又包含综合分析，覆盖每一章的知识重点，以体现学生的综合素质，提高了教学效果。
【参考文献】
[1]王景芳，侯玉宝.“数字信号处理”教学改进探索[J].湖南涉外经济学院学报，2009（4）：25-27.
[2]李梅，陈玉东，崔艳云等.数字信号处理课程的教学改革与实践[J]. 2005.
英文名称：Digital Image Processing and Analysis 课程号：19139314
一、课程基本情况
1.学
分： 2
2.学
时： 32
3.课程类别：选修课
4.适用对象：电子与通信工程领域专业学位研究生 5.开课学期：第二学期
6.开课单位：通信与电子工程学院
二、课程教学目的与要求
1.教学目的：
该课程系统学习数字图像处理的中高级层次的内容。其主要任务是使学生在掌握数字图像处理常用技术的基础上，进一步学习图像解译的前沿方法和技术，并初步具备设计数字图像处理应用系统的能力。该课程主要内容包括概论、小波变换、图像分割、特征表述、对象识别、图像工程应用实例等。
2.教学要求：
使学生在具有数字图像处理常用技术的基础上，进一步掌握小波变换、图像分割、目标表达和描述技术、特征测量技术等图像处理与分析领域的前沿方法和技术，并初步具备设计数字图像处理应用系统的能力，为学生进一步进行科学研究奠定坚实的基础。
三、课堂教学内容及课时安排
第一章 图像处理基础
教学内容：
本章讲授数字图像处理的基本原理和一些必备的数学工具：掌握数字图像采集和获取的基本概念和方法、掌握数字图像的各类增加方法、恢复方法、彩色图像处理以及变化方法。
教学重点：数字图像采集和获取的基本概念和方法、数字图像的各类增加方法、恢复方法、彩色图像处理以及变化方法。
教学难点：彩色图像处理以及变化方法 课时分配：讲授2学时，讨论2学时 教学方法与手段：讲授法，案例教学法
第二章 小波变换
教学内容：
本章学习图像小波变换的基本的的基本概念、掌握连续小波变换、二进小波变换、Haar变换、离散小波变换、多分辨率分析、快速小波变换算法、离散小波变换的设计、二维离散小波变换、双正交小波变换、Gabor变换及其应用。
教学重点：多分辨率分析、快速小波变换算法、离散小波变换的设计、二维离散小波变换、双正交小波变换和应用。
教学难点：Gabor变换及其应用。课时分配：讲授2学时，讨论2学时 教学方法与手段：讲授法，案例教学法
第三章 图像分割
教学内容：
本章要求了解图像分割定义和方法分类，掌握边缘检测的基本原理和方法。掌握边界跟踪和图搜索、阈值分割、基于变换直方图选取阈值、空间聚类、区域生长、彩色图象分割及其应用。
教学重点：边界跟踪和图搜索、阈值分割、基于变换直方图选取阈值、空间聚类、区域生长、彩色图象分割及其应用。
教学难点：彩色图象分割及其应用 课时分配：讲授2学时，讨论2学时 教学方法与手段：讲授法，案例教学法
第四章 目标表达和描述技术
教学内容：
本章要求了解边界的链码表达，边界线段的近似表达，目标的层次表达，目标的骨架表达，运动的表达，目标轮廓的傅里叶描述，目标轮廓的小波描述及其应用。
教学重点：边界的链码表达，边界线段的近似表达，目标的层次表达，目标的骨架表达，运动的表达，目标轮廓的傅里叶描述，目标轮廓的小波描述及其应用。
教学难点：目标轮廓的小波描述及其应用 课时分配：讲授2学时，讨论4学时 教学方法与手段：讲授法，案例教学法
第五章 特征测量技术
教学内容：
本章要求了解特征测量技术的基本原理，掌握轮廓基本参数及测量、区域基本参数及测量、区域形状参数及测量、区域纹理参数及测量、轮廓矩和区域矩、特征测量的精确度分析与讨论。
教学重点：轮廓基本参数及测量、区域基本参数及测量、区域形状参数及测量、区域纹理参数及测量、轮廓矩和区域矩、特征测量的精确度分析与讨论。
教学难点：特征测量的精确度分析与讨论
课时分配：讲授2学时，讨论4学时，图像测量过程演示2学时 教学方法与手段：讲授法，案例教学法
第六章 图像工程应用
教学内容：
本章要求了解基于OpenCV的人脸检测应用，掌握Haar特征检测原理与Haar特征分类器的训练，掌握如何在OpenCV中使用Haar特征分类器来对图像中的人脸进行检测和识别，分析人脸识别示例代码，讨论人脸识别程序运行精度与改进方法。
教学重点：如何在OpenCV中使用Haar特征分类器来对图像中的人脸进行检测和识别，分析人脸识别示例代码，讨论人脸识别程序运行精度与改进方法。
教学难点：人脸识别程序运行精度与改进方法
课时分配：讲授2学时，讨论4学时，人脸识别示例代码演示2学时 教学方法与手段：讲授法，案例教学法
四、考核方法
1.考核方式：考查 2.考核形式：开卷 3.成绩评定方案：
平时成绩30%，期末考试成绩70%。
平时成绩包括：出勤5%，讨论表现10%，情景演示15%
五、选用教材和主要参考资料
《图像工程(第3版)》，章毓晋编著，清华大学出版社，2013年，第3版；
《图像处理和分析技术（第2版）》，章毓晋编著，高等教育出版社，2008年，第2版； 《图像处理与分析》，TonyF.Chan著，科学出版社，2011年，第1版；
撰写人：何鹏
审定人：姚仲敏 批准人：姚仲敏
先说说对课程的建议吧，张晓光老师是个很负责讲课思路也很清晰的老师，知道从学生的角度来讲问题，根据学生的反应来调整课程进度。我们都很喜欢这样的老师，老师开新课之前总是列提纲复习上节课讲的知识，每章结束都根据章节的重要性开一节总结课，这种方式个人觉得很好，希望老师坚持。但是，感觉老师讲题讲的不是很多，或许是课时原因，但我觉得每章结束后开一节例题课，把知识点融进去，毕竟大学生现在做题比较少，这样强制一下效果会更好。这次考试的试题觉得有不少都见过，有的是课后题，但做起来还是有点吃力，应该就是习题练的少，计算跟不上去。至于教材，我觉得编的很好，每章都有相关的MATLAB编程方法，在原理讲清之后就来实践，免去了学生盲目做实验，提高了效率。还有就是老师也很重视实验，总是把相关的MATLAB语句语义讲解清楚，这样我们在编程序时也就相对容易点。但好像老师讲程序时都注重程序的意思了，希望老师以后再讲程序时把它先部分后整体，就是在讲完程序意思后把程序设计思路或框架结构，及各部分要实现什么再讲讲，这样有助于学生设计时设计思路更清晰。再说说考试，老师分卷面成绩和实验成绩及平时成绩，将实验单独考试，可见对实验的重视，也说明MATLAB的重要性，这样确实提高了学生的重视心理，虽然实验做完了，但做完50道题并看完相关讲解，我又收获了不少，理清了设计方法与思路，所以我觉的考试方式还是挺不错的，锻炼了我们各方面的知识。
数字信号课程结束了，真希望您还能教我们别的课。
关键词：研究生培养,教学改革,数字信号处理,VLSI设计
1 前言
数字信号处理 (Digital Signal Processing , DSP) 具有极其广泛的应用, DSP领域始终是由DSP应用和超大规模集成电路 (Very-Large-Scale-Integrated, VLSI) 技术的进展推动的。我校的“数字信号处理及VLSI设计”课程开设于2007年, 是电子科学与技术专业和集成电路工程专业的核心课程。在接手开设这门课程之初, 笔者就在思考如何根据研究生的本科学习情况, 探索更有效的研究生教学和指导方式, 以应对提高课程教学质量的挑战。经过认真的分析和思考, 充分借鉴国外先进的教学理念, 并采用理论学习和课程实践相结合的方式, 对所承担的硕士研究生“数字信号处理及VLSI设计”课程进行了改革, 开展了诸如加强教师团队建设, 尝试用课程中设置的堂下小课题, 把项目研究报告作为课程考核的一部分, 将研究生的自主学习能力、查阅文献能力、实践动手能力、写作能力等研究生基本素质的培养贯穿在课程教学过程中。
本课程的教学改革已经在连续9届硕士研究生的教学中进行了试验, 效果良好。该课程的教育教学改革实践先后得到了学校研究生部和重庆市教委的重视和大力支持, 现已建设成为学校优质特色课程, 即将通过重庆市优质研究生特色课程的验收。这表明通过课程教学改革, 可以有效激发出学生的学习热情, 改进教学效果, 提高研究生的基本素质。在前期研究的基础上[1], 下面就介绍我们在课程改革中的一些经验和做法。
2 本课程的基本情况分析
2.1 课程特点分析
随着数字集成电路设计的飞速发展及数字信号处理理论的进步, 工业界不断地在推出功耗更低、速度更快的ASIC芯片, 使得从事集成电路设计的研究人员对DSP超大规模集成电路 (VLSI) 设计方法学的需求也日益增长, 因而需要对电子科学与技术专业和集成电路工程专业的研究生在数字集成电路设计技术及DSP算法相关理论相互融合方面开展教育教学改革研究, 为其提供较为坚实的专业基础知识。在教材选择上, 前期采用合适的教材是非常重要的。“数字信号处理及VLSI设计”课程初期教学, 使用了Uwe Meyer-Base著, 刘凌, 胡永生译的《数字信号处理的FPGA实现》, 该书较为全面地介绍利用现场可编程门阵列 (FPGA) 进行数字信号处理的方法, 但是存在着一些不足, 如对数字集成电路系统设计的优化设计考虑不足, 对于低功耗设计及面积最小的设计的相关理论没有介绍。为了提高教学质量和学生学习的兴趣, 后来该课程的教学使用了Keshab K.Parhi著, 陈弘毅, 白国强, 吴行军译的《VLSI数字信号处理系统设计与实现》, 该书汇集了VLSI的构架理论与算法, 描述了硬件实现层中的各种构架, 给出了若干种分析、估计与降低功耗的方法, 重点讲述设计应用所需要的定制或者半定制VLSI电路。
2.2 选课研究生情况分析
我校选修“数字信号处理及VLSI设计”课程的学生按专业知识储备可以分为三大类:1) 具备集成电路专业知识, 但对数字信号处理方向的专业知识了解甚少;2) 具备一定的数字信号处理知识, 但是基本不了解集成电路方面的专业知识;3) 对数字信号处理和集成电路方面的专业知识都有了解, 但是不够深入。因而“数字信号处理及VLSI设计”课程受到了校内学生的广泛关注, 例如电子科学与技术, 集成电路工程, 通信工程, 自动化控制等。由此可以看到, 尽管学生来自不同专业, 但是都对“数字信号处理及VLSI设计”课程非常感兴趣, 学习目的也很明确, 自主学习能力较强, 专业需求强烈, 但是需求方向因专业差异而不同。
3 课程教学模式及内容的改革
3.1 教学理念
“数字信号处理及VLSI设计”课程建设要体现“以加强专业素质为中心”, 以“强化学生理论基础、培养学生的数字集成电路设计能力、全面提高学生的专业素质”为目的。把专业培养计划体现在具体的课程教学上, 培养出具有创新精神和创新能力的、高素质的工程应用型的专业技术高级人才。通过本课程的理论学习和实践, 为从事相关方向研究的研究生在数字系统设计方面奠定坚实的专业基础。
3.2 教学内容
课程教学的目的是使学生掌握DSP算法的基本理论, 深入理解DSP算法在数字集成电路系统设计中所涉及到了基本理论及相关技术, 如DSP各种算法在ASIC电路及系统设计中所涉及到的一些基本概念, 如迭代边界、关键路径、数据流图等, DSP各种算法在系统设计过程中所涉及的系统优化设计技术, 如低功耗设计, 高速电路设计, 面积优化技术等。探索改善数字信号处理实现性能的各种变换, 讨论基于算法变换的各种DSP算法的算法结构设计, 讨论运算操作、高性能VLSI系统设计问题和可编程数字信号处理器的VLSI实现等, 将该门课程打造成数字集成电路与系统设计、数字信号处理算法及应用研究方向非常重要的一门专业课。经过多年的课程建设, 目前已经逐渐形成了一些特色, 教学效果得到研究生的一致好评, 是校级的研究生优质课程项目。
3.3 教学模式
课程建设的主要内容之一是改革传统的教学模式, 充分利用多媒体等现代化的教学手段, 丰富课堂教学, 进一步改善教学效果。在之前的基础上, 该课程利用互动教学模式[1,2], 师生之间进行信息交流互动, 从而形成交互理解, 教学相长, 提倡启发式教学[3,4,5], 从多个方面来引导学生进行自主学习。
对于互动教学, 首先, 教师站在讲台前讲述的同时, 也要学会通过运用教学课件、课堂现场板书、投影仪、电视录像及教学录像等多媒体教学手段, 加强与学生的互动交流。其次强调学生的积极参与, 不要时也可组织小组讨论的形式, 充分调动学生的学习积极性。
对于启发式教学, 教师要注意适时与适度原则。适度原则即教师教学的内容、方法要能要符合学生专业基础水平, 适应不同专业基础对该课程学习的需要。
3.4 考核模式
课程教学的一个重要环节是对学生进行考核。本课程评分标准将采用由3个部分构成的综合性评分标准, 着重考察学生的基础知识、学习能力、创新能力。其中包括以下几个项目:
1) 期末理论考试。所占分数40%。本课程将采用较为合理的开卷考试, 考试的内容既包含教学大纲上主要的理论教学内容, 而且给出详细的评分标准。并严格地按照评分标准来评定学生的考试成绩, 最后加起来得到总成绩的第一部分。所有试卷都有保存留底以备审查。
2) 堂下大作业成绩。所占分数为40%。在学期中, 教师为每位学生设置1个具有一定难度和一定工作量的设计题。成绩评定主要具体根据学生对作业题的完成程度、对算法的理解程度和对硬件优化设计的具体应用情况而定。如果能广泛查阅文献提出问题的, 在该项可获得加分。
3) 平时参与程度。所占分数20%, 主要考察日常出勤、平时上课的课堂交流, 实践活动的参与程度。
通过这样的考核模式, 可以很好地促进学生进行对该课程的学习, 根据考核成绩也可以真实反映出学生学习该课程的效果, 为提高该课程教学质量和研究生的培养提供了依据。
4 课程教学效果分析
经过前一阶段的工作, 已经取得了阶段性的成果, 相关的成果汇总如下:
1) 课堂教学用的课件富有特色, 取得了很好的课堂教学效果。课题组根据数字信号理论的发展以及集成电路设计技术的进步, 及时更新了有关基于FPGA设计技术、数字信号处理算法、VLSI系统架构设计等方面的新内容, 并开设了前沿讲座, 介绍了最新的技术进展。与此同时, 坚持采用双语教学, 采用英语课件, 提高了学生的专业英语水平。
2) 编写完成了实验教学用的实验讲义。“数字信号处理及VLSI设计”是一门理论性和实践性都非常强的课程, 因而实验教学就显得非常重要。围绕FPGA设计的课堂讲解, 我们设计了包括IIR滤波器设计、CIC滤波器设计及Radar算法的FPGA实现等在内的共计6个实验项目, 使得学生可以对数字信号处理算法的FPGA实现有深刻的印象。在实际的教学过程中, 我们还容许学生自主选择相关的算法进行分析及FPGA设计, 极大地提高了学生的实践动手能力。
3) 教学团队建设。形成了一支层次结构合理的教学团队, 几位青年博士作为主讲教师, 结合自己的科研课题, 为学生开设相关方向的前沿技术专题讲座, 广受学生好评。这几年新引进吸收了多名具有博士学位的青年教师加入到教学团队。
4) 教学效果及反馈。采用新的教学模式、新的教学内容, 从2010级电子科学技术专业及集成电路工程专业的研究生的教学开始, 重点进行了如下的教学改革研究。一是理论教学与实践教学的有机结合, 重点强调实验教学;二是大量引入新的内容, 体现学科的发展动态。2010级选修该课程的学生人数为36人, 约占该年级研究生人数的50%, 表明学生对该门课程选修的积极性很高, 认为该门课程对将来的科研工作有一定程度的帮助。其次, 本课程采取对实验课程与理论课程分开考核的形式进行考核, 绝大部分同学实验课程非常感兴趣, 成绩较好。在总成绩中, 90~100分的有2人, 80~89分的有25人, 70~79分的有9人, 总体教学效果良好。2011级教学效果略好于2010级。主要表现在70~79分之间的学生比例降低到13%, 比2010级降低了约50%。对2010级及2011级两届研究生的学习效果调查表明, 绝大多数的学生认为课程在课堂上所讲授的内容丰富, 提供的信息量大, 对其将来的学习和研究有很大的帮助, 不足之处在于该课程所安排的实验教学还有待改进, 尽管目前已经安排了一次大的堂下作业作为该门课程的考查项目之一, 但有学生建议要在课后布置一些能体现动手能力的实验题目, 以提高他们的实际运用知识的能力。
5 总结
多年来, 经过对“数字信号处理及VLSI设计”课程教学内容的不断充实和完善, 尤其是注重教学实践中加强对学生动手能力的培养, 改革考核模式, 激发学生的学习热情。通过收集研究生对本门课程的学习效果评价及后续的科研工作中对知识运用能力的评价, 有针对性地对课堂教学的方式方法进行调整。这几年的教学实践表明课程的教学改革取得了很好的效果, 学生的实际动手能力和综合素质明显提高。
参考文献
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[3]张忠华, 周阳.对启发式教学几个问题的探索[J].教育导刊, 2009 (2) :50-52.
[4]朱昌流.论启发式教学的有效实施[J].教育与职业, 2007 (18) :157-158.
关键词：数字信号处理；软件仿真；实践环节；教学方法
作者简介：张丽丽（1979-），女，黑龙江讷河人，沈阳航空航天大学电子信息工程学院，讲师；贾亮（1971-），男，辽宁营口人，沈阳航空航天大学电子信息工程学院，副教授。（辽宁 沈阳 110136）
基金项目：本文系沈阳航空航天大学数字信号处理课程的优化与改革（项目编号：JG110202C）的研究成果。
中图分类号：G642.0?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）34-0070-01
数字信号处理的地位和作用在信息化的进程中变得越来越重要。在数字信号处理领域中，近年来随着计算机技术与数字技术的迅速发展，数字信号处理的基础理论和基本方法的应用已经由传统的通信、测量和控制工程等领域迅速扩大到如电力系统、电机与电器、电力电子、生物医学，甚至经济学与社会科学等许许多多需要对信号进行传输、处理和分析的领域。[1]由于数字信号处理这一学科的内容极为丰富，与这些内容有关的技术又在很多科学和技术领域起着愈来愈重要的作用。在这样的背景下，国内外各个大学的电子信息类专业将数字信号处理课程列为本专业的必修课程，并逐渐加强课程的建设与改革。
数字信号处理课程在教学的过程中往往突出数学分析，注重数学推导，工程概念相对薄弱，理论联系实际不够，较少涉及实现方法及相关的软硬件技术，特别是对学生动手能力、技术技能和创新精神的培养等方面与科技界、产业界的要求相去较远。这样，学生在听课的过程中会感到教学内容枯燥，没有什么实际用处。所以“数字信号处理”课程教学的改革与实践势在必行。
一、数字信号处理教学内容的改革
1.精简本门课程和信号与系统课程重合的部分
“数字信号处理”课程的第一章内容为离散时间信号与系统。对于这一部分内容来说，很大一部分内容对于学生来说并不是新的知识，学生在前期的信号与系统课程中已经学过。但是由于这些内容对数字信号处理课程后面部分知识的学习是一个前期基础，所以在数字信号处理课程中会重新学习，而且这部分的学习会占用4个学时左右的时间。在教学课时有限的情况下，教学的过程中应该注重讲课内容的精选，尽量让学生在有限的课堂时间里能够吸收更多的新知识。经过教学实践，我们对这部分内容的学习采用首先学生自学，然后在随后的课堂教学中如遇到相关知识作为基础，采用教师概括介绍并启发学生自主复习思考的方式进行。这样既使学生掌握了相关知识，调动了学生的学习积极性，培养了学生的独立思考能力，也减少了相应的授课学时，将有限的学时更好地用在后续课程的教学中。精简本门课程和信号与系统课程重合的部分将为整个数字信号处理课程的改革提供基础。
2.注重经典信号处理与现代信号处理的衔接
在本科教学阶段，数字信号处理讲述的内容属于经典信号处理理论，主要讲述的内容为离散傅里叶变换理论的基本概念、性质以及实现和滤波器的设计这两部分知识。但随着科学技术的进一步发展和数字信号处理理论研究的逐步深入，对于本科生尤其是有继续深造需求的本科生来说，了解现代信号处理理论的某些知识是非常必要的。
对于这部分知识的引入，主要从两方面考虑：第一，这一部分内容学时如何分配；第二，给本科生讲述关于现代信号处理的哪一部分内容。
对于第一个方面，前期课程改革试验阶段为这部分内容分配的学时数为4个学时，使学生对于现代信号处理理论有粗浅认识。讲述这一部分内容的目的在于引导学生，让学生对信号处理理论感兴趣。讲述这几个学时的过程中，轻理论推导，重实际应用，让学生实实在在地感觉到数字信号处理不再是满黑板公式推导的、和数学相关的一门理论课程，而是一门有着广泛应用前景的专业基础课程，使学生的学习更加完整，提高学生学习这门课程的兴趣。
对于第二方面，经过几位教师的研讨，决定讲述时频分析的有关内容并根据电子信息工程学院本科培养计划对于学生后续课程的安排，在课堂上将重点讲述短时傅里叶变换以及小波变换等内容。让学生对时间域、频率域、时频域有清晰的认识，理解关于数字信号处理中所讲述过的一些变换的本质。
3.通过软件仿真与硬件搭建相结合的方式来实现算法
在数字信号处理实验教学过程中，目的是为了让学生学习和掌握数字信号处理的实现方式。数字信号处理的实现方式有：采用计算机，通过编写程序、用软件的方式来完成数字信号处理算法的实现；采用专用或者通用设备、通过硬件的形式来完成数字信号处理过程。[2]
我院根据电子信息工程专业发展需要，在2005年就开设了MATLAB与科学计算这门课程。学生在上数字信号处理课程之前已经修完了这门课程，所以在数字信号处理实验的教学过程中使用MATLAB作为数字信号处理仿真实验的工具。MATLAB是科学计算软件，它强大的数值计算和数据可视化能力适用于工程应用各个领域的分析设计与复杂计算。学生采用MATLAB进行数字信号处理实验能够使学生非常直观地看到实验结果，理解算法的精髓。
对于数字信号处理的硬件实现，我院有和TI公司共建的实验室。我们计划开设DSP选修课程作为数字信号处理理论的后续拓展课程，争取做到厚基础、重应用。这样，学生的知识体系从理论到实践应用有了一个完整的前后呼应过程，学生的动手和动脑的能力会得到双重提高。
4.增加数字信号处理课程设计实践环节
作为省属本科院校，我校着重培养的是应用型人才。现代大学生动手能力弱、实践经历少是在教学过程中应该注意的问题。大学四年过程中学生学习的课程非常之多，如何把这些课程从基础课到专业基础课再到专业课进行渐进的整合是高等学校教师需要思考的问题。对于数字信号处理的教学来说也是一样的。在前期的课程讲述中注重的是单一课程的讲述，即使是硬件实现部分也是简单的一个算法的实现，课程的综合应用稍显不足。所以，第七学期末学生将进行4个星期的课程设计实践环节。这4个星期的实践环节采取因材施教的原则。对那些对数字信号处理感兴趣的同学，将给出和数字信号处理知识相关的课程设计任务，使学生分散掌握的各门课程有一个整合过程，让学生采用DSP硬件设备具体实现一个系统的功能。这部分课程设计将包括信号与系统、数字信号处理、C语言、数字电路、DSP等各门学科的内容。这次课程设计将为学生即将迎来的毕业设计打一个坚实的基础，并且培养学生从全局思考问题的能力。
二、数字信号处理教学方法的改革
针对数字信号处理课程概念抽象难懂、所涉及数学知识较多、公式推导非常繁琐等问题，学校改革并丰富了传统的教学手段，采用板书与多媒体教学相结合的方式充分发挥现代教学手段的优势，尽量将抽象的概念感性化，通过形象生动的图像、动画来展示理论知识的内涵。例如，讲述采样定理的时候，可以通过电脑录制语音，然后通过MATLAB对语音信号进行采样，使学生从感官上就会看到欠采样、过采样的结果。这样可以启发学生的思维，培养学生的学习兴趣，实施形象教学。并逐步搭建网络教学平台，通过网络实现学生的异步自主式学习。网络教学具有个性突出、内容广泛、交互性强等特点，可以扩大学生的学习课堂。开展通过数字信号处理课程的网络教学，建立该课程的网站，并且要求课程网站具有良好的导航结构，要按照学生的认知规律进行内容的组织和描述。实现教学资源共享，加强教与学的信息交流，重视对学生主动式学习的培养，调动学生学习的自觉性和主动性，通过问题和思考题等启发学生的探索精神，为学生提供课堂以外的丰富的学习空间和资源。由于数字信号处理课程中大量的理论和结论都是通过数学推导的方式得到，所以学生往往过于注重公式推导或证明而不能理解其实质和用途。针对这种情况，在教学中特别要强调结论的物理意义和应用，尤其是结合科研实践给出理论在图像处理、语音信号处理方面的具体应用，以此加深学生理解，提高学习兴趣。
三、结束语
“数字信号处理”课程现在已是国内外大学电子类学科和专业一门重要的专业基础课。对数字信号处理课程的改革是电子信息类专业课程教师一项刻不容缓的职责。我们结合实际教学情况对该门课程进行了多方面的改革尝试，实践证明改革取得了一定的效果，激发了学生对这一系列课程的兴趣，拓宽了学生的视野，也进一步促进了电子信息专业的发展。
参考文献：
[1]程佩青.数字信号处理教程[M].第三版.北京：清华大学出版社，2007.
[2]刘顺兰，吴杰.数字信号处理[M].第二版.西安：西安电子科技大学出版社，2009.
关键词：数字信号处理；教学改革；实践教学
作者简介：蓝会立（1975-），男，壮族，广西马山人，广西工学院电子信息与控制工程系，讲师；廖凤依（1977-），女，广西融水人，广西工学院电子信息与控制工程系，讲师。（广西 柳州 545006）
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）01-0050-02
“数字信号处理”课程是电气信息类专业本科生的一门重要专业基础课，它以信号与系统课程的理论为基础，直接面向实际应用，注重算法的研究，是继续学习其它信号处理课程、通信与电子系统课程的必不可少的基础。该课程的特点是使用数学语言对工程实践中的数据采集、分析与处理问题进行描述，内容比较抽象，理论性强，包含大量公式的推导和证明，课程阐述的理论与现代信息技术的发展前沿和应用密切相关。因此，有效提高该课程教学质量，对提高学生专业素质和综合分析解决问题的能力有着重要的意义。在广西工学院（以下简称“我校”），“数字信号处理”作为电子信息、自动化和测控专业的重要专业基础课，在初期教学采用传统教学方式，重视研究教师教法和理论教学，而忽视了实践教学及对学生潜力的挖掘和应用基本理论解决实际问题能力的培养，教学效果不明显。近几年来，课程组对课程教学目标进行重新定位，在积极探索课程课堂教学模式，优化教学内容，改进教学方法和手段，完善课程考核方式等方面进行了全面地改革和实践，取得了较好的成果。
一、调整优化教学内容
“数字信号处理”和“信号与系统”构成了我校电气类学科的信号处理基础理论平台，课程内容既具有明确的分工又紧密关联。“信号与系统”涉及信号分析与系统分析，信号分析是基础，突出信号与系统的时域分析和变换域分析的物理概念和工程概念，而三大变换只是实现时域分析到变换域分析的数学工具。“数字信号处理”课程涉及数字信号分析和数字滤波器设计。离散傅里叶变换DFT是实现信号数字化分析的核心技术，FFT是提高DFT运算效率的重要算法。信号分析是信号处理的基础，而数字滤波器设计则是信号处理的具体实现。其中离散信号与系统分析是信号分析和系统设计的理论基础，也是“信号与系统”和“数字信号处理”课程承上启下的内容，在两门课中都占有比较多的学时，造成教学重复和学生的厌学情绪，同时本门课程的重点内容因学时少而缩减。传统教学计划都强调每门课程内容的系统性和完整性，造成内容多学时少的矛盾，单门课程的教学改革很难收到理想效果，如何优化教学内容，避免重复教学是“数字信号处理”课程教学改革的一个核心。因此，建立了信号处理课程群，即将内在联系较为紧密的“数字信号处理”和“信号与系统”等课程组合起来构成一个课群，作为信号处理基础系列课程，其课程体系和教学内容被作为一个整体进行优化整合。课程群建设实行二级负责制，课程群组长负责各门课程之间的协调，课程负责人负责本课程内部的调整，以便能适应当前教学的改革与发展。根据“数字信号处理”课程在课程群中的任务和地位，以及学生就业应具备的能力，重新规划制定课程教学计划，通过对课程内容进行分解、整合，编写适应应用型人才培养和教学的教学大纲，在强调基本概念和原理的基础上，以突出应用性、实践性为原则，侧重于学生综合分析解决问题和动手实践能力的培养，做好“数字信号处理”课程与其他课程部分重复内容的衔接，避免造成课时浪费，使学生掌握课程的精髓部分，提高学生自主学习的能力。
其次，针对课程理论教学大多只讨论算法的理论及其推导，较少涉及实现方法及相关的软硬件技术，我们对实践性教学内容进行改革，开设了少学时的MATLAB信号处理课程和DSP硬件技术应用课程。通过课堂演示、基于MATLAB的算法仿真实验及分析、基于DSP的硬件算法综合实验等三个层次的实践活动，强化工程素质和实践能力的综合训练，帮助学生进一步领会和深化课堂上学到的有关数字信号处理的基本概念、基本原理以及基本的信号处理操作及滤波器设计方法。使学生逐步克服了对DSP的陌生和恐惧心理，激发了同学们强烈的好奇心和求知欲，培养学生的动手能力，分析解决问题的能力和创新精神。
二、教学方法改革
“数字信号处理”课程的特点是理论性、概念性比较强，涉及到大量的数学公式和理论推导，学生普遍感觉吃力，不易理解，缺乏兴趣。要提高教学效果，必须改进满堂灌的传统教学方法，采用多种教学方法相结合来丰富课程的教学过程。在教学过程中，结合学习的规律性，针对不同阶段、不同知识点灵活运用不同的教学方法，激发学生的兴趣，调动学生参与教学的主动性。
在教学过程的初期主要采用引导式教学法，即通过形象化的成果引导学生去了解理论知识在实践中的应用，激发学生学习兴趣。例如，通过课堂讲授与课外专题讲座形式介绍学科发展前沿，开拓学生视野，激发学习兴趣；或者在开始讲授新的内容体系之前，通过多媒体等形式有针对性地介绍相应技术在数字信号处理领域的工程应用，以调动他们学习的积极性和主动性，以致提高教学效果。
在教学的中间过程主要采用启发式、讨论式教学方法。这是一种以学生为主体、教师为主导的课堂讨论式教学方法，鼓励学生积极投入到课堂教学的过程中，由被动接受知识向主动学习转变，改变单向灌输的教学模式。在课堂上，重视讨论和交流，教师根据授课内容设计一些思考题，在课堂上以设问的方式，引导学生积极思考和讨论，积极引导学生参与到教学过程中来，教师根据学生的分析思路和结果进行点评、纠正和总结，积极鼓励学生形成问题意识、进行批判思维。这种方法可以活跃课堂气氛，重点突出，学生比较容易把握教学重点。
在教学的后期主要采用研究式教学方法。研究式教学就是将科学领域的研究方法引入课堂，通过教师的激励、引导和帮助使学生去主动发现问题、分析问题、解决问题，并在探究过程中获取知识、训练技能、培养创新能力。在教学过程中，组织多名学生为一组，围绕课程中一些主题，独立搜集研究方向，在课外依循一定的步骤开展研究性学习，最终提供一份包含有课题题目、问题提出、程序、调试波形和结果说明的完整研究报告，引导学生运用数字信号处理的知识分析、解决问题，注重学生思维及创新能力的培养，在研究中加深对数字信号处理基础知识的理解，提高利用理论知识解决实际问题的能力。
三、教学手段改革
本课程的特点是大量使用了数学的方法来表示物理的过程，公式较多，计算繁复，学生不容易掌握，因此采用单一的教学手段很难提高教学效果，必须针对授课内容采用多种教学手段相结合的授课方式。其一，采用多媒体课件教学手段，使教案多媒体化、教学过程互动化。多媒体教学信息量大，可以拓展学生的知识面，精简课堂授课学时，激发学生学习兴趣，提高教学效果。例如，在对概念、公式和定理的物理含义阐述和定性分析中，利用声音、图像、视频、动画等多媒体教学手段，使抽象的内容形象化和可视化，令学生理解其物理含义或包含的思想。但是多媒体教学存在不足是授课速度比较快，因此对于基本原理和基本方法的推导和证明，宜配合板书的授课方式，放慢讲课速度，让学生跟上教师的思路和有足够时间领会。其二，通过建设网络教学资源，使教学资源共享化、教学方式多样化和教师答疑实时化。针对课后的复习、相关背景知识的学习以及课堂内容的扩展部分，充分利用网络，建立课程主页，提供相关资源和讨论空间，实现网络辅导、网上课程研讨、网上交付作业与实验报告和优秀作业展示等。
四、完善课程考核方式
成绩评定既是一个重要的教学环节，也是检验教学效果的重要手段，教学模式的改革要求课程考核方式应灵活多样，评价方法由“一考定全局”的传统终结性评价转向形成性评价与终结性评价相结合、课内教学与课外自主学习相结合的全程评价，从而体现教学评价的全面性、导向性、实效性、过程性和发展性特点。完善课程考核方式，对素质教育的实施和学生自主学习能力和创新能力的培养非常有利，使学生考试成绩更加具有层次性，更加体现学生的综合素质。教师要加强学生平时学习情况考查，采用笔试、口试和论文答辩等多样化的考核方式，多方面地测量学生的综合素质和能力。课程综合评定成绩主要包括期末考试成绩（50％）、课程论文（20％）、实验（15％）和平时成绩（15％）。期末考试主要考查学生对基本概念的掌握和知识的灵活运用能力，避免过多公式推导与演算。课程论文主要考查评估学生知识掌握程度、文献查阅调研能力、动手实践能力、论文撰写和表达能力。实践表明，这种多模式相结合的考试方式更能检查学生的真实能力，避免了对学生的评价一刀切，有利于学生对考核的认同和接受，促进学生的学习主动性和自觉性，激发学生的潜能和个性的发展。
五、结束语
针对“数字信号处理”课程的特点，结合我校的人才培养目标和学生的总体水平层次，对课程的教学内容体系、教学方法和手段、教学评价方式进行了改革，以提高学生的学习兴趣，激发学生的潜能和个性发展，注重学生思维及创新能力的培养。通过学生的评教及后续课程的评价表明课程的教学改革取得了很好的教学效果，调动了学生学习的积极性和主动性，学生的实际动手能力和综合素质明显提高。
参考文献：
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（责任编辑：刘丽娜）
《数字信号处理》课程做为高校电子信息类专业一门重要的专业必修课程，在课程体系中处于承上启下重要位置，具有广泛的应用领域及发展前景。《数字信号处理》课程教学内容具有理论抽象性的特点，课堂讲授内容比较繁琐，学生掌握难度大。因此，实验教学内容部分的设计不应仅仅为了做实验，更应结合理论教学内容，且具有启发性，使得学生在实验的过程中，可以更好的理解理论教学内容，培养学生思考能力和科研能力。本文将基于MATLAB仿真软件，对《数字信号处理》课程的实验教学内容的设计进行探讨。
（二）《数字信号处理》课程教学内容与实验教学内容
由于目前国内外高校所推崇的本课程经典教材：S.K.Mitra的《数字信号处理—基于计算机方法(第三版)》的英文原版，尚未在国内出版，我们选取了电子工业出版社2006年出版的本教材的英文改编版作为我们双语教学的教材。该教材教学内容涵盖广泛，层次清晰，讲授详细，且配有直接针对课程内容的MATLAB验证程序。对于层次低的学生，可以选取该教材的中译本作为参考资料，对照学习。本教材另有配套的实验指导书，非常适合用来做本课程的实验教学指导书。
本课程理论教学部分设置了48个学时，实验教学部分设置了18个学时。18个学时的实验教学时间不多，我们鼓励学生自己课外多练习。对于在教学课时内的实验内容，我们精心设计，使得有限的时间内教学效果达到最大，帮助学生最大可能的理解理论教学内容和提高动手能力，思考和解决问题的能力。根据理论教学内容的难重点，实验教学内容及时间安排设计如下：
时域中的离散时间信号与系统(2学时)
1. 离散时间信号与(LTI)系统的频域分析(4学时)
2. 连续时间信号的数字化处理(2学时)
3. 数字滤波器结构(2学时)
4. FIR滤波器设计(4学时)
5. IIR滤波器设计(2学时)
6. 课程综合实验(2学时)
（三）《数字信号处理》课程实验教学设计
针对以上每一个实验教学内容，我们精心设计具体基于MATLAB仿真软件的实验例题与习题，使知识点覆盖基本完整且重点突出。
在“时域中的离散时间信号与系统”的实验教学中，教学目的着重的放在：序列的产生，运算与显示。在理论课教学的时候，我们会强调“系统与信号一样都可以用序列来表示”。在实验课上我们会重复这点内容，目的是把学生的思维展开，不要局限于他所面对的仅是“离散的信号”。
第2部分内容，“离散时间信号与(LTI)系统的频域分析”的实验教学目的着重放在：序列的离散时间傅立叶变换，序列离散傅立叶变换，系统稳定性。我们在理论课中会详细讲解离散时间傅立叶变换与离散傅立叶变换，z变换之间的关系，并建立如何从零极点图去判断系统稳定性的概念。在实验教学中我们也将主要强调这几种变换的物理意义，而不会过多关注其各种运算性质。这样可以更好的帮助学生通过实验得到直观感受，加强对理论教学内容的理解。
对于所有的实验教学内容，我们都会强调对实验结果的“物理意义”的理解。再例如第5部分实验教学内容“FIR滤波器设计”，我们不仅仅要求学生会采用MATLAB自带函数进行各类FIR滤波器的设计，会更着重强调对设计出来FIR滤波器的频率特性的理解。对于四类线性相位FIR滤波器，强调结合观察零极点图，尤其是特殊零点(z=0或者z=1)，理解低通，高通等滤波器的频率特性。
如图1，这是一个长度为20的FIR滤波器，具有低通性质，因为其在z=1有一个零点，也就是说在w=pi处有零点。从下图还可以看到其零点具有共轭对称和关于单位圆镜像对称的特点，这与在理论教学内容是一致的。
类似的，如下图2中是一个长度为20的FIR滤波器，具有高通性质，因为其在z=0处有零点，即w=0处有零点。
最后在“课程综合实验”环节中，我们安排了“2通道线性相位FIR滤波器组的设计”。滤波器组技术近年来发展迅速，因此在理论教学部分，我们会讲解滤波器组相关概念以及发展状况，教学主要目的将放在对滤波器组的概念和系统完全重构条件上的理解。实验教学里选取的这个综合设计，不仅仅可以帮助学生对该部分理论知识的理解，还可以前面重点章节的实验内容加以综合，例如序列的产生，抽样，滤波器的设计，加噪等。
（四）结语
通过两年的实践，我们精心设计的《数字信号处理》课程的实验教学内容，效果明显，反应良好。学生表现出很大的兴趣，从而也带动了对理论课的学习热情。对于程度较好的同学，我们鼓励他们通过阅读相关内容的科研文献培养其思考能力和一定的科研能力。
参考文献
[1]S.K.Mitra著, 阔永红改编.数字信号处理——基于计算机的方法 (第三版) (英文改编版) [M].北京:电子工业出版社, 2006.
[2]S.K.Mitra著.数字信号处理实验指导书[M].孙洪, 宇翔宇, 等译.北京:电子工业出版社, 2004.
《数字信号处理》课程在南京邮电大学本科教学中一直处于专业基础课程,在课程组多年来的教学过程中,已经总结了丰富的教学经验,并将在实践中不断完善与提高。
1 拓展理论外延,激发学习热情
数字信号处理系统的第一个环节是将连续时间信号进行离散化,课本中的知识点学习的是Nyquist提出的奈奎斯特(Ny-quist)采样定理,即采样频率必须大于被采样信号带宽的两倍。该定理是信息论,特别是通信与信号处理学科中的一个重要基本结论,也是学生在实际工程实践中需要把握的一个重要原则。教师在讲解采样定理的过程中,不仅要引导学生理解清楚该定理的推导过程,更要为学生拓展采样理论的发展外延,激发学习的热情。在实际工程应用中,不仅需要均匀采样(Sample),而且随着对信号中传递信息的取舍,还涉及到非均匀采样,即采样间隔不是恒定的,自从Black于1953年首先提出了非均匀采样理论的最初形式,之后的科学家也一直致力于该理论的研究,直至近些年,由于快速采样系统中出现了输入多路并联,输出多路复用技术,国际国内的科技工作者开始从工程技术的角度研究非均匀采样问题。采样领域中另一个重要的理论是压缩采样,也被称为压缩感知(Compressed Sensing,CS),是一种利用稀疏的或可压缩的信号进行信号重建的技术,该理论于2007年经Donoho, Candes和Tao等人发展使得该理论有了长足的发展。在CS理论框架下,能够在数据获取时大幅度突破Nyquist采样定律的制约,给存储、传输和处理各种自然信号带来极大便利。虽然CS理论在天文、地质、计算机、遥感、雷达、通信、医疗成像等重要领域的应用研究还处在起步阶段,却已取得了一些不俗的成果。通过对课本知识点的外延拓展,使学生以辩证唯物主义认识论为指导,明白任何一个知识点都不是孤立存在的,不仅学好课堂理论知识,更进一步完善创新思维体系,使得在以后的工作学习中勤于思考,不断进取。
2 引导概念理解,实现深入浅出
学生在学习滤波器设计知识点的过程中,会对晦涩的概念望而生畏,如“旁瓣峰值衰减、主瓣宽度、过渡带宽、阻带最小衰减”等没有直观的认识,在分析判断个各个参数指标时,流于纸上谈兵,在这样的知识点教学过程中,教师应该引入有效的实验平台,如Matlab,Lab View等,积极引导学生进行实践,在滤波器的设计过程中体会不同参数的变化,从而学会在实际工程中进行取舍与折衷。基于软件平台的仿真是为了领悟算法的基本思想,然而算法在硬件平台的实现才是数字信号处理的最终目的,所以硬件实验环节也是非常重要的,学校一方面对理论课数字信号处理配备一定的实验环节,另一方面,专门设置“DSP处理器及应用”课程,以有助于强化学生的动手能力。
3 延续知识主线,联系科研实践
在课堂知识传授中,引入具体课题的研究,提高自主学习和协作学习能力。首先利用教师在科研工作中积累的实际经验,在课堂中对所讲授的知识点在实际中的应用等方面进行介绍,来拓展学生的知识面和提高学习兴趣。其次通过实验、指导学生进行课外探究式学习、课外参加科技创新设计比赛等方式来加深学生对本课程知识的理解,提高学生对知识的综合运用能力,建立课堂教学与科研实践的紧密联系。在与科研实践相联系中,对于教学内容多课时少的问题,解决方法是按专题实施教学,科学设计教学内容和教学过程,遵循“内容体系介绍-知识点之间的关系-重难点问题讲解-一般性问题自学”的模式推进。在基础较好的本科班级中进行了尝试,效果良好,但是对于无前序课程的班级,推进过程存在一定的问题。其次对于课程概念抽象,理解困难的问题,解决方法是创造性运用信息技术,采用交互式教学软件,基于具体的语音或音乐信号的实例与案例,编写参数可调的交互式演示程序,取得了良好的效果。
4 深入知识内涵,实现科学推进
在教学过程中,存在内容多课时少的问题,解决方法是按专题实施教学,科学设计教学内容和教学过程,遵循“内容体系介绍-知识点之间的关系-重难点问题讲解-一般性问题自学”的模式推进。在基础较好的本科班级中进行了尝试,效果良好,但是对于无前序课程的班级,推进过程存在一定的问题。其次对于课程概念抽象,理解困难的问题,解决方法是创造性运用信息技术,采用交互式教学软件,基于具体的语音或音乐信号的实例与案例,编写参数可调的交互式演示程序,取得了良好的效果。
5 以语音信号频谱分析为例探讨
5.1 语音信号的时域与频谱分析
下面将以语音信号处理的基本处理为例探讨数字信号处理课程中的知识点的科研实践应用。以语音信号为例,图1是语音信号的时域显示,横轴表示时间,纵轴是信号的归一化幅度表示,从纵轴的大小能大致看出不同时间对应信号的强弱,但仅限于此,如果希望进一步分析信号的组成和频域的特点,则需要引入频谱分析,将需要用到课堂中学到的傅里叶变换。
在图2语谱图中,对信号分别进行加汉明窗等预处理操作,通过语音的短时傅里叶分析可以研究语音的短时频谱随时间的变化关系,图2中的横轴表示时间,纵轴是频率,图中的颜色条纹代表各个时刻的语音短时谱的对数值。语谱图反映了语音信号的动态频谱特性,在语音分析中有重要的实用价值,被称为可视语言。语谱图上因其不同的颜色灰度值,形成不同的纹路,称之为“声纹”。声纹因人而异,因此可以用于说话人识别任务,在司法、安全等领域得到应用。
5.2 语音信号预加重处理
由于语音信号的平均功率谱受声门激励和口鼻辐射的影响,它在大约800Hz以上的高频端按6d B倍频程跌落,为此要在预处理中进行预加重(Pre-emphasis)处理。预加重的目的是提升信号中的高频部分,使信号的频谱变得平坦,以便于频谱分析和声道参数分析,并减少尖锐噪声影响。一般将语音信号经过一个一阶预加重滤波器来实现:
或表示为:
其中x(n)是输入信号,α称为预加重系数,接近于1。一般取值在0.95左右。实验中的取值为0.9375。下图给出了语音信号“0”预加重前后的频谱图。
通过以上两个课堂实验,将课本中的“傅里叶变换分析”和“滤波器”这两个知识点有个直观的演示,使得学生对于频谱分析以及频域的概念不再抽象,而是能够深刻理解到时域与频域只是对一个信号的两个观察和分析角度,对于滤波器也不再陌生,滤波器是实现对输入信号的某种操作,通过某一种处理,得到期望的输出信号。
6 结论
目前依然存在的问题是当前的考核制度与研究型教学模式的考核方式存在一定的矛盾。研究型教学是要求学生先自主学习,然后经过课堂讨论,实施课题研究,提交论文报告。研究型教学模式的更好实施,需要学生具有完备的基础知识,清晰的概念理解,举一反三的能力,从而进一步提高科学研究能力,以及口头表达、报告撰写和交流协作能力。当前只有基础较好的部分同学能够很好地参与到科研的课题研究中,而大部分的同学仍然是遵循上课-做作业-考试的传统教学模式,这一现象的改变,关键依赖于在今后的课程考核中,希望能够进一步淡化公式以及计算的考察,加大课题研究的比重,实现教学方式的逐步转变。
摘要：该文提出数字信号处理课堂教学中的理论延伸与实践探索。在理论延伸中,在教的过程中注重拓展理论外延,激发学生的学习兴趣。在实践探索中,通过深入浅出的概念理解,延续知识主线,联系科研实践,以语音信号为例探讨课堂知识点的科研及工程应用,实现课堂知识与科研活动的有力衔接。
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