现代数字信号处理课程的教学改革与实践:课程教学改革的实践与成效
时间：2019-04-29 03:20:35 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：针对现代数字信号处理的课程特点，开展课程的教学改革与实践，建立基于MATLAB实现的教学示例，并应用于课堂与实践教学，有助于提高教学质量，培养学生的研究能力和创新能力，且促进课程由传统课堂教学向研究型教学转化。
关键词：现代数字信号处理；教学；MATLAB；教学示例
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）06-0093-02
随着计算机和微处理器技术的迅速发展，学科间的交叉与融合，数字信号处理技术得到了飞速发展，出现了以现代滤波器技术、现代谱分析理论、智能信息处理方法等为标志的现代数字信号处理理论及技术，并广泛应用于现代通信、新型雷达、精确遥测、医疗等众多领域。目前，现代数字信号处理课程主要面向研究生层次学生开设。由于该课程的理论性和实践性都很强，且其基本原理和方法已广泛应用于各领域，因此教师教好和学生学好该课程都很重要。
一、课程特点及传统教学中存在的困难
现代数字信号处理课程具有数学理论推导较多、内容广泛、概念抽象等特点。由于工科研究生的数学理论水平普遍不高，同时课程的学时有限，若教学方法不当，学生一方面在学习过程中常感到枯燥乏味，难以理解和掌握；另一方面易造成学生畏惧学习的心理，失去学习兴趣。现代数字信号处理同时是一门以算法为核心，实践性很强的课程，其算法的应用实现主要基于计算机的数值计算。如果教师采用传统的教学方式，主要讲授基础理论和算法的推导，学生则主要利用大量的公式、算法及推导进行学习和解题，而忽视让学生采用计算机动手设计、调试和分析课程中大量的、应用性较强的内容，会使得学生感觉该课程是一门数学理论课，不利于他们深层次理解数学概念中所蕴含的物理和工程意义，从而造成课后实践受到很大限制，不利于学生以后从事有关信号处理领域的研究工作。因此，如何提高学生学习的兴趣和主动性，增强他们对知识的理解和掌握，培养学生综合应用所学知识解决实际问题的实践能力是本课程教学所要解决的关键问题。
二、课程的教学改革与实践
我校的控制理论与控制工程专业（以下简称双控专业）硕士研究生开设了现代数字信号处理课程，该课程是学位专业课，共32个学时。目前，针对该门课程教学中所遇到的问题，我们以提高教学质量为目的，加强课程建设，从课堂教学和实践环节入手，精选和强化与学科方向有关的教学内容，建设MATLAB实现的教学示例，并将教学示例引入到课堂教学和实践教学当中，改进教学方法，积极开展教学探索与实践；在教学过程中注重学生“知识-能力-素质”的全面发展，以及注重培养学生的研究能力与创新能力，通过近两年的教学改革与尝试，取得了一定成效。
（一）精选教学内容
目前经典的数字信号处理具有比较完善的课程体系，而现代信号处理的课程体系呈多样化特点，不同的教材在主体内容上相差很大。在选择教学内容时，结合控制科学与工程学科的实际需求，并考虑我校双控专业生源大都来自地方性院校，学生的专业背景，知识结构、理论基础、理解能力、实践能力等方面存在较大差异。选择的课程内容一方面侧重基础性、完整性、系统性和应用性，另一方面体现双控专业研究生的培养目标，具有确保后续课程（如《系统辨识》、《数字图像处理》、《DSP技术原理及开发应用》）学习所具备的理论知识基础。因此，本课程选择的教学内容包括基础知识简介、最佳线性滤波理论（维纳滤波和卡尔曼滤波）、自适应信号处理和现代谱估计理论等部分。
（二）选择恰当的教材
教材是一门课程的基础，我们根据教学需求，通过调研及教材对比，并结合双控专业学生的使用效果反馈，主要采用姚天任教授主编的《现代数字信号处理》作为课程教材。该教材一直是华中科技大学、武汉理工大学等重点高校硕士或博士研究生教材用书，教材的系统性、知识性特点适于双控专业研究生教学。在教学过程中推荐张贤达教授的《现代信号处理（第二版）》、高西全等著的《数字信号处理——原理实现及应用》、郭仕剑等编著的《MATLAB7.X数字信号处理》作为知识补充和利用MATLAB开展实践学习的参考用书。
（三）建设MALAB实现的教学示例用于课堂教学
现代数字信号处理课程内容抽象、较难理解，同时作业也具有较多计算量，单纯的笔算较为繁琐，因此仿真教学环节非常重要。同时，该课程的实践性强，因此将实际工程问题以教学示例的形式引入到授课过程也很有必要。MATLAB软件具有强大的计算分析和绘图能力，可以将繁琐的推导过程形象化，用仿真手段直接得出重要结论，可大幅度降低理解问题的难度，提高学习效率。因此，笔者把知识内容进行学科方向强化，将理论知识与具体工程问题相结合，建立了“信号有效记录长度对信号频谱分析的影响”、“维纳滤波器对检测信号的降噪应用”、“卡尔曼滤波器在直流伺服电机系统位置控制中的应用”、“卡尔曼滤波器在雷达目标跟踪中的应用”、“IP电话回声自适应抵消器的设计”、“自适应工频陷波器的设计”，“现代谱分析理论在系统辨识中的应用”等十余个教学示例。示例的知识点较为全面，涵盖教学大纲的所有教学内容部分。在教学中结合专业特点，选择恰当的工程问题建立教学示例，并在课堂中讲授工程问题的解决过程和演示MATLAB仿真结果，有助于学生理解数学概念中的物理及工程意义，使得复杂问题简单化，抽象问题可视化、生动化，让学生理解和掌握知识更为直观和轻松，从而达到提高课堂教学质量，扩展学生知识面，培养起学生学习兴趣的目的。同时，教学示例的引入有助于促使学生初步掌握科研实践规律，增加理解知识的深度和广度，增强学生的工程实践意识，从而达到“为我所学”和“学以致用”的目的。
（四）改进教学方法和手段
《现代信号处理》内容抽象，数学含量较大且学时较少。我们在教学中充分利用板书教学和幻灯片教学的各自优势。板书教学用于相对简单、逻辑严密的推导证明过程，可以给学生相对充足的思考时间。幻灯片教学主要用于非重点内容、拓展知识部分或直接展示部分，它利用形象思维方式提高授课效率。这两种教学方法相互补充，有效地解决了学时不多的问题，提高了教师教与学生学的效率。在教学过程中，将教学课件、习题集及解答、教学实例的设计过程和MATLAB实现的程序源代码与学生共享，这不仅便于学生课后的教学内容重现，提高学习效率，又可为科研工作扩展思路。
（五）精心设计基于MATLAB实现的课程作业，实施实践教学
基于掌握重点、突破难点、解决疑点、结合实际的原则设计MATLAB实现的课程作业。作业题涵盖常用数字滤波器、维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应信号处理和现代谱估计等内容。布置的作业均给出具体任务要求，学生通过查阅相关参考文献，并利用MATLAB编程语言实现。实验性的课程作业已在2009~2010级双控专业学生中，以小组合作学习方式实施。为了检查学生的实践性作业的完成情况，我们在课程教学的结束阶段，各小组选出代表，进行求解过程讲解、程序演示和问题答辩，小组的参与所有成员均参与答辩环节。这种实践教学方式作为学生成绩的考核依据之一。从实践效果看，设计性的课程作业不仅可以弥补课程内容概念抽象、难以理解的不足，充分发挥学生的主动性和创造性，使学生得到良好训练的同时，理论知识得以深化和巩固，提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，而且培养了学生的创新意识，以及严谨、有序、科学的工作作风，团结协作的科研精神，为学生进入研究阶段的学习打下基础。
提高教学质量是高校教育教学改革的永恒主题。结合现代数字信号处理的课程特点和学生的专业特点，精选教学内容和教材，建立与实际工程问题相关的、MATLAB程序实现的教学示例，并将示例用于课堂教学，同时开展设计性课程作业的实践教学，这不仅起到了克服传统教学困难、丰富教学内容、提高教学效果的作用，另一方面有助于充分发挥学生的主动性和创造性，使学生的理论知识得到深化和巩固，实践能力、创新意识得以培养和提高。
参考文献：
[1]姚天任，孙洪.现代数字信号处理[M].武汉：华中科技大学出版社，1999.
[2]张贤达.现代信号处理（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2002.
[3]高西全，丁玉美，阔永红.数字信号处理——原理、实现及应用[M].北京：电子工业出版社，2009.
[4]郭仕剑，等.MATLAB7.X数字信号处理[M].北京：人民邮电出版社，2006.
基金项目：广西工学院研究生课程建设项目资助（201010594YKJ04）
