《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18points和28points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。