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数字信号处理研究性教学的独特性

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摘要:随着信号处理应用的日益广泛,工科专业中数字信号处理课程的重要性也日渐凸显.因而,传统的教学方法无法满足该课程教学内容繁杂及实践性强的要求.根据数字信号处理课程的特点,将研究性教学引入到课程的理论与实践教学环节,同时结合综合设计性实验和大学生全程实践,全面提升学生的理论水平及实践创新能力.

关键词:数字信号处理;研究性教学;实践教学

随着语音信号及图像信号处理技术的快速发展,数字信号处理技术得到了广泛的应用.同时,数字信号处理课程作为工科专业一门非常重要的专业基础课程,上承高等数学、信号与系统等基础课程,下接语音信号处理、图像信号处理等专业课程,在学生构建专业知识体系的过程中起到非常重要的作用[1].但是,由于该课程理论性与实践性并重、数学公式繁多,学生学习起来难度较大,尤其是在一些应用型本科院校中,学生基础较差,学习能力不强,更容易出现学生怕学、学不好,教师怕教、教不好的怪象.在数字信号处理的教学过程中,如何做到既让学生掌握基本概念和原理,又能帮助学生将所学知识应用于解决实际问题,从而使学生体会到学习的乐趣而激发学生学习兴趣.这一问题的解决必须从实践环节入手,将理论与实验合理结合,帮助学生构建完备的知识体系,使学生学以致用,用以助学.

1研究性教学理论介绍

近年来,研究性教学成为了国内外高校大力倡导的一种教学模式,在高校本科教学中得到了广泛的应用[2].该方法通过在教学过程中引导学生研究特定选题,实现对所学知识的掌握和提高,并在这一过程中培养学生的创新能力及研究品格[3].因而,研究性教学不是简单的“填鸭式”教学,而是学生必须在教师引导下对知识进行反思、批判和探究的过程.在研究性教学过程中,教师的作用不再局限于传授学生知识,而要以学生为中心设计教学过程,为学生提供所需的教学资源[4].在教师讲授过程中,侧重于学习方法的介绍及学生创新思维的培养,同时教师作为主导者控制学生的整个学习过程,对学生的学习效果进行恰当的评价.

2数字信号处理研究性教学的独特性

本文所提出的数字信号处理的研究性教学方法不同于常规课程的研究性教学方法,它特别侧重实践动手能力的提高和创新思维的培养.在该课程中实施的研究性教学要将理论课教学与实践教学结合起来,利用综合设计性实验及大学生全程实践活动来提升理论教学水平,培养学生实践应用能力.

2.1数字信号处理内容体系的独特性

数字信号处理作为电类专业一门非常重要的专业课程,它的重要地位毋庸置疑.但是由于其理论性与实践性要求都很高[5],而且与信号处理类课程群内其他课程联系紧密等特点,其内容体系具有一定的独特性.

2.1.1学生能力培养的二重性

数字信号处理对于学生能力培养具有二重性,其一是培养学生数学思维能力,利用工程数学相关理论分析信号的生成及变换过程,这有利于培养学生严谨的逻辑思维能力;其二是鼓励学生学以致用,将理论课所学知识应用到解决信号处理实际问题中,如FIR滤波、语音信号采集等.

2.1.2理论教学与实践教学的并重性

数字信号处理课程理论课概念繁多、公式推导复杂[6],学时紧张(仅为51学时)而内容多的矛盾比较突出.实践教学作为理论课的合理补充及有效升华,其地位显而易见,但其学时数仅为15学时,还承担DSP器件的基本技能训练.所以,二者在教学中的并重地位和学时紧张的问题都同时存在.

2.2研究性教学与数字信号处理结合的独特性

在数字信号处理的研究性教学过程中,必须将理论课与实践课紧密结合,课内学时与课外活动结合起来,这是其他课程的研究性教学中很少采用的方法.这种教学方法的独特性在于对教师的理论与实践教学水平的要求都比较高,要求在教学过程中博采工程数学、信号与系统、DSP和EDA等多门课程知识,帮助学生在学习本门课程的同时开拓视野.

3理论与实践并重,课内与课外结合的研究性教学实施

以FIR滤波器的设计为例,展开研究性教学过程.

3.1理论课教学过程

在理论课上,教师首先为学生传授数字滤波器,特别是FIR滤波器的理论和设计方法.其次,向学生提出一些具有实际意义的滤波器设计要求.让学生分别从理论与实践的角度设计数字通信系统中常见的截止频率为8000Hz的低通滤波器.学生按照学习小组的模式,多人合作设计该滤波器.设计过程要求学生采用数学推导、查表法及MATLAB软件实现FIR滤波器的仿真设计[7],最后要求学生形成设计报告.最后教师利用课堂时间,对比分析学生的不同设计方案,指出学生在设计过程中的可取之处及待改进的地方.同时,为学生进一步利用DSP实验系统设计该滤波器做知识上及思路上的铺垫.

3.2课内实验教学过程

由于课内实验仅有15学时,其中前6学时用于CCS3.3软件及TI公司5416芯片系统的学习.因而,留给理论知识点的实践反馈学时很少,但诸如快速傅里叶变换、圆周卷积、FIR滤波器及模拟信号数字化等知识点都需要在实践环节加以巩固.所以,常规的基础验证类实验项目无法达到全面培养学生实践能力的目的.采用综合设计类实验代替原有实验项目,力争一个实验项目能从多方面培养学生动手能力,提升理论知识掌握程度.如FIR滤波器的设计要求学生完成语音信号的采集、模/数转换、低通滤波和数/模转换等工作,而不局限于滤波的实现[8].同时,为了激发学生的学习兴趣,增加实验项目的生动性,实验项目选择一些流行乐曲作为语音材料,要求学生经过实验设计完成乐曲的重低音化,滤掉高频分量.

3.3全程实践教学活动过程

为了弥补课内实践学时的不足,充分利用学校开展大学生全程实践活动的有利契机,在学生的全程实践环节开设“基于EDA技术的FIR滤波器的设计”这一实践题目.学有余力的学生可以利用前续课程EDA相关知识在实验室SOPC1C12的平台上实现FIR滤波器的设计.同时,鼓励学生将所设计滤波器应用于程控交换系统中说话人语音的提纯过程.

4结语

数字信号处理是电子信息类专业非常重要的专业课程,本文依据数字信号处理理论与实践并重的特点,将研究性教学方法引入到教学中,并且提出了一些独特的教学方法.这类理论与实践并重、课内与课外结合的方法,符合工科类专业实践性和创新能力培养要求高的特点.在2012—2015年的3个学年,针对电子信息科学与技术和通信工程2个专业开设的数字信号处理课程进行了教学实践,通过学期末教学反馈及毕业设计检验得到了比较满意的教学效果.实践证明,研究性教学方法能充分调动学生的学习积极性,引导学生带着问题学习,提高学生学习效果的同时培养学生创新能力及团队协作精神.同时,通过研究性实验报告及小论文的撰写,为学生后续毕业论文的撰写及研究生学习奠定良好的基础.

作者:任国凤 孙颖 单位:忻州师范学院 太原理工大学

参考文献:

[1]杨智明,彭喜元,俞洋.数字信号处理课程实践型教学方法研究[J].实验室研究与探索,2014,3(9):180-183

[2]毛伊敏,钟文涛.《数字信号处理》课程研究型教学方法研究[J].中国电力教育,2008(11):79-80

[3]肖江,张鸿存,费诺,等.数字信号处理实验系统的结构与应用[J].实验室研究与探索,2001,20(4):36-38

[4]杨文龙.虚拟仪器及其在信号处理教学实验中的应用[J].实验室研究与探索,2007,26(12):297-300

[5]林连冬.数字信号处理研究型实训课程的教学探索与实践[J].实验室研究与探索,2014,33(6):219-222

[6]马永奎,高玉龙,张佳岩,等.“数字信号处理”课程设计导向型教学初探[J].电气电子教学学报,2012,34(4):96-97

[7]FinderS,PetreM.Project-BasedLearningPracticesinComputerScienceEducation[J].FrontiersinEducationConferences,1998,28:1185-1197

[8]FelderD,MansonC.EfficientDual-ToneMulti-frequencyDetectionUsingtheNon-uniformDiscreteFournierTransform[J].IEEESignalProcessingLetters,1998,5(7):160-163

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