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数字信号处理课程教学方法改革与实践
作者：刘会衡 田 玲
[关键词]数字信号处理，教学改革，多媒体教学，MATLAB。
[中图分类号]TN911.72[文献标识码]A[文章编号]1005-4634(2008)03-0237-03
“数字信号处理”是国内外许多大学电子信息类专业的必修专业基础课程。数字信号处理包含了很多抽象的概念和理论，很多结论的推导涉及到大量的数学推导过程，学生听起来枯燥无味，理解和掌握起来有一定难度。结合江西理工大学应用科学学院实际教学的特点，笔者在教学实践基础上，对教学方法做了一定的改革和探讨。
1教材选择与教学内容改革
1.1教材选择
目前“数字信号处理”的教材很多，笔者教学一直选用由程佩青编著、清华大学出版社出版的教材《数字信号处理教程》（第二版）。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数字信号处理的基本概念及基本理论。同时将丁玉美编的《数字信号处理》作为参考书，该书的特点是简练易懂，配有习题，便于学生通过作业的训练来了解各个知识点。此外，对学习能力比较强的学生，还推荐其参阅由Avtar Singh（美国）和 S.Srinivasan（印度）编著、蒋晓颖译，清华大学出版社出版的国外经典教材《数字信号处理》一书，该书不仅介绍了数字信号处理的基本知识，还对数字信号处理器DSP的体系结构、编程方法作了介绍，便于学生作进一步学习。
1.2教学内容改革
数字信号处理的理论性比较强，内容涉及到大量公式的推导，前几届学生普遍反映学习起来枯燥无味。为了改变这种状况，让学生在有限的学时（共64学时，含16学时实验）内更好地掌握数字信号处理的基本知识点，笔者对数字信号处理的授课内容进行了精心安排和选择，精简了部分内容，重点讲授基本概念和关键结论，避免大量冗长复杂的公式推导。
笔者把数字信号处理的基本内容分成三大部分（见表1）：数字信号处理的基础理论、数字信号处理的核心内容、数字信号处理的扩展知识。其中，第一部分关于离散信号与系统的时域分析、z变换等在“信号与系统”课程中已学习过，可作简单的回顾和复习，重点讲解DTFT变换、DFT变换的算法原理，以及DFT的快速实现算法FFT，同时要理清各种变换之间的关系，便于学生系统的掌握知识；第二部分内容是本课程的核心和难点，可通过深入详细地分析其内涵、特点及与其它知识点之间的相互关系，使学生真正理解和掌握数字滤波器的设计方法；而第三部分内容，只作简单的介绍，主要采取学生自学的方式来完成。
2多媒体辅助教学
基于本课程的特点，在教学过程中，宜采用板书和多媒体教学相结合的授课方式，且以板书为主，多媒体为辅。针对一些基本原理和基本方法的推导和证明的需要，仍然采用课堂板书的授课方式，这种授课方式易控、灵活、互动性强，可以让学生跟随教师的思路来领会课堂知识；而对于一些需要形象理解、图示举例以及动画演示的部分，则可采用多媒体教学方式，充分利用声音、图像、视频、动画等多种形式进行互动教学。
例如，可以利用flash动画来演示连续时间信号的抽样、DTFT、DFT之间的关系（见图1）。通过flash的动画效果，演示从上至下，从左至右，让内容依次出现，并配合教师的讲解，从而让学生形象的理解模拟信号抽样与频谱的关系，以及各种信号傅里叶变换之间的关系，达到对该知识点的真正融会和贯通。
又例如，在讲授序列的傅里叶变换（DTFT）和离散傅里叶变换（DFT）时，学生理解和区分起来就很困难：都是序列的傅里叶变换，为什么有两种形式呢？实际上，DTFT和DFT都是从频谱分析的角度来分析一个序列。对于DTFT，只要该序列满足绝对可和的条件，则它的傅里叶变换一定存在且连续，由于其一个域是连续的，因而不适合在计算机上运算。而DFT是专门针对序列“有限长”的特点而提出的，其频谱也是离散的，因而适于在计算机上运算，并且可以通过快速傅里叶变换（FFT）实现。为了让学生不产生混淆，在教学过程中，可以利用MATLAB进行现场仿真，让学生通过仿真结果直观掌握二者的关系和区别（见图2）。实验中，采用矩形序列。其中a图是序列的波形图及其DTFT变换的连续谱，周期为，图中显示的为主值区间（）频谱。b图是通过16点和32点FFT来实现的序列DFT变换，其中虚线所示的包络为信号的DTFT连续谱，从中明显可以看出，DFT实际上是对主值区间上的DTFT连续谱在频域进行抽样，抽样点数即FFT变换的点数。通过这样的现场仿真分析，学生很容易掌握和理解DTFT和DFT的关系和区别。
3实验教学与理论教学同步进行
数字信号处理是一门理论与实践紧密联系的课程，仅通过课堂的理论教学和适量的课外作业，学生还是完全停留在对理论的肤浅认识上。为此，加大了实验教学的力度（共16学时），让实验教学与理论教学同步进行，以及时有效的加深学生对理论知识的巩固和理解。笔者汲取先进的实验教学理念和思想，结合江西理工大学应用科学学院学生的实际特点，对实验教学进行了改革和实践，编写了《数字信号处理实验指导书》，以充分培养学生的动手能力和创新能力。该实验指导书以MATLAB语言为基础，将“信号与系统”、“数字信号处理”两门课程的基本知识融合在一起，分段实施，逐步深入，让学生对数字信号处理的基本知识达到真正的融会贯通。该实验指导书共设置了6个实验（见表2），每个实验除包含实验目的、实验内容和实验步骤外，还对本实验涉及的基本知识进行了简单的回顾，同时对实验中用到MATLAB函数进行了介绍，对难以理解的复杂函数给出了具体的实例程序，以对学生自己动手编程起到抛砖引玉的作用。此外还要求学生根据实验报告的要求，对比实验结果和课堂所学的理论知识，对结论进行总结和分析，写出实验报告。
通过“数字信号处理”课程的教学研究和改革，从与学生的交谈和考试成绩来看，江西理工大学应用科学学院2004级学生对该课程的理解和掌握程度比前几届普遍要好。实践证明，对于“数字信号处理”等理论性、实践性都很强的课程，必须在教学内容、课堂教学和实践教学方面进行不断的探索和尝试。今后在教学过程中，笔者将会继续进行教学研究，不断完善教学过程，提高教学质量，为社会培养高素质的应用型人才。
参考文献
1任治刚.“数字信号处理”多媒体教学方法初探[J].电气电子教学学报,2006，(12).
2 张志涌.精通MATLAB6.5版[M.北京:北京航空航天大学出版社,2003.