基于应用型人才培养的数字信号处理课程实践教学改革

唐骏

摘  要：数字信号处理课程作为电子信息类专业重要的学科基础课，由于其枯燥的理论及繁杂的公式，使得学生在学习过程中产生厌学心理，该文基于应用型人才培养目标和现有的数字信号处理共享网络平台，针对传统教学模式的不足，以實践教学改革为重点，从重视理论课程的引导作用、数字化教学资源平台建设及综合性实验平台建设3个方面对该课程的实践教学进行改革。最后，重点阐述CDIO实践教学方法的实施过程。实践结果表明，该实践教学改革方案，对培养学生的主动学习及创新实践能力起到很好的作用。

关键词：数字信号处理  应用型人才培养  CDIO

中图分类号：G624   文献标识码：A           文章编号：1672-3791（2019）05（c）-0096-03

数字信号处理课程是电子信息类专业的一门重要课程，后续很多专业课程均以数字信号处理课程作为理论基础。特别是近年来，随着人工智能技术的普及应用，大规模集成电路及数字信号处理器的普遍使用均离不开数字信号处理课程的有力支撑。

数字信号处理课程理论性较强，内容比较枯燥，学生在学习过程中难免会产生厌学心理，这对后期专业课程的学习造成很大影响。因此很多高校对数字信号课程的教学内容、教学手段及方法进行了一系列教学改革，收到了很好的效果。该文针对厦门理工学院通信工程专业的教学目标及培养模式，提出一种以网络为载体，基于共享平台的数字信号处理网络共享课程，并对实践教学方法及内容进行改革。

1  传统教学模式的不足

数字信号处理的传统教学模式重在介绍一般原理与方法，所授内容、分析方法和处理技术方面的基本观念及体系不能很好地适应学科的发展和技术的进步;繁杂的数学内容和数学结果使学生感到难学、难懂、不能学以致用。其在实践及理论教学中存在以下问题。

（1）理论教学上，依然以教师讲授为主，个别教师仍将精力放在公式的推导及解题技巧的研究上，不注重对理论知识的综合利用及创新能力的培养，学生学习兴趣不高，主动思考程度不够。

（2）实践教学上，仍以验证性实验为主，实验内容大多停留在计算机仿真阶段，实验内容单调无趣，缺乏系统性及实用性，学生不能很好地将理论内容与实践相结合，与应用型人才培养模式不符。

针对以上问题，笔者根据应用型人才培养目标，借助网络共享平台，改进传统教学中存在的问题;建立从点到面、逐级递进的实践教学体系，以创新能力培养为核心，建立实验平台，改革实验内容，转变实验方法。

2  数字信号处理实践教学改革

数字信号处理课程的两大主线是傅里叶变换及数字滤波器的设计，因此无论理论还是实践，构建完整的课程体系尤为重要。学生时代曾有过这样的感觉，所开的课程彼此之间都有什么关系？为何有些知识点很多课程都讲？信号与系统和数字信号处理又有何关系？由此可见，知识模块的优化、课程体系的建立是至关重要的。

2.1 重视理论课程的引导作用

理论是实践的基础，教师可通过视频等方式向学生展示数字信号处理课程在当今社会生产生活中的作用，例如以手机的发展过程为例，讲解数字处理技术如何使手机尺寸越来越小，越来越薄的同时，功能和音质却越来越好。通过生动的实例使学生了解学习的目的，尽快建立对课程的兴趣。同时，从实际项目引导学生掌握数字信号处理系统的开发流程，使学生了解实践能力对该门课程的重要性，激发学生创新意识。并建立完整的知识结构，将课程主要知识点的前后关系及作用知识模块整理如图1所示。

2.2 数字化教学资源平台的建设

以理论课程内容为基础，以实践教学设备为平台，借助网络技术将课内实验及实践课程等教学资源进行整合形成立体化教材，将枯燥的课堂教学内容利用仿真软件以通俗易懂的可视化图形对原理进行演示，增加课程的可视性及趣味性。同时为方便学生的学习，可将课程标准、电子教案等教学文件上传到平台，方便学生学习。

2.3 综合实践教学平台的建设

“实践是检验真理的唯一标准”，实践教学在强化理论教学内容的同时，能够培养学生的实践动手能力及综合运用能力，是应用型人才培养的有效途径。为了改变传统实践教学存在的弊端，改变“多验证、少设计”的实验现状，结合线上理论教学平台的建设，将CDIO教学理念引入到实践教学，使学生通过构思、设计、实现及运行的基本理念参与到实践教学体系中，采用由浅入深、由易到难、由验证到实践的步骤安排实践教学。

（1）改革实验方式及内容。

传统的数字信号处理实验大多采用两种模式：一种是依赖数字信号处理实验箱，采用CCS软件验证实验内容，实验内容多为编好的C语言程序，这种实验方式不利于学生对理论知识的理解，学生参与度不高;另一种方式是将传统实验改革为上机实验，通过MATLAB仿真软件验证理论知识点，这种仅依靠计算机进行仿真的实验方式缺乏系统性和应用性。该文结合两种实验方式，基于应用型人才培养目标，构建层层递进的实践教学体系，将MATLAB语言引入到实践教学，并结合数字信号处理EXPIII+型教学实验系统，将实践教学分为3个阶段。

基础性实验（8学时）：基础型实验以巩固课堂理论知识为目的，此阶段主要依靠MATLAB丰富的信号处理功能及函数，对离散信号、连续信号及语音信号的时域及频域信号进行分析，培养学生基本的信号处理及分析能力。例如，让学生编写文件对信号进行傅里叶变换，通过参数的修改，观察仿真图像，加深学生对信号频谱的理解。通过“看得见的仿真”加深学生对“看不见的理论”的理解和掌握。

设计性实验（10学时）：此部分实验以设计型实验为主，主要实验内容为FIR滤波器的设计、IIR滤波器的设计等。学生上网查阅资料，选定合适的方法设计实验内容，并借助MATLAB软件实现。设计完成后，指导教师安排学生对自己的设计思路进行讲解，并对各种设计方案进行对比分析。学生通过查找文献—确定方案—验证算法等设计思路，培养其运用所学知识分析问题、解决问题的能力。

综合性实验（2周）：综合性实验的设计应以项目为依托，这2周实训主要由有企业工程背景或数字信号处理相关课题的教师承担，采用“模块化”“项目化”的教学方法，将学生分成小组，并与DSP原理及应用课程相结合，将信号处理理论借助数字信号处理芯片达到软硬结合的基本目标。

（2）改革实验教学模式。

以基础教学内容为指导，以实验教学及课程设计为途径，以项目及课题为驱动，利用学校现有实验教学资源，依托指导教师的项目或课题，实施项目驱动式研究，从项目选题、查阅资料、项目分工到项目验收，全程以学生为主体，教师辅助的项目实施模式。

（3）CDIO理念的实验内容设计与开发。

为培养学生的创新意识和创新能力，开设基于数字信号处理平台的课程设计和毕业设计，让学生有足够的时间对数字信号处理技术及应用有比较全面、系统的理解和掌握，并从中筛选学生参与各类竞赛。

3  CDIO实践教学方法的实施

基于CDIO实践教学体系执行流程如图2所示，共分为3部分：项目的筛选、项目实施及项目的测试与总结。

3.1 项目的筛选

充分挖掘学院电工电子教育中心、创新实验室以及校外实习基地的资源，筛选适合CDIO教学方法的实验装置和设备，实现逐级递进的实验教学体系。

初级实训项目：现场布置题目，课上独立完成，了解DSP基本结构及编程环境，培养学生关于实践的兴趣和自信心。

中级实训项目：现场布置题目，教师给予适当引导，学生独立完成，学生能够独立设计简单的数字信号处理系统。

高级实训项目：课后设计，现场调试。可根据难易程度选择独立完成或按成员分工完成，教师给予适当指导。掌握较复杂的数字信号处理系统的结构化设计思想，完成部分模块设计。培养学生关于较复杂的数字信号处理系统的模块化设计能力。

3.2 项目的实施

根据学生学习能力及对所学知识的掌握情况，将所有学生按每组3～5人进行分组，对于初级及中级实训项目，由于项目简单，采取每组一个项目的方式，对于高级项目，采用全班一个项目进行实施。学生首先对布置任务进行分析，上网查阅资料进行讨论，确定实施方案形成项目进度计划表，并进行任务分解和分工，随后进行项目的实现及运作。

3.3 项目的考核及总结

项目成绩的评定是否公正关乎到对学生学习兴趣的激励，测评内容包括设计方案、各功能模块设计、軟件程序设计及最终实现效果及部分。成绩评定由组内成员测评、小组成员互评及教师评测几部分组成。项目最终成绩由平时成绩、技能成绩及实验过程考核成绩3部分组成。

4  结语

该文以应用型人才培养为目标，对数字信号处理课程的实践教学体系进行改革，通过项目的实施结果表明，该教学模式对学院通信工程专业实践教学效果有很明显的促进作用，不仅提高了学生的学习兴趣，同时也促进了学生的自主学习能力、团队协作能力、硬件设计能力及软件编程能力，使学生通过项目式教学方式获得一定的工程实践能力，为今后走上工作岗位奠定了良好的基础。

参考文献

[1] 田晓燕，陈雷，黄永平.应用型人才培养模式下数字信号处理课程改革与实践[J].教育教学论坛，2012（29）：88-89.

[2] 李敏.应用型人才培养模式下的数字信号处理教学方法探讨[J].当代教育实践与教学研究，2017（12）：59-60.

[3] 邱珊.面向应用型人才的数字信号处理教学改革探索[J].大众科技，2017（6）：137-138.