多管齐下提高数字信号处理的教学质量

胡洁

摘  要：数字信号处理作为通信电子类专业的专业基础课，具有涵盖知识面广、内容抽象、理论性强等特点。传统教学方法着重于知识点的讲解，但缺少辅助手段，因此往往效果不尽如人意。该文通过思维导图引导学生记忆、Matlab软件演示加深理论理解、案例讲解加强学生对实际问题的解决能力三个方面对该课程进行了教学改革的探讨，达到了激发学生学习兴趣、提高教学效果的目的。

关键词：数字信号处理  思维导图  Matlab软件  案例讲解  教学改革

中图分类号：TN911.72-4    文献标识码：A            文章编号：1672-3791（2019）04（c）-0112-02

数字信号处理系统被广泛应用于工业、农业、军事等各个领域中，其重要性不言而喻。数字信号处理作为一门理论性和实践性都较强的课程，学好它不仅有助于本科学生初步掌握信号处理中的概念和基本算法、培养学生应用数字信号处理分析和解决问题的能力，也为后续进一步从事数字信号处理理论研究或应用实践打下良好基础，有助于培养应用型、行业特色型人才。但数字信号处理课程由于其理论性强、内容抽象且覆盖面广，学生在学习这门课程时往往感觉枯燥、主动学习性较弱，导致最终教学效果不甚理想。这里，我们从思维导图、Matlab辅助、案例分析3个方面入手，激发学生学习兴趣，提高教学质量。

1  思维导图在数字信号处理中的应用

思维导图由英国学者托尼·巴赞提出[1]，是一种有效将思维形象化的图形思维工具。它通过树形结构，将各级主题的关系用相互隶属与相关的层级图表现出来，具有直观友好、层次清晰等特点。教师在备课时可用思维导图制定合理的教学计划、组织教学内容，为上好每一堂课做好准备，使课堂教学更为清晰合理。

在数字信号处理教学中，引入思维导图有助于学生串起各个分散知识点，更好地把握各个概念、算法之间的联系。例如，数字信号处理课程中，包含各类信号分析方法，如Z变换、DTFT（序列的傅立叶变换）、DFT（离散傅立叶变换）、FFT（快速傅立叶变换），这些信号分析方法是后续进行信号处理的基础，具有十分重要的意义。但是这些算法公式繁多、不易记忆，彼此之间存在的关系也让学生顾此失彼。通过引入思维导图，不仅对每种变换有直观地认识，而且将不同算法联系起来，建立了各个知识点之间的联系。

此外，在课堂以外，要求学生在每章节结束后画出手绘思维导图，通过对知识点的整理和归纳，反思自己的学习过程，形成清晰的知识网络。

2  Matlab课堂演示和实验

Matlab因其专业的信号处理工具箱、友好的编程环境、强大的数值计算和符号计算功能，在数字信号处理中得到了广泛应用[2]。在信号处理教学中，教师也可以根据实际教学内容，编写相关程序，通过课堂展示有助于教师更好地阐述教学内容，学生更容易理解相关知识点。例如，在信号的抽样和恢复中，通过改变采样序列的频率，观察恢复后的信号和原信号的区别，从而更好地理解采样定理。

除了课堂理论教学加入Matlab演示之外，还增加数字信号处理的Matlab实验作为课堂内容的补充。如FIR数字滤波器的加窗设计，如果仅仅在课堂上通过理论学习，学生会很难理解各个窗函数的区别。通过Matlab信号处理工具箱或简单的Matlab函数，学生选择不同的窗函数以及相应的参数，可以很直观地看出不同的窗函数之间的差别，如图1所示。通过自己动手编写Matlab程序，学生不仅进一步理解了理论知识，更牢固地掌握了相关知识点，同时有助于克服对信号处理学习的畏难情绪，使数字信号处理这门课程更顺畅地开展。

3  基于问题引导的案例分析

数字信号处理在诸多领域都发挥着重要作用，因此该课程是一门理论和实践相结合的课程。在课堂教学时通过加入案例引导学习，不仅丰富了课堂教學内容，而且提高了学生学习的积极性，培养了学生自主思考、发现和解决问题的能力[3-4]。例如，在学习了IIR和FIR滤波器的设计后，给学生演示语音消噪的案例。首先让学生听一段语音信号，然后在该语音信号中加入噪声，让学生体会两者在听觉、时域和频域上的差别。接着，利用IIR滤波器和FIR滤波器对该加噪信号进行低通滤波处理，当选择不同的参数时，同样让学生观察处理后的语音信号和之前两个语音信号的差别。在该语音信号消噪的案例的讲解过程中，教师始终引导学生思考，加入噪声后时域信号和频谱分别产生了什么变化？IIR滤波器如何合理选择参数？在采用FIR滤波器对加噪信号处理时，选择不同的窗函数和阶数对结果造成了什么影响等等。案例讲解过程中始终围绕问题进行，让学生带着问题和好奇心紧跟教师的思路，和教师积极互动，提高了对相关知识点的兴趣并加深了理解。

4  结语

数字信号处理是一门重要的专业基础课程，其数学推导多、内容相对比较枯燥，因此很难引起学生的兴趣。我们在传统的教学方式之外，通过引入思维导图、Matlab软件平台和案例讲解，激发了学生的学习热情，培养了学生思考问题、解决问题的能力，取得了较好的教学效果。

参考文献

[1] 东尼·巴赞，巴利·巴赞.思维导图[M].北京：中信出版社，2009.

[2] 沈再阳.精通Matlab信号处理[M].北京：清华大学出版社，2015.

[3] 陈海燕，何继爱，蔺莹.基于问题引导的数字信号处理课程教学方法研究与实践[J].教育教学论坛，2018（4）：173-174.

[4] 胡海东.《数字信号处理》课程教学改革探讨[J].科技资讯，2012（34）：180.