数字信号处理课程的混合式教学方法探讨

李永全 王圆妹 胡 林

（长江大学（东校区）电子信息学院 湖北·荆州 434023）

0 引言

数字信号处理是电子信息类的专业核心课程，具有很强的工程性和实践性。数字信号处理已经广泛应用于无线通信、雷达、自动控制、人工智能、模式识别、航空航天、地球探测、生物医学等几乎所有的工程领域。因此，无论是对学生今后的就业，还是继续深造从事相关研究，学好数字信号处理这门课程都是至关重要的。通过本课程学习，学生能够掌握信号与系统的时间域分析和频率域分析、离散傅里叶变换、数字滤波器网络结构的基本概念、基本理论，使学生了解IIR滤波器和FIR滤波器的设计原理和方法，具备根据信号处理目标确定滤波器系统的设计指标并进行系统设计与实现、最终达到信号处理目标的能力，为从事通信和信息处理等方面工作和研究打下基础。

1 数字信号处理课程教学现状

然而，本课程中大量的抽象概念以及离散傅里叶变换、时频域分析、滤波器设计等复杂理论和公式推导，令人感觉枯燥难懂，学生大多对这样的课程兴趣不高，课堂效率较低。“数字信号处理”课程以往主要采用传统教学模式，数字信号处理教学中存在以下问题：

（1）以教师教学为中心，导致学生缺乏主观能动性。理论教学多采用教师上课教、学生下面听的“满堂灌”模式；实验教学多为验证性实验，为知识传授服务。教学活动中师生互动性不强，学生参与度不高，难以激发学生的学习兴趣和主动性。

（2）以高等数学为基础，使得学生难以理解透彻。课程内容丰富、概念抽象，其中傅里叶级数、傅里叶变换、Z变换等内容都有大量公式推导，很多学生面对繁杂抽象的数学公式会望而却步，失去学习动力。

（3）以软件编程为辅助，要求学生具有较强的动手能力。课程中的傅里叶变换、时域和频域分析、滤波器设计等重点内容，通过软件仿真能够更好地帮助学生理解并应用，因此，需要学生掌握C、MATLAB、Java或Python等编程语言，而计算机编程能力也往往阻碍了一些同学的实践应用。

（4）以知识传授为主导，对于学生创新实践能力培养不足。在教学中知识被简单地分割为一个个小单元，学生知识点学得多，系统概念少。脱离了整体任务和工程问题，学生不知为什么要学这些知识，工程实践能力弱、缺乏创新意识和创新能力。

由此可知，如何提高学生的学习兴趣和主动性，如何帮助学生融会贯通课程中的基本原理、概念、分析与设计方法，针对上述问题，作者精心设计教学内容，尝试采用混合式教学方法，在教学中体现学生的主体地位，它不仅能激发学生的学习积极性和主动性，还能培养学生的学习能力、实践能力、合作能力和分析问题解决问题的能力，以达到提高学生的积极性和提升教学质量的目的。

2 数字信号处理教学内容设计

（1）融入思政元素，引领价值导向。依据本课程的教学规律和专业特点，对思政目标与知识技能目标进行设计与融合，渗入思政元素。以工程应用中平凡人的伟大、计算思维理念和简约思维方法论，引导学生树立正确的价值观，培养学生科学思维和科学方法，培养良好的学习态度和积极向上的科学创新精神。

（2）引入前沿技术，激发学习兴趣。随着电子技术以及计算机技术的迅猛发展，科学研究中DSP的新理论和新技术层出不穷，如人工智能、5G技术和星际探测等技术都是DSP的具体应用。及时将这些前沿技术融入课堂，既丰富和拓展了教学内容，也让学生掌握了如何将所学的理论知识应用于实际，激发学生的学习兴趣，培养创新思维。

（3）重塑教学内容，淡化理论推导。以培养高素质创新创业型人才为核心，对教学内容进行了重塑：精简与先修课程联系紧密的章节，简化难以理解的理论内容和数学推导过程，侧重讲解物理意义和实际应用，理清数学模型之间的逻辑内涵。

（4）科研教学互融，理论联系实际。以工程应用为导向，提炼科研成果为工程案例，搭建抽象理论与工程应用的桥梁；将科研方法纳入课堂，按照项目开发方式设计综合性实验项目；利用导师制、大创项目及毕业设计等，引导学生进入信息处理的科研领域，指导学生采用科学研究的方法和手段开展科学研究。

3 数字信号处理混合式教学方法改革实践

混合式教学将课堂教学的核心由知识传授转换为知识获取，将教学的主体由教师转换为学生。混合式教学是教师知识传递和学生主动学习的混合，也是学生自主探究和协作互助的混合，既体现了教师的主导作用，也突出了学生的主体地位。采用多种教学法相结合的方式，针对不同的教学内容采用不同的教学方法，引导学生积极参与课堂内学习活动，主动开展课堂外拓展学习，积极开展理论验证和创新实践，从而真正实现对应用型人才的培养，构建知识和技能的统一。

3.1 采用鼓励式教学法

自信在学习中起到重要作用，自信能增强学生的学习兴趣、激发主动学习和自主学习能力。对“数字信号处理”这门抽象难懂的课程而言，帮助学生建立对本门课程学习的自信尤为重要，因此在教学过程中采用鼓励式教学法。

（1）建立课堂教学中理论部分的听课自信。在绪论中分析为什么学DSP、学什么内容、课程的应用及发展前景等，使学生明确课程的优越性，进而喜爱这门课程。

（2）进阶式提问，帮助学生建立学习自信。在课堂提问时，根据学生的基础和能力，把握所提问题由易到难的“度”。在问题由易到难、学生运用课程所学方法解决问题的过程中，让学生体验到克服困难、解决问题的成就感。

3.2 采用对比式教学法

在加强事物认识和理解的过程中，对比是一种非常有效的教学方法。

（1）与“信号与系统”知识进行对比，提高学习效率。课程中时域离散信号与系统的时域与频域分析，与“信号与系统”课程中的时域连续信号与系统的时域与频域分析几乎是一一对应的，因此在讲解这些知识点的时候，可以采用对比教学，帮助学生快速理解掌握。

（2）与课程前后知识进行对比，构建知识体系图。课程中内容多，且有大量容易混淆的相关概念，在授课过程中重视前后知识的比对和归纳总结，根据教学内容和教学进度，逐步建立知识体系图，使学生了解各知识点之间的关联，深挖基本概念、定理和性质的内涵，掌握其分析方法和工程意义。

3.3 采用参与式教学法

本课程内容枯燥，概念抽象，学生难以长时间集中注意力。课程组在设计案例时尽量让学生能够多参与其中，从而提高学生的学习兴趣以及学习效果。例如，在DFT章节设计了一个“语音信号识别”案例，采集学生自己的语音信号进行处理，让学生非常有代入感，学习积极性高，对知识点的理解也更深入。

3.4 采用启发式教学法

教师在课堂上将知识的重点和难点讲清讲透，将一些相对简单的内容留给学生自学，并设置问题供学生思考。学生带着问题进行学习，既能提高自学能力，也能加深对所学知识的理解，从而提高利用DSP的方法分析和解决问题的能力。例如，在所设计的“语音信号处理系统”案例中，设置的问题与对应的知识点如表1所示。

表1：“语音信号处理系统”案例中问题设置

3.5 采用探究式教学法

一方面，教师在授课过程中引入学科前沿知识，以5G技术和无人驾驶为例，引导学生思考新经济、新技术、新产业、新业态和新商业模式的发展过程，启发学生独立提出、思考并试图解决其中面临的问题。另一方面，教师在授课过程中引入自己的科研项目，总结当下研究较多的科研问题并设定对应题目，让学生依据兴趣进行选择，并结合已经学习的知识尝试进行解决，鼓励学生不拘泥于课堂学习的内容，开阔学生解决问题的思路。在这个过程中，学生的自学能力和分析问题解决问题能力得到了很好的锻炼，并激发了他们对于信号处理领域的探索欲和求知欲，同时有助于锻炼学生文献查阅总结等能力，培养学生科学研究能力和创新能力。

4 结束语

数字信号处理课程一直以来因其内容抽象、复杂、枯燥等原因，其教学效果一直不太理想。作者从本校学生的实际情况出发，探索运用案例式、讨论式、引导式、项目驱动式等教学方法，创造有利于师生双向交流，教学相长的教学气氛；合理运用雨课堂、MOOC等现代信息技术等教学手段，将课堂讲解、课堂讨论、网络课堂、师生、生生互评等教学方式协调整合，培养学生学习和研究的习惯，形成新的教学评价方法。同时注意培养学生的良好学习习惯，提升学生学习的参与度和主动性，增加学生学习热情和积极性，培养学生自主学习能力和团结合作精神，激发其潜能和创新精神。实践表明，基于混合式教学方法实践在调动学生的学习积极性、主动性方面发挥了积极的作用，也更有利于培养学生的分析问题、解决问题的能力。