課設(shè)任務(wù)驅(qū)動下數(shù)字信號處理課程教學(xué)方法研究

鄭雁翎

摘? 要 數(shù)字信號處理課程的特點是理論性強、概念抽象，工科學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中很難把課程內(nèi)容與工程實踐問題相聯(lián)系，課程對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，前驅(qū)課程理論知識要求扎實。因此，學(xué)生普遍對該課程的學(xué)習(xí)積極性、主動性不夠高。為了既能讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)、自主探究，又能夠滿足新工科背景下人才培養(yǎng)的要求，提出課設(shè)任務(wù)驅(qū)動下的課程教學(xué)方法設(shè)計，將課設(shè)任務(wù)引入整個教學(xué)過程中，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識點的時候，如同在研究一個個小的課題。從近兩年教學(xué)實踐來看，課設(shè)任務(wù)驅(qū)動教學(xué)能夠有效提高教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。該方法同樣適用于工科其他專業(yè)課的教學(xué)。

關(guān)鍵詞 數(shù)字信號處理；課程設(shè)計；教學(xué)方法；任務(wù)驅(qū)動；IIR數(shù)字濾波器

中圖分類號：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）14-0089-03

Abstract The course of Digital Signal Processing is characterized by?strong theory and abstract concept. It is difficult for engineering stu-dents to connect the course content with engineering practice pro-blems in the learning process. The course has high requirements for?students mathematical foundation and solid theoretical knowledge for the precursor course. Students are neither active nor active in lear-ning. In this paper， it is proposed that a curriculum teaching method driven by the curriculum design task in order to enable students to study actively and explore independently， and meet the requirements?of talent training under the background of new engineering. The curri-culum design task is introduced into the whole teaching process， so that students learn knowledge points as if they are studying a small topic. From the teaching practice in the past two years， the teaching method by curriculum design task driven can effectively improve teaching efficiency and stimulate students interest in learning. This method is also suitable for teaching other engineering courses.

Key words digital signal processing; curriculum design; teaching method; task driven; IIR digital filter

0? 引言

課設(shè)任務(wù)驅(qū)動下的教學(xué)方法，即根據(jù)教學(xué)內(nèi)容將課程設(shè)計任務(wù)分解成子課題，進(jìn)行理論與實踐緊密結(jié)合的教學(xué)：理論課上引入課題任務(wù)，進(jìn)行引導(dǎo)式和講授式教學(xué)；實驗課上進(jìn)行課題的設(shè)計與實施，采用啟發(fā)研討式教學(xué)方式；課外組織創(chuàng)新拓展實踐，積極采用“互聯(lián)網(wǎng)+”的自主式和協(xié)作式學(xué)習(xí)模式。針對數(shù)字信號處理課程，在教學(xué)過程中引入課設(shè)題目，理論課中，提出與課程內(nèi)容相關(guān)的課程設(shè)計題目，圍繞設(shè)計題目所用知識點展開講解，激發(fā)學(xué)生興趣，使學(xué)生愿意主動探究；實驗課中，針對課設(shè)任務(wù)中的某個指標(biāo)要求進(jìn)行實驗設(shè)計、仿真并得出結(jié)論；課后，學(xué)生根據(jù)課設(shè)內(nèi)容進(jìn)行拓展，分小組進(jìn)行實踐內(nèi)容設(shè)計與實踐。復(fù)雜的理論教學(xué)過程變成一個個小的設(shè)計課題，有助于學(xué)生從理論到實踐再到應(yīng)用創(chuàng)新的完美結(jié)合。

1? 數(shù)字信號處理課程分析

數(shù)字信號處理課程的特點是理論性強，概念抽象，工科學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中很難把課程內(nèi)容與工程實踐問題相聯(lián)系。數(shù)字信號處理課程的前驅(qū)課程包括高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、積分變換等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程，數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)、MATLAB語言等專業(yè)基礎(chǔ)課程。目前，寶雞文理學(xué)院的數(shù)字信號處理課程開設(shè)在電子信息及自動化專業(yè)大三第二學(xué)期，對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、專業(yè)課基礎(chǔ)要求高，加之內(nèi)容復(fù)雜抽象，在近年教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性不夠。針對這些問題，對電子信息及自動化專業(yè)的數(shù)字信號處理課程建設(shè)進(jìn)行深入探索，提出課設(shè)任務(wù)驅(qū)動下的教學(xué)方法研究和設(shè)計。通過不斷探索并改革教學(xué)方法，不但要消除學(xué)生對課程的畏懼心理，而且要讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)、自主探究，把所學(xué)知識應(yīng)用于工程實際問題的解決中[1]。

2? 課設(shè)任務(wù)驅(qū)動下的數(shù)字信號處理課程教學(xué)方法設(shè)計與實施

2.1? 課設(shè)任務(wù)驅(qū)動下的教學(xué)方法設(shè)計

2.1.1? 理論教學(xué)方法設(shè)計? 傳統(tǒng)的理論課教學(xué)是從知識點出發(fā)開始講授，結(jié)合大量運算和推導(dǎo)等。學(xué)生把更多的精力集中在理論知識的推導(dǎo)和運算上，而忽視工程實際應(yīng)用，這不符合新工科背景下培養(yǎng)應(yīng)用型人才的要求[2-3]。基于課設(shè)任務(wù)驅(qū)動的理論課開展，注重工程實踐，每個新的知識點都結(jié)合一個課程設(shè)計題目，從工程實踐項目的實例出發(fā)，引出知識點，課堂從實際工程實例導(dǎo)入。

2.1.2? 實驗教學(xué)方法設(shè)計? 數(shù)字信號處理課程具有很強的工程性和實踐性，因此，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)是該課程必不可少的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的教學(xué)方法多以驗證性實驗為主體，學(xué)生通過虛擬仿真軟件對教師課堂講授的知識進(jìn)行驗證性仿真，加強理解理論知識。然而，這樣的驗證性實驗不能直觀地讓學(xué)生理解課程的工程應(yīng)用價值。因此，在教學(xué)過程中減少驗證性實驗，增加基于課設(shè)項目的設(shè)計性實驗。選擇的課設(shè)題目必須與工程實踐緊密結(jié)合，設(shè)計指標(biāo)應(yīng)該接近或者完全按照實際應(yīng)用指標(biāo)要求，以此提高學(xué)生所學(xué)知識的綜合應(yīng)用能力，幫助其樹立正確的工程價值觀[4]。

2.2? 教學(xué)方法的實施過程：以IIR數(shù)字濾波器設(shè)計及實現(xiàn)為例

2.2.1? IIR數(shù)字濾波器理論課程設(shè)計? 理論教學(xué)過程中，通過多媒體演示工程實踐的聲音、圖像信號的處理過程，學(xué)生能夠非常直接地看到整個數(shù)字信號的處理過程，從而產(chǎn)生理論學(xué)習(xí)的興趣，明確理論學(xué)習(xí)的目的和要求。理論知識點主要講授IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法：脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法。以應(yīng)用最廣泛的雙線性變換法為例，其基本設(shè)計過程是：將給定的數(shù)字濾波器的指標(biāo)轉(zhuǎn)換成過渡模擬濾波器的指標(biāo)；設(shè)計過渡模擬濾波器；將過渡模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)。

2.2.2? IIR數(shù)字濾波器實踐教學(xué)過程設(shè)計

1）提出設(shè)計目標(biāo)任務(wù)。在設(shè)計任務(wù)驅(qū)動下，在實驗教學(xué)中首先提出設(shè)計目標(biāo)，讓學(xué)生進(jìn)行設(shè)計、仿真，再根據(jù)仿真結(jié)果得出結(jié)論。如在設(shè)計IIR數(shù)字濾波器時，圖1所示為復(fù)合信號s（t）的時域波形和幅頻特性曲線，由三路調(diào)幅信號疊加構(gòu)成。由圖1可見，三路信號時域混疊無法在時域分離，但頻域是分離的，那么如何通過濾波的方法在頻域分離呢？帶著這樣的任務(wù)目標(biāo)，啟發(fā)學(xué)生思考，使其主動進(jìn)行分析設(shè)計。

2）聯(lián)系理論知識分析思考。由復(fù)合信號s（t）的幅頻特性圖可知：頻譜圖中有三個濾波器，分別為低通濾波器、帶通濾波器和高通濾波器。進(jìn)而確定濾波器的通帶和阻帶截止頻率，并要求其阻帶的最小衰減通常為60 dB，通帶的最大衰減可以為0.1 dB。抑制載波單頻調(diào)幅信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式所示：

其中，cos（2πfct）為被調(diào)制波（即載波），fc為載頻（即載波頻率）；cos（2πf0t）為單頻調(diào)制信號，f0是其調(diào)制頻率，且fc＞f0。由公式（1）積化和差后可知：信號s（t）是由關(guān)于載頻fc對稱的2個頻率成分的正弦波信號疊加而成，其對稱的2根譜線頻率分別為和頻fc+f0及差頻fc-f0。從圖1可以得到250 Hz、500 Hz、1 000 Hz分別為復(fù)合信號的三路載頻[5]。

假設(shè)g（t）是無直流成分的連續(xù)帶限調(diào)制信號，那么s（t）=g（t）cos（2πfct）通常表示為一般的抑制載波調(diào)幅信號。其頻譜圖有2個邊帶（上、下邊帶），且關(guān)于載頻fc對稱。若g（t）是具有直流成分的調(diào)制信號，則s（t）=g（t）cos（2πfct）是包含載頻成分的一般的雙邊帶調(diào)幅信號，其頻譜圖也是有關(guān)于載頻fc對稱2個邊帶（上、下邊帶）的頻譜。

3）動手設(shè)計，得出結(jié)論。用MATLAB編寫程序，完成濾波器的軟件設(shè)計。

首先，調(diào)用函數(shù)buttord和butter完成設(shè)計三個巴特沃斯濾波器，同時繪制幅頻響應(yīng)特性的曲線圖并顯示。

其次，調(diào)用函數(shù)filter實現(xiàn)s（t）信號的濾波，并從調(diào)幅信號s（t）中分離出y1（n）、y2（n）和y3（n）不同載頻的三路信號，與此同時，繪圖并顯示三路信號的時域波形圖，分離效果圖如圖2所示。

2.3? 課后拓展

課后拓展部分主要是把工程實踐問題帶入設(shè)計。數(shù)字信號處理在聲音、圖像等信號的去噪中廣泛應(yīng)用，這些信號和學(xué)生的生活實際息息相關(guān)，容易被學(xué)生接受和理解。因此，針對IIR數(shù)字濾波器，不同的小組分別設(shè)計聲音信號的去噪、圖像信號的去噪。學(xué)生可以選擇錄取組員男、女同學(xué)聲音信號進(jìn)行處理，也可以選擇自己喜歡的組員照片進(jìn)行處理，將處理結(jié)果與理論分析結(jié)果對比，理解濾波算法并掌握其應(yīng)用。課后拓展為學(xué)生走上工作崗位奠定堅實的基礎(chǔ)。

3? 教學(xué)效果評價

基于課設(shè)項目驅(qū)動的數(shù)字信號處理課程教學(xué)方法，在寶雞文理學(xué)院2016級、2017級電子信息及自動化專業(yè)應(yīng)用實施，從課堂到課率、課堂討論參與率、實驗課程動手情況來看，該教學(xué)方法得到良好效果，學(xué)生普遍反映良好，學(xué)習(xí)熱情、積極性普遍很高。一些喜歡研究、動手能力強的學(xué)生還會應(yīng)用所學(xué)知識主動參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，近兩年獲批多項省級、校級大創(chuàng)項目。

4? 結(jié)束語

數(shù)字信號處理已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信、控制、電子技術(shù)所涉及的各個行業(yè)，需要大量高素質(zhì)應(yīng)用型人才。為了適應(yīng)人才培養(yǎng)的要求，需要不斷改革探索更加適合的教學(xué)方法。基于課設(shè)任務(wù)驅(qū)動的數(shù)字信號處理課程教學(xué)方法設(shè)計，讓學(xué)生從學(xué)習(xí)理論知識開始就有明確工程設(shè)計目標(biāo)，了解工程應(yīng)用領(lǐng)域，在實驗環(huán)節(jié)和課后實踐環(huán)節(jié)完成一個完整的課設(shè)項目。整個知識點的學(xué)習(xí)就是在一個個小的項目驅(qū)動下完成，讓學(xué)生把抽象的信號函數(shù)與實際工程量相聯(lián)系，讓人才的培養(yǎng)服務(wù)于社會。該教學(xué)方法也適用于其他工科專業(yè)課，讓學(xué)生在學(xué)校的學(xué)習(xí)生活中打下良好的工程基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[3]韓建，牟海維，姜曉嵐，等.新工科背景下數(shù)字信號處理課程教學(xué)方法探討[J].教育教學(xué)論壇，2019（11）：185-186.

[4]劉文斐.基于虛擬仿真的“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)改革探索與實踐[J].齊魯師范學(xué)院學(xué)報，2019（1）：34-41.

[5]高西全，丁美玉.數(shù)字信號處理[M].陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2016.