论文部分内容阅读
摘要： 针对一般本科高校数字信号处理课程教学中存在的问题，本文提出了理论教学结合工程应用，并采用知识结构图的方法，实验教学采用任务驱动法等教学方法上的改革，并对考核评价方式进行了改革探索、实践证明，这些教学改革措施能够有效地提高教学效果。
关键词：数字信号处理 教学方法 考核方式 知识结构图
随着数字信号处理技术基本理论和方法的迅猛发展及广泛应用，“数字信号处理”已经成为科学和工程领域最热门的技术之一，数字信号处理课程也成为国内外电子、通信、计算机及自动控制等专业的专业必修课程；笔者根据应用型本科高校学生的特点对“数字信号处理”课程教学方法以及考核评价方式进行改革和实践。
“数字信号处理”课程一方面以高等数学、线性代数及信号与系统等课程为基础，同时又是相关专业后继课程如DSP原理及应用、数字图像处理等专业课程的先修课程，在教学环节中起着承上启下的作用。该课程的特点是理论性强、概念抽象，涉及大量的数学公式的推导，内容比较枯燥，课程长期以来一直处于教师难教、学生更难学的境况。具体体现在学生学习时缺乏整体把握，对各知识点之间的关系模糊，理论与实践相脱节，学生不能深入理解概念及了解在生活中的实际应用，直接导致学生考前突击背公式应付考试，由于没有真正学懂，使得该课程的合格率不高；同时学生的动手能力差，学习兴趣和积极性不高。针对目前一般本科中存在的这些问题，从教学方法和考核方式上进行了改革和实践，取得了一些成效。
1教学方法的改革
1.1注重知识结构图在课堂教学中的应用
知识结构图是指把所学内容进行整理并制成比较系统完整的知识结构图示，它在心理学中被称为知识网络图。每章内容开始前先构造本章内容的知识结构图，采用知识结构图表达知识线索，使得知识线索清晰可见，学生对一章知识点有一个整体的和宏观的感性认识，待一章结束后，将知识点的架构图重新拿出来复习，有助于学生自我检验对知识点的掌握情况，从而提高数字信号处理课程的教学效果。以下是构造的部分章节的知识结构图。
1.1.1离散傅里叶变化和快速傅里叶变换的知识结构图
本章的教学目标是掌握DFT、DFS及其性质，熟悉几种卷积过程以及他们之间的关系，掌握FFT算法的运算量以及常见算法的原理和特点，并掌握FFT算法的应用。
1.1.2 IIR数字滤波器的设计的知识结构图
这一部分内容重点是IIR数字滤波器的基本概念、分类、特点以及IIR数字滤波器的设计思路和方法、设计步骤和原理。
1.1.3 FIR数字滤波器的设计的知识结构图
FIR数字滤波器的设计的特点是因果可实现。其重点知识包括线性相位和具体设计方法及过程。
1.2注重理论教学与工程应用结合
数字信号处理理论性性强且数学公式推导较多，如果教师上课只注重数学分析，忽视其工程实践应用的讲解，很容易变成一门枯燥的课程，难以调动学生的学习热情。因此数字信号处理教学时可以将看似复杂的理论知识与现实生活中的实例结合，对于提高学生学习兴趣、巩固基础知识是最好的方法。
为了说明信号的采样与重建理论，可以以生活中的CD唱片的制作和播放过程为例，声音是模拟信号，在CD唱片制作时首先要将模拟信号转换为数字信号，这就需要采样，而在CD唱片播放时，又是对数字信号的解调。卷积算法是数字信号处理的一个重要知识点，讲解这个知识点首先要让学生知道它在生活中的应用，如移动通话中回声是经常存在的，通常降低或消除回声的办法就是利用回声估计器与接收路径上的话音流进行卷积，得到一个回声的估计值，再利用减法器减掉这个估计值。滤波器的讲解可以以心电图检查消除工频干扰为案例进行教学。此外采用类比方式讲解，也能够很好地帮助学生理解，如数字滤波器可以比作一个筛沙子的筛子，筛沙的过程就是将细沙子选出来，石头和大沙子留在筛子上面，而数字滤波器的处理过程也是提取有用信号，噪音则不能通过，如此类比，既形象又易记忆。
1.3实验教学采用任务驱动法
“任务驱动”教学法，简单地说，就是“力求以任务驱动，以实际任务为核心，提出问题及要求，引导学生思考，它适用于培养学生的创新能力和独立分析问题、解决问题的能力。它强调，学生的学习活动必须与任务或问题相结合，以探索问题来引导和维持学习者的学习兴趣和动机。通俗的说，也就是在教学过程中，以完成一个个具体的任务为线索，把教学内容巧妙地隐含在每个任务之中。每个实验相当于一个总的任务，教师在实验课前将任务要求和思考题下发给学生，学生以组为单位将任务分解成子任务，学生根据各自的任务和要求查阅资料，完成程序代码的编写，要求学生做好实验课前的充分准备，实验课上进行编程和调试以及实验结果的分析，并对思考题进行讨论。
以音频信号处理的实验为例，这是一个综合性的实验，要求学生完成语音的录入与打开，以及语音的回放，全程对信号频谱进行分析，为完成任务学生提前查阅查资料，进入实验室后，学生自由组合，2～3人一组看书讨论，分解任务，一步一步完成，每组做完后派一个代表演示讲解，在这样的刺激下，“驱使”学生认真并迅速地完成任务。通过任务驱动法学生能充分掌握语音录入及回放的MATLAB编程，并能深入理解了采样、滤波器等数字信号处理理论。
实践证明，任务驱动教学法能够很好应用于数字信号处理的实验教学，增强了学生学习的主动性。在很大程度上提高了实验课的教学效果。
2考核评价方式的改革
考试方式改革是课程建设及教学质量评价的重要内容，也是因材施教，提高学生学习积极性和开展创新教育的重要手段。加强课程考核方式的改革，是教学改革的必要体现。数字信号处理课程理论性强，应用型强，抽象难以理解。运用MATLAB软件仿真能够有效帮助理解和运用相关知识点。《数字信号处理》课程的传统考核方式是考试，期末考试成绩（70%）+平时成绩（30%），平时成绩包含考勤、作业、课上表现情况。在传统考核方式下多数学生只注重最后的理论考核成绩，对实验重视不够，无法很好地贯彻以培养应用能力为主的实践教学。且学生平时过程考核不够具体化，学生平时成绩差距不大。 2.1考核方式改革的基本思路
为了使学生注重平时的学习过程，提高学习质量，培养学生的综合运用能力，我们逐步对该课程进行考核方式的改革。（1）平时过程考核具体化，含有随堂测试、考勤、作业、课上回答问题情况等。学生学习该课程，普遍觉得理论难，应用模糊，总评成绩一定程度考虑实验成绩，综合全面。（2）逐步调整理论成绩与平时过程考核及实验考核的比例，强化过程性的考核，淡化期末考试。通过考试制度的改革，调动学生的自主学习的积极性，促进教师深入开展教学活动，有利于提高学生的学习成绩，提高教学效果。注重平时实践教学的考核，提高学生对实践动手能力的提高。
2.2考核方式改革的具体方案
2.2.1对该课程采取平时占20%，期末占50%，实验占30%的核算方法。加大平时成绩和实验成绩比例，拉大差距，利于课程进行平时和实验的严格管理和考核方式多样化。
2.2.2平时成绩由原来的教师自定或忽略不计，转为平时成绩具体化，教师在平时的考核上进行改革和完善，平时分由随堂测试、考勤、作业、课上回答问题情况等构成，提高平时实践性分值，利于引导学生多参加实践活动。
2.2.3增加实验考核环节。选取两个设计性的实验，以组为单位，考察每组学生独立完成实验项目的情况，再根据具体项目的评分标准进行成绩评定。主要考核学生对该软件的掌握与使用情况，以及仿真调试结果，软件仿真主要看学生编写程序的思路；其次学生实验报告的撰写也能从一定程度上反应学生的学习态度。实验成绩以五分制（优、良、中、及格、不及格）计算，并将其30%的比例纳入总评成绩。
2.3考核方式改革的成果及不足
2.3.1 通过初步改革，从总评成绩来看，学生及格率有明显的提升，由原来的80%提高到现在的95%。从课上效果来看，改善了平时不学习、不听课，到期末通过死记硬背达到优良的现象发生，使学生更注重平时的表现，积极参与课堂的讨论，积极回答问题，并认真思考每一个知识点在实际中的应用，一定程度上改变了以前那种靠死记硬背能考好、不需要听课理解就能考好的学习态度，同时使得认真听讲的学生与不认真听讲的学生在分数的分配上更趋于合理，更重要是调动了学生们平时学习的积极性。同时，也引导学生注重实践教学环节，改变学习观念。该课程考核方式的改革，已初见成效。
2.3.2 通过课程考核方式的改革，数字信号处理课程的实验效果有了明显提高，学生对实践教学的态度有了深刻认识，也增强了学生实践参与强化意识，对培养实用型人才起到了保证作用。
2.3.3 在实践过程中，也发现一些不足。考核方式改革的着力点主要是过程和零散点，评价学生的主要标准还是期末成绩，期末成绩占的比例还是偏大，学生对教师的平时分还有不重视倾向，期末猛看笔记，猛学，淘以往试卷等现象严重，说明考核的力度不够大，如果设立平时成绩不及格就不准参加期末考试，也许会纠正这一现象，但也会出现教师平时过于随意，存在考试不公现象。
3结束语
由于“数字信号处理”理论涉及面广，该学科领域的理论与实践研究发展迅速，技术应用范围日益扩展，教学内容更新快。因此，如何在教学中更好地发挥学生的学习主动性，培养学生独立思考及提高学生获取知识的能力和分析能力，增强数字信号处理课程的教学效果，还有待进一步的实践和探索。
参考文献：
[1] 江志红.深入浅出数字信号处理[M].北京航空航天大学出版社，2011.
[2]王续征.信息技术背景下“任务驱动”教学法在生物教学中的运用[J].科技信息，2012，（11）.
基金项目：安徽省教育厅质量工程重点教学研究项目（2013jyxm261）。
关键词：数字信号处理 教学方法 考核方式 知识结构图
随着数字信号处理技术基本理论和方法的迅猛发展及广泛应用，“数字信号处理”已经成为科学和工程领域最热门的技术之一，数字信号处理课程也成为国内外电子、通信、计算机及自动控制等专业的专业必修课程；笔者根据应用型本科高校学生的特点对“数字信号处理”课程教学方法以及考核评价方式进行改革和实践。
“数字信号处理”课程一方面以高等数学、线性代数及信号与系统等课程为基础，同时又是相关专业后继课程如DSP原理及应用、数字图像处理等专业课程的先修课程，在教学环节中起着承上启下的作用。该课程的特点是理论性强、概念抽象，涉及大量的数学公式的推导，内容比较枯燥，课程长期以来一直处于教师难教、学生更难学的境况。具体体现在学生学习时缺乏整体把握，对各知识点之间的关系模糊，理论与实践相脱节，学生不能深入理解概念及了解在生活中的实际应用，直接导致学生考前突击背公式应付考试，由于没有真正学懂，使得该课程的合格率不高；同时学生的动手能力差，学习兴趣和积极性不高。针对目前一般本科中存在的这些问题，从教学方法和考核方式上进行了改革和实践，取得了一些成效。
1教学方法的改革
1.1注重知识结构图在课堂教学中的应用
知识结构图是指把所学内容进行整理并制成比较系统完整的知识结构图示，它在心理学中被称为知识网络图。每章内容开始前先构造本章内容的知识结构图，采用知识结构图表达知识线索，使得知识线索清晰可见，学生对一章知识点有一个整体的和宏观的感性认识，待一章结束后，将知识点的架构图重新拿出来复习，有助于学生自我检验对知识点的掌握情况，从而提高数字信号处理课程的教学效果。以下是构造的部分章节的知识结构图。
1.1.1离散傅里叶变化和快速傅里叶变换的知识结构图
本章的教学目标是掌握DFT、DFS及其性质，熟悉几种卷积过程以及他们之间的关系，掌握FFT算法的运算量以及常见算法的原理和特点，并掌握FFT算法的应用。
1.1.2 IIR数字滤波器的设计的知识结构图
这一部分内容重点是IIR数字滤波器的基本概念、分类、特点以及IIR数字滤波器的设计思路和方法、设计步骤和原理。
1.1.3 FIR数字滤波器的设计的知识结构图
FIR数字滤波器的设计的特点是因果可实现。其重点知识包括线性相位和具体设计方法及过程。
1.2注重理论教学与工程应用结合
数字信号处理理论性性强且数学公式推导较多，如果教师上课只注重数学分析，忽视其工程实践应用的讲解，很容易变成一门枯燥的课程，难以调动学生的学习热情。因此数字信号处理教学时可以将看似复杂的理论知识与现实生活中的实例结合，对于提高学生学习兴趣、巩固基础知识是最好的方法。
为了说明信号的采样与重建理论，可以以生活中的CD唱片的制作和播放过程为例，声音是模拟信号，在CD唱片制作时首先要将模拟信号转换为数字信号，这就需要采样，而在CD唱片播放时，又是对数字信号的解调。卷积算法是数字信号处理的一个重要知识点，讲解这个知识点首先要让学生知道它在生活中的应用，如移动通话中回声是经常存在的，通常降低或消除回声的办法就是利用回声估计器与接收路径上的话音流进行卷积，得到一个回声的估计值，再利用减法器减掉这个估计值。滤波器的讲解可以以心电图检查消除工频干扰为案例进行教学。此外采用类比方式讲解，也能够很好地帮助学生理解，如数字滤波器可以比作一个筛沙子的筛子，筛沙的过程就是将细沙子选出来，石头和大沙子留在筛子上面，而数字滤波器的处理过程也是提取有用信号，噪音则不能通过，如此类比，既形象又易记忆。
1.3实验教学采用任务驱动法
“任务驱动”教学法，简单地说，就是“力求以任务驱动，以实际任务为核心，提出问题及要求，引导学生思考，它适用于培养学生的创新能力和独立分析问题、解决问题的能力。它强调，学生的学习活动必须与任务或问题相结合，以探索问题来引导和维持学习者的学习兴趣和动机。通俗的说，也就是在教学过程中，以完成一个个具体的任务为线索，把教学内容巧妙地隐含在每个任务之中。每个实验相当于一个总的任务，教师在实验课前将任务要求和思考题下发给学生，学生以组为单位将任务分解成子任务，学生根据各自的任务和要求查阅资料，完成程序代码的编写，要求学生做好实验课前的充分准备，实验课上进行编程和调试以及实验结果的分析，并对思考题进行讨论。
以音频信号处理的实验为例，这是一个综合性的实验，要求学生完成语音的录入与打开，以及语音的回放，全程对信号频谱进行分析，为完成任务学生提前查阅查资料，进入实验室后，学生自由组合，2～3人一组看书讨论，分解任务，一步一步完成，每组做完后派一个代表演示讲解，在这样的刺激下，“驱使”学生认真并迅速地完成任务。通过任务驱动法学生能充分掌握语音录入及回放的MATLAB编程，并能深入理解了采样、滤波器等数字信号处理理论。
实践证明，任务驱动教学法能够很好应用于数字信号处理的实验教学，增强了学生学习的主动性。在很大程度上提高了实验课的教学效果。
2考核评价方式的改革
考试方式改革是课程建设及教学质量评价的重要内容，也是因材施教，提高学生学习积极性和开展创新教育的重要手段。加强课程考核方式的改革，是教学改革的必要体现。数字信号处理课程理论性强，应用型强，抽象难以理解。运用MATLAB软件仿真能够有效帮助理解和运用相关知识点。《数字信号处理》课程的传统考核方式是考试，期末考试成绩（70%）+平时成绩（30%），平时成绩包含考勤、作业、课上表现情况。在传统考核方式下多数学生只注重最后的理论考核成绩，对实验重视不够，无法很好地贯彻以培养应用能力为主的实践教学。且学生平时过程考核不够具体化，学生平时成绩差距不大。 2.1考核方式改革的基本思路
为了使学生注重平时的学习过程，提高学习质量，培养学生的综合运用能力，我们逐步对该课程进行考核方式的改革。（1）平时过程考核具体化，含有随堂测试、考勤、作业、课上回答问题情况等。学生学习该课程，普遍觉得理论难，应用模糊，总评成绩一定程度考虑实验成绩，综合全面。（2）逐步调整理论成绩与平时过程考核及实验考核的比例，强化过程性的考核，淡化期末考试。通过考试制度的改革，调动学生的自主学习的积极性，促进教师深入开展教学活动，有利于提高学生的学习成绩，提高教学效果。注重平时实践教学的考核，提高学生对实践动手能力的提高。
2.2考核方式改革的具体方案
2.2.1对该课程采取平时占20%，期末占50%，实验占30%的核算方法。加大平时成绩和实验成绩比例，拉大差距，利于课程进行平时和实验的严格管理和考核方式多样化。
2.2.2平时成绩由原来的教师自定或忽略不计，转为平时成绩具体化，教师在平时的考核上进行改革和完善，平时分由随堂测试、考勤、作业、课上回答问题情况等构成，提高平时实践性分值，利于引导学生多参加实践活动。
2.2.3增加实验考核环节。选取两个设计性的实验，以组为单位，考察每组学生独立完成实验项目的情况，再根据具体项目的评分标准进行成绩评定。主要考核学生对该软件的掌握与使用情况，以及仿真调试结果，软件仿真主要看学生编写程序的思路；其次学生实验报告的撰写也能从一定程度上反应学生的学习态度。实验成绩以五分制（优、良、中、及格、不及格）计算，并将其30%的比例纳入总评成绩。
2.3考核方式改革的成果及不足
2.3.1 通过初步改革，从总评成绩来看，学生及格率有明显的提升，由原来的80%提高到现在的95%。从课上效果来看，改善了平时不学习、不听课，到期末通过死记硬背达到优良的现象发生，使学生更注重平时的表现，积极参与课堂的讨论，积极回答问题，并认真思考每一个知识点在实际中的应用，一定程度上改变了以前那种靠死记硬背能考好、不需要听课理解就能考好的学习态度，同时使得认真听讲的学生与不认真听讲的学生在分数的分配上更趋于合理，更重要是调动了学生们平时学习的积极性。同时，也引导学生注重实践教学环节，改变学习观念。该课程考核方式的改革，已初见成效。
2.3.2 通过课程考核方式的改革，数字信号处理课程的实验效果有了明显提高，学生对实践教学的态度有了深刻认识，也增强了学生实践参与强化意识，对培养实用型人才起到了保证作用。
2.3.3 在实践过程中，也发现一些不足。考核方式改革的着力点主要是过程和零散点，评价学生的主要标准还是期末成绩，期末成绩占的比例还是偏大，学生对教师的平时分还有不重视倾向，期末猛看笔记，猛学，淘以往试卷等现象严重，说明考核的力度不够大，如果设立平时成绩不及格就不准参加期末考试，也许会纠正这一现象，但也会出现教师平时过于随意，存在考试不公现象。
3结束语
由于“数字信号处理”理论涉及面广，该学科领域的理论与实践研究发展迅速，技术应用范围日益扩展，教学内容更新快。因此，如何在教学中更好地发挥学生的学习主动性，培养学生独立思考及提高学生获取知识的能力和分析能力，增强数字信号处理课程的教学效果，还有待进一步的实践和探索。
参考文献：
[1] 江志红.深入浅出数字信号处理[M].北京航空航天大学出版社，2011.
[2]王续征.信息技术背景下“任务驱动”教学法在生物教学中的运用[J].科技信息，2012，（11）.
基金项目：安徽省教育厅质量工程重点教学研究项目（2013jyxm261）。