基于案例的《数字信号处理》实验教学方法

作者: 欧巧凤 熊邦书 马银平

摘要: 本文针对《数字信号处理》实验教学传统方法存在的问题，提出了基于案例的实验教学方法。通过案例设计、案例演示、案例分析和案例模仿创新，提高学生综合应用理论知识解决实际问题的能力。通过在教学实践中具体实施，案例教学方法取得了好的教学效果。关键词: 数字信号处理实验教学方法案例数字信号处理技术在最近几十年得到了飞速发展，并广泛应用于通信、语音、图像、视频、航空航天、遥测遥感、生物医学、自动控制、振动工程、通信雷达、水文科学模式识别、人工智等领域[1-6]。《数字信号处理》课程一方面高度数学抽象，涉及的数学知识多，另一方面实践性强，实际应用中需要掌握一定的编程能力，甚至软硬件设计调试能力，使得理论和实践结合难度大，如何提高学生的知识应用能力和工程实践创新能力，是《数字信号处理》课程教学的难点。目前《数字信号处理》课程的教学研究日益深入，包括学位差异化教学[1]，电子题库的设计[2]，网络课程的建设[3]和工程实例引入[4]等方面。目前《数字信号处理》课程的实验教学存在以下问题:(1)理论教学和实验教学分离。由于学时等因素限制，主讲教师不涉及实验，实验教师不进行理论依据分析。(2)实验和实践分离。实验多使用正弦信号等简单信号，对实际工程信号不能应变。(3)学生软件编程能力和硬件调试经验不足。(4)该课程一般在大三下学期开课，学生面临考研或就业压力，时间精力投入不充分。1.实验教学改革指导思想我通过分析《数字信号处理》实验教学的存在问题及原因，并结合教学大纲要求、实验学时安排和学生知识结构，提出了实验教学改革的指导思想。(1)教学过程体现理论联系实际。教学过程理论联系实际，学生可以更好地学会理论联系实际。通过案例演示、案例分析、案例模仿创新把理论教学、实验教学、工程案例教学结合起来，通过课堂演示实验，可以辅助理论教学，使学生加深理解，直观感受实验效果。(2)以工程案例提炼的实验锻炼未来工程师。工科学生是未来的工程师，实验内容不能局限于教材中用于理论推导的正弦信号、指数信号等，而需以工程案例提炼实验，尽早揭开工程实践的面纱，激发学生的兴趣和创新潜能。由于工程问题考虑的因素较多，综合程度大，适当提炼后可以作为案例让学生分析和模仿，给学生提供有效的学习方法和途径。2.基于案例的实验教学方法基于案例的实验教学方法包含案例设计、案例演示、案例分析和案例模仿创新四个过程。首先根据专业培养目标，在难度适中且符合教学大纲的前提下，提炼重点突出、覆盖面广的案例，案例设计的合理性将决定最终教学效果;其次在理论课上进行同步的实验演示，简单明了地表现理论知识的实际应用方法;再次在实验课上进行详细的案例剖析，在编程方法和解决实际问题方面有完整的借鉴作用;最后由学生分散进行模仿创新，教师给出一个解决方法，学生在模仿中创新性地找到解决方法。为了保证方案的可行性，基于案例的实验教学改革方案在教学内容和形式等方面配合实施，表1给出了基于MATLAB的音频信号处理的案例教学方法。表1音频信号处理的案例教学方法根据上述案例式实验教学方法，设计了5个综合性的实验案例:(1)音频信号:音频信号x(n)的采集、降采样、回声、数字电子琴、频谱分析、声效处理和滤波处理等;扩音器避免产生哨叫声的条件及系统设计方法。(2)医学信号:MIT-BIH ECG数据库心电信号进行频谱分析，工频干扰消除等。(3)通信信号:数字调制信号仿真分析，包括AM，FM，PM调制等。(4)振动信号:凯斯西储大学轴承数据中心滚动轴承振动信号故障特征提取和诊断。(5)图像信号:图像信号的重采样、卷积、高斯低通滤波、梯度和水印处理等。3.改革的具体实施及效果在2011-2012年度的《数字信号处理》教学过程中，面向南昌航空大学通信工程专业和电子信息专业本科三年级学生，进行了改革试验。具体实施情况:我承担2个班理论教学和实验教学，进行案例式实验教学改革试验，同时承担另外2个班的实验教学，采用传统实验教学方法。课程结束后采用实验考核和问卷调查的方式，对教学效果进行对比分析。实验考核题为小型设计题，比如利用MATLAB设计滤波器，对所给信号中的高斯噪声和脉冲噪声进行滤波。问卷调查项包括:是否有助于理论学习、是否容易上手、能否激发兴趣、能否激发独立思考、是否提高了工程实践能力和综合评价能力等多个方面。从考核和调查结果看:从总体上讲，学生克服了不知从何下手的畏难心理，减少了抄袭现象，激发了学生兴趣，扩展了知识面，提高了编程能力，增强了就业自信。这些实验既奠定了基础，又突出了实践，具有很强的可操作性。参考文献:[1]曹清华.《数字信号处理》在不同学位教育中的教学方法[J].考试周刊，2010(47):150-151.[2]李红莲等.《数字信号处理》电子习题库的设计与开发[J].中国科教创新导刊，2007(451):57.[3]马月红，王雷飞，等.数字信号处理网络课程建设探析[J].中国科教创新导刊，2012(2):184.[4]王祖林，郭旭静.数字信号处理中的通信实例教学探索[J].中国教育技术装备，2010(30):28-29.江西省教改课题(JXJG-11-7-6);南昌航空大学教改课题(JY1110)。转载注明来源:

文章来源：《中国科教创新导刊》 网址: http://www.zgkjcxdk.cn/zonghexinwen/2020/0909/346.html