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摘 要:数字信号处理是电子信息类专业非常重要的课程,具有实用性强、理论内容丰富但概念抽象难懂的特点。本文从教学内容、实验教学和数字信号处理的应用等方面进行了探讨和尝试,通过考试和问卷调查深入分析教学实践的效果,不断进行完善和改进。实践表明教学改革对提高课堂教学效果、提升学生综合能力和素质起到良好的促进作用,能满足素质教育对电子信息专业人才培养的要求。
关键词:数字信号处理 教学实践 仿真工具
中图分类号:G712 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(a)-0153-02
数字信号处理技术广泛地应用于通信与电子工程、航空航天、工业现场、生物医学及现代国防等诸多领域,已经成为推动现代社会和科技发展的最重要的应用技术之一。伴随着对DSP工程技术人才大幅增长的需求,国内外各大学的电子信息类学科和专业,纷纷将数字信号处理列为必修课程,并加强了课程的建设与改革。
通过对社会需求的调查和分析,本校在国内外知名院校教学实践的基础上,对数字信号处理课程的改革进行了初步探索,内容包括:自主编写难易程度适中、针对性强的教材;组建高水平的梯队型课程组;全面使用现代化教育手段,包括采用电子教案,网上答疑等;加强实验环节;改革考试和考核方式,促进学生的研究型学习和创新能力的培养等。我们在课程改革方面所做的努力,得到了学校的大力支持和肯定,得到了教师和学生的广泛认同,也在国内的高校同行中产生了一定的影响。2006年,本课程被河北省教育厅评为“省级精品课程”。
1 编写针对性强的教材
课程的创新与改革,很重要的一方面是教材的创新与改革。教材是体现教学内容和教学方法的知识载体,是教师和学生进行教学活动的凭借材料,可以说好教材的重要性不亚于教师的作用。
本科层次的数字信号处理,其基本内容既是比较经典的,也是在不断地发展与前进着的。我们希望通过本课程的学习,使学生既能掌握基本的理论和方法,也能了解技术发展的前沿,还要通过实验初步掌握基本的数字信号处理算法的实现。基于这一出发点,课程组通过认真反复讨论,确定了编写教材的原则:1)内容要新,反映本领域当前的发展;2)在高校及研究院所有较宽的覆盖面;3)内容明晰,重点突出,能为学生所接受。
在教材编写过程中,课程组大量研究了国内外相关课程教材的选用情况,参考了许多数字信号处理领域的经典著作,例如美国Mitra教授的《Digital Signal Processing-A Computer Approach Sec2ond Edition》和英国Emmanuel教授的《Digital Signal Processing A Practical Approach》在认真阅读和研究教材的基础上,讨论教学大纲和教材内容的取舍。通过近一年的认真准备,编写了国家“十一五”规划教材《数字信号处理》,以主要的篇幅讨论了经典内容,介绍了近年来数字信号处理领域较活跃的研究课题,并编写了许多应用实例。教材在我校自动化工程系、电子信息系相关专业大三学期供学生使用(约一千人),目前已经完成了三届(2006级～2008级),由于教材将经典内容和新近发展结合得比较好,受到了学生的普遍认可和好评。
2 建设合理的教师梯队
师资队伍的建设是教学改革的关键,基于该理念,我们组建了由8位老师组成的课程组,主讲教师队伍共有3位副教授、3位讲师,均具有博士或硕士学位,还有1位有经验的实验室管理及实验指导教师,课程组教师的年龄、学历、职称结构合理。
在队伍建设过程中,课程组建立健全了课程体系的研究和讨论机制,做到分工明确,以保证课程教学改革的实施。主讲教师要了解国内外在相关领域的发展趋势,对前修和后续课程都有较深入的了解,同时要善于引导学生进行研究型的学习。实验指导老师能够指导学生完成规定的基本实验、综合实验和带有创新性的实验,应注意引导、启发学生,注重对学生的实际动手能力及独立解决实际问题能力的培养。同时课程组特别注重培养青年教师参与课程建设,鼓励他们在教学的同时,积极从事科研项目的研究和开发,积极参加教学方法研究,以提高学术水平,掌握最新的相关领域的理论和技术,使教改能够持续地进行。
课程组成立后,先后开展了多次教学研究活动,包括组织教学法研究和讨论,互相观摩教学;开展问卷调查及网上意见反馈,了解学生的反映与需求以及他们对教学改革的意见与建议;分析考试的结果和问卷调查的统计结果,并对本轮课程的情况进行总结等。从改革开始以来的三届教学情况来看,组建好一支热爱教育工作、热爱学生、结构合理、数量足够的优秀教师队伍,努力探索好的课程组激励机制和管理方式,积极开展活动,从整体上保证了教学水平和教学质量的提高。
3 多种辅助教学手段并用
在教学中积极采用现代教育手段信息技术的发展和广泛应用,为教学手段的变革、教学资源的共享、以及教学效率的提高,提供了良好的平台和工具。
(1)利用因特网，广泛收集各种教学资源，包括各著名大学开设数字信号处理课程的情况，所使用的教材、教学大纲和要求，各种电子教案和计算机辅助教学课件以及设计的各种实验等。教学资源的共享，使我们的视野大大扩展。
(2)数字信号处理理论抽象、公式多而繁,如果不采用灵活有效的教学方法,很容易使教学过程变成纯数学性教学,从而影响学习兴趣和教学效果。我们在教学过程采用课件、投影等教学手段扩大课堂容量,精选一些跟移动通信等实际应用有关的仿真工具软件以及图片和动画资料[1～2],包括:
①通过演示简短的MATLAB程序激发学生的学习兴趣。
②通过信号处理工具箱操作演示,使学生了解跟该课程相关的工程设计基础。
③探寻该课程与模拟电子技术等先修课程的内在联系,使繁琐的公式推导与具体电路相结合,降低了学习难度,也强化了学生对完整的知识体系的理解。对于数字信号处理器的硬件实现,在教学过程还进一步挖掘数字信号处理与信号与系统、单片机、电子技术基础等相关课程的联系。
④采用PPT等多媒体教学辅助手段。多媒体课件中的图形和图像直观清晰、文字规范、色彩丰富,视觉效果好,活跃了课堂气氛,容易吸引学生的注意力,有利于对知识的理解和记忆,改善了学生的聽课效果[3～4]。但是,使用多媒体教学进行速度较快,学生同时听讲和看幻灯片,会感觉跟不上讲课思路或对于幻灯片内容印象不深。为了解决这个问题,在教学实践过程中,我们重点考虑了板书和多媒体的配合,利用板书补充多媒体的推导细节,利用多媒体动画连续展示讲解内容,实际效果非常显著。
(3)课程组建立了精品课程网站,在网页上发布课程及实验安排、先修和后续课程介绍;提供课程视频、电子教案及电子课件下载;列写参考书目以相关国内外网站;利用论坛进行答疑和讨论并发表教师撰写的教改论文;利用电子邮件递交和批改作业等。
利用这些现代教育手段,有效地共享了教育资源、提高了教学效率,达到了提高教学质量、改善教学效果的目的,促进了教师和学生之间的相互理解和良好的配合。
4 积极开展实验及科技创新活动
数字信号处理一方面表现出重要专业基础课的特质,另一方面也体现出重要技术基础课的特点。将理论教学和实践教学有机结合,是培养学生综合能力、创新能力的重要手段[5～7]。
实验教学具有直观性、实践性、综合性与创新性特点,在教学过程中对培养学生的创新意识、实践能力和创业精神有特别重要的作用。原有实验课大部分都是同学按实验指导书的所给步骤,进行操作和编程,学生们照猫画虎,即使得到满意结果,也并不了解所以然,达不到对理论课内容加深理解的目的,我们采用综合实验办法,让学生自己设计采集实验数据,完成处理方法的设计,并对设计方法进行论证,使其学生们真正了解所学知识的要点,锻炼学生综合科研能力和独立分析解决问题的实际能力,提高学生的科学素质、动手能力和创新能力。
为了进一步培养学生的创新能力,设计了一些综合性实验,主要目的是掌握可编程DSP芯片的硬件结构、软件结构和开发环境,设计并完成一个DSP的基本系统,实现数字信号处理课程所学习的主要算法。基于这一理念,实验室采用了半开放的管理模式,即实验内容开放、实验时间半开放、实验设备开放。实验指导教师轮流值班,学生可以在指定的开放时间内自主安排实验,自己动手完成系统的设计和仿真,拓展了传统意义上的实验的深度和广度,对培养学生的创新能力及设计能力非常有利。实践证明,这种灵活开放的管理模式取得了良好的效果,学生们通过实验锻炼了自己的动手能力,也加深了对《数字信号处理》中的经典理论的理解和领悟。
数字信号处理是电子信息类专业的重要基础课,教学质量的好坏,对后继课程的学习有重要影响。为适应素质教育对电子信息类应用人才培养,获得较好的教学效果,结合实际情况对该课程在教学内容、实践教学和课堂教学等几个方面进行了探讨和尝试:课程组的教师在课程改革之中,付出了艰辛的努力,取得了丰硕的成果;学校提供了良好的外部条件,鼓励改革的进行,教学督导组和质量监督小组全程跟踪课程的建设与改革進程,提供改进意见和建设性的建议;学生对课程改革的理解、宽容、积极配合和奋发努力,更使得改革的进程总体上比较顺利。
教学实践的结果表明,本文探索和实践的课程教学方法,能够在顺利开展“数字信号处理”课程教学的同时,将课堂教学和辅助教学有机的结合,将理论教学和实践教学有机的结合,使得教学质量在探索与实践中得到了稳步提高。
参考文献
[1] 朱幼莲.MATLAB在数字信号处理教学中的应用[J].电气电子教学学报,2001,23(3):30～32.
[2] 陈爱萍.MATLAB在“数字信号处理”课程教学中的应用[J].湖南工程学院学报,2005,15(3):92～94.
[3] 李旭东.多媒体教学和传统教学在高等数学课上的融合[J].高等教育研究,2008,25(2):53～54.
[4] 任治刚.“数字信号处理”多媒体教学方法初探[J].电气电子教学学报,2006,28(6):102～104.
[5] 曹昕燕.基于Matlab的数字信号处理课程改革[J].长春大学学报,2007,17(2):95～97.
[6] 胡学友,王颖,胡云龙.“数字信号处理”教学改革与实践[J].高教论坛,2007(3):67～69.
[7] 郭素敏,郭素芳,吴波.数字信号处理教学改革与实践探索[J].教学研究,2006(5):453～455.
关键词:数字信号处理 教学实践 仿真工具
中图分类号:G712 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(a)-0153-02
数字信号处理技术广泛地应用于通信与电子工程、航空航天、工业现场、生物医学及现代国防等诸多领域,已经成为推动现代社会和科技发展的最重要的应用技术之一。伴随着对DSP工程技术人才大幅增长的需求,国内外各大学的电子信息类学科和专业,纷纷将数字信号处理列为必修课程,并加强了课程的建设与改革。
通过对社会需求的调查和分析,本校在国内外知名院校教学实践的基础上,对数字信号处理课程的改革进行了初步探索,内容包括:自主编写难易程度适中、针对性强的教材;组建高水平的梯队型课程组;全面使用现代化教育手段,包括采用电子教案,网上答疑等;加强实验环节;改革考试和考核方式,促进学生的研究型学习和创新能力的培养等。我们在课程改革方面所做的努力,得到了学校的大力支持和肯定,得到了教师和学生的广泛认同,也在国内的高校同行中产生了一定的影响。2006年,本课程被河北省教育厅评为“省级精品课程”。
1 编写针对性强的教材
课程的创新与改革,很重要的一方面是教材的创新与改革。教材是体现教学内容和教学方法的知识载体,是教师和学生进行教学活动的凭借材料,可以说好教材的重要性不亚于教师的作用。
本科层次的数字信号处理,其基本内容既是比较经典的,也是在不断地发展与前进着的。我们希望通过本课程的学习,使学生既能掌握基本的理论和方法,也能了解技术发展的前沿,还要通过实验初步掌握基本的数字信号处理算法的实现。基于这一出发点,课程组通过认真反复讨论,确定了编写教材的原则:1)内容要新,反映本领域当前的发展;2)在高校及研究院所有较宽的覆盖面;3)内容明晰,重点突出,能为学生所接受。
在教材编写过程中,课程组大量研究了国内外相关课程教材的选用情况,参考了许多数字信号处理领域的经典著作,例如美国Mitra教授的《Digital Signal Processing-A Computer Approach Sec2ond Edition》和英国Emmanuel教授的《Digital Signal Processing A Practical Approach》在认真阅读和研究教材的基础上,讨论教学大纲和教材内容的取舍。通过近一年的认真准备,编写了国家“十一五”规划教材《数字信号处理》,以主要的篇幅讨论了经典内容,介绍了近年来数字信号处理领域较活跃的研究课题,并编写了许多应用实例。教材在我校自动化工程系、电子信息系相关专业大三学期供学生使用(约一千人),目前已经完成了三届(2006级～2008级),由于教材将经典内容和新近发展结合得比较好,受到了学生的普遍认可和好评。
2 建设合理的教师梯队
师资队伍的建设是教学改革的关键,基于该理念,我们组建了由8位老师组成的课程组,主讲教师队伍共有3位副教授、3位讲师,均具有博士或硕士学位,还有1位有经验的实验室管理及实验指导教师,课程组教师的年龄、学历、职称结构合理。
在队伍建设过程中,课程组建立健全了课程体系的研究和讨论机制,做到分工明确,以保证课程教学改革的实施。主讲教师要了解国内外在相关领域的发展趋势,对前修和后续课程都有较深入的了解,同时要善于引导学生进行研究型的学习。实验指导老师能够指导学生完成规定的基本实验、综合实验和带有创新性的实验,应注意引导、启发学生,注重对学生的实际动手能力及独立解决实际问题能力的培养。同时课程组特别注重培养青年教师参与课程建设,鼓励他们在教学的同时,积极从事科研项目的研究和开发,积极参加教学方法研究,以提高学术水平,掌握最新的相关领域的理论和技术,使教改能够持续地进行。
课程组成立后,先后开展了多次教学研究活动,包括组织教学法研究和讨论,互相观摩教学;开展问卷调查及网上意见反馈,了解学生的反映与需求以及他们对教学改革的意见与建议;分析考试的结果和问卷调查的统计结果,并对本轮课程的情况进行总结等。从改革开始以来的三届教学情况来看,组建好一支热爱教育工作、热爱学生、结构合理、数量足够的优秀教师队伍,努力探索好的课程组激励机制和管理方式,积极开展活动,从整体上保证了教学水平和教学质量的提高。
3 多种辅助教学手段并用
在教学中积极采用现代教育手段信息技术的发展和广泛应用,为教学手段的变革、教学资源的共享、以及教学效率的提高,提供了良好的平台和工具。
(1)利用因特网，广泛收集各种教学资源，包括各著名大学开设数字信号处理课程的情况，所使用的教材、教学大纲和要求，各种电子教案和计算机辅助教学课件以及设计的各种实验等。教学资源的共享，使我们的视野大大扩展。
(2)数字信号处理理论抽象、公式多而繁,如果不采用灵活有效的教学方法,很容易使教学过程变成纯数学性教学,从而影响学习兴趣和教学效果。我们在教学过程采用课件、投影等教学手段扩大课堂容量,精选一些跟移动通信等实际应用有关的仿真工具软件以及图片和动画资料[1～2],包括:
①通过演示简短的MATLAB程序激发学生的学习兴趣。
②通过信号处理工具箱操作演示,使学生了解跟该课程相关的工程设计基础。
③探寻该课程与模拟电子技术等先修课程的内在联系,使繁琐的公式推导与具体电路相结合,降低了学习难度,也强化了学生对完整的知识体系的理解。对于数字信号处理器的硬件实现,在教学过程还进一步挖掘数字信号处理与信号与系统、单片机、电子技术基础等相关课程的联系。
④采用PPT等多媒体教学辅助手段。多媒体课件中的图形和图像直观清晰、文字规范、色彩丰富,视觉效果好,活跃了课堂气氛,容易吸引学生的注意力,有利于对知识的理解和记忆,改善了学生的聽课效果[3～4]。但是,使用多媒体教学进行速度较快,学生同时听讲和看幻灯片,会感觉跟不上讲课思路或对于幻灯片内容印象不深。为了解决这个问题,在教学实践过程中,我们重点考虑了板书和多媒体的配合,利用板书补充多媒体的推导细节,利用多媒体动画连续展示讲解内容,实际效果非常显著。
(3)课程组建立了精品课程网站,在网页上发布课程及实验安排、先修和后续课程介绍;提供课程视频、电子教案及电子课件下载;列写参考书目以相关国内外网站;利用论坛进行答疑和讨论并发表教师撰写的教改论文;利用电子邮件递交和批改作业等。
利用这些现代教育手段,有效地共享了教育资源、提高了教学效率,达到了提高教学质量、改善教学效果的目的,促进了教师和学生之间的相互理解和良好的配合。
4 积极开展实验及科技创新活动
数字信号处理一方面表现出重要专业基础课的特质,另一方面也体现出重要技术基础课的特点。将理论教学和实践教学有机结合,是培养学生综合能力、创新能力的重要手段[5～7]。
实验教学具有直观性、实践性、综合性与创新性特点,在教学过程中对培养学生的创新意识、实践能力和创业精神有特别重要的作用。原有实验课大部分都是同学按实验指导书的所给步骤,进行操作和编程,学生们照猫画虎,即使得到满意结果,也并不了解所以然,达不到对理论课内容加深理解的目的,我们采用综合实验办法,让学生自己设计采集实验数据,完成处理方法的设计,并对设计方法进行论证,使其学生们真正了解所学知识的要点,锻炼学生综合科研能力和独立分析解决问题的实际能力,提高学生的科学素质、动手能力和创新能力。
为了进一步培养学生的创新能力,设计了一些综合性实验,主要目的是掌握可编程DSP芯片的硬件结构、软件结构和开发环境,设计并完成一个DSP的基本系统,实现数字信号处理课程所学习的主要算法。基于这一理念,实验室采用了半开放的管理模式,即实验内容开放、实验时间半开放、实验设备开放。实验指导教师轮流值班,学生可以在指定的开放时间内自主安排实验,自己动手完成系统的设计和仿真,拓展了传统意义上的实验的深度和广度,对培养学生的创新能力及设计能力非常有利。实践证明,这种灵活开放的管理模式取得了良好的效果,学生们通过实验锻炼了自己的动手能力,也加深了对《数字信号处理》中的经典理论的理解和领悟。
数字信号处理是电子信息类专业的重要基础课,教学质量的好坏,对后继课程的学习有重要影响。为适应素质教育对电子信息类应用人才培养,获得较好的教学效果,结合实际情况对该课程在教学内容、实践教学和课堂教学等几个方面进行了探讨和尝试:课程组的教师在课程改革之中,付出了艰辛的努力,取得了丰硕的成果;学校提供了良好的外部条件,鼓励改革的进行,教学督导组和质量监督小组全程跟踪课程的建设与改革進程,提供改进意见和建设性的建议;学生对课程改革的理解、宽容、积极配合和奋发努力,更使得改革的进程总体上比较顺利。
教学实践的结果表明,本文探索和实践的课程教学方法,能够在顺利开展“数字信号处理”课程教学的同时,将课堂教学和辅助教学有机的结合,将理论教学和实践教学有机的结合,使得教学质量在探索与实践中得到了稳步提高。
参考文献
[1] 朱幼莲.MATLAB在数字信号处理教学中的应用[J].电气电子教学学报,2001,23(3):30～32.
[2] 陈爱萍.MATLAB在“数字信号处理”课程教学中的应用[J].湖南工程学院学报,2005,15(3):92～94.
[3] 李旭东.多媒体教学和传统教学在高等数学课上的融合[J].高等教育研究,2008,25(2):53～54.
[4] 任治刚.“数字信号处理”多媒体教学方法初探[J].电气电子教学学报,2006,28(6):102～104.
[5] 曹昕燕.基于Matlab的数字信号处理课程改革[J].长春大学学报,2007,17(2):95～97.
[6] 胡学友,王颖,胡云龙.“数字信号处理”教学改革与实践[J].高教论坛,2007(3):67～69.
[7] 郭素敏,郭素芳,吴波.数字信号处理教学改革与实践探索[J].教学研究,2006(5):453～455.