论文部分内容阅读
[摘要]本文分析了信息与计算科学专业《数字信号处理》实验课程存在的主要问题,结合我校实际，总结了近年来在该课程实验教学内容、教学方法和考核方式等方面进行的初步改革探索。
[关键词]创新 研究性实验 改革
[中图分类号]G642
1965年，Cooley和Tukey提出了快速傅氏变换算法，使数字信号处理成为一门独立学科。1998年我国开设“信息与计算科学”专业，《数字信号处理》被确定为本专业的一门必修课。由于本专业开设时间较短，在专业内涵、专业规范、教学内容和课程体系等方面都未形成固定模式，各个高校都在进行着不同程度的改革探索[1,2]。
在我校，数字信号处理安排54学时，其中实验24学时。本课程含有较多的物理概念，要求学生具有较强的抽象思维能力。授课中学生反映理解困难、学习难度大、较为枯燥，部分学生产生了畏难情绪。实行2+2教学模式后（前两年课程设置与“数学与应用数学“专业完全一致，后两年开设信息与计算科学专业课程），学生在前两年的学习中培养了一定的数学能力，对于课程中的数学原理和算法掌握较好，但是在实验教学中存在很多问题。针对这一情况，我们从教学内容、教学方法和考核方式等方面进行了探索改进。实践证明，很好地调动了学生学习的积极性，达到了较好的教学效果。
一、数字信号处理实验教学中存在的主要问题
目前,数字信号处理实验主要通过计算机编程实现。教学发现学生学习积极性不高,动手能力较差,以应付式的心态来对待实验课程。具体体现在以下几个方面:
（一）实验与考试内容脱节
由于实验课的内容在考试时很难体现或体现很少，因此，学生将大部分精力与时间用于理论课学习。上实验时，只机械地模仿教师的操作过程以完成实验，很少考虑实验中出现的各种问题，不能主动地学习和思考。
（二）实验内容不能很好调动学生的学习积极性
教材中的实验大多具有已知程序，即使教材中没有，学生可以通过网络下载程序，实验时只需查找代码后输入即可，学生懒于思考，对重复性操作感到枯燥，进而失去兴趣。
（三）实验形式单一,结构失衡
实验大纲中验证性实验居多，设计性和综合性实验所占比例很少。
（四）实验教学考核体系不科学
学生的实验课成绩大都根据实验报告的质量来评定，不少学生应付了事，抄袭实验报告的现象时有发生，实验报告无法真实反映学生的动手能力和操作水平。
二、数字信号处理实验教学改革的实践与探索
（一）认识数字信号处理实验教学的重要性
数字信号处理的产生和发展与信号处理的应用是分不开的。实验课是理论知识学以致用的实践性课堂，只有明确实验教学的重要性,才能提高学生应用理论知识去分析解决工程实际问题的能力。
在授课中，部分教师忽视实验理论教学的重要性，总是认为实验内容在课堂上已经讲过，直接开始试验就可以了。实验前简单提及内容，学生若不复习，做实验时很茫然。基于这一现象，笔者认为实验授课中，主要讲授实验目的、实验原理、实验内容、注意事项，精讲实验方法，鼓励学生学习创新实验方法，实现学习方式的多样化，从而促进学生知识与技能、情感、态度与科学思维的整体发展。
（二）改革实验教学内容
（1）强化matlab语言编程技能。数字信号处理是实用性很强的课程，许多内容都需要利用计算机进行仿真，比如连续信号的频谱分析，在计算出大量数值结果后，可以从图像上直观地看到原始信号的许多特征。数字信号处理的实验大多是通过软件编程实现的，许多学生的编程水平不能满足实际需要，所以实验最初安排课时进行matlab编程训练，即学即用。
（2）重新划分实验类型。目前我校数字信号处理实验课安排24学时，较以前而言，时间上更加充裕，根据新的培养计划和教学要求，对于学生掌握基本原理具有深刻意义的验证性实验进行了压缩和整合，增加了大量综合性和设计性实验。如连续和离散信号的滤波过程[3]基本一致，连续信号需要先离散化，之前这一内容由连个验证性试验构成。改革后只处理连续信号的滤波问题。而不同“滤波器的设计”也由以前的验证性改成了设计性实验，学生通过自己查阅文献，独立或多人协作共同设计实验方案并加以实现。改革后，实验内容立足于实验设计方法与过程，具有启发性、综合性和实用性，对培养学生分析和解决问题的能力有极大的促进作用。
（3）将具有可比性的试验安排在相近时段，认识差异，深化理解。例如信号的时域分析和频域分析的原理功能都不尽相同，将这两个综合性实验一前一后进行，收到了很好的教学效果。
（4）区分必做实验和选做实验项目。例如在“滤波器的设计”实验中，低通和带通滤波器的设计是必做的，而高通和带阻滤波器的设计给学有余力的学生提供和发挥创造性和个性特长的机会。
（三）改革教学方法
（1）教学中重视兴趣激发和方法引导。凡是能够由学生自己动脑动手解决的问题，教师尽量让学生独立完成，这不仅培养学生的创新能力，而且提升了学习的自主性。
（2）加强研究性实验教学[4]。研究性教学将科学领域的研究方法引入课堂教学,使学生选择学习内容,将单纯的接收式学习转化为主动的探索式学习,在主动探索、思考和实践的研究过程中,吸收知识、解决问题、获取经验,从而提高学生的综合素质。在数字信号处理试验中应用此教学法，具有非常重要的意义。
研究性实验分为分组选题、搜集资料、设计实验方案、具体实施和总结评价等阶段。在实验教学中，设计了“连续信号的抽样问题”，“离散信号的Z变换”，“利用快速傅里叶变换进行频谱分析”等题目供学生选择，四人一组，安排两周时间搜集资料、设计实验步骤，编写程序。实验完成后，讨论分析过程，并将优秀实验公布张贴于实验室，以示奖励。
同学普遍反映研究性实验方式新颖，消除了实验的枯燥感。这样的教学方式极大地调动了学生学习的积极性，培养了学生的科研意识，增强了部分同学考研深造的决心。
（3）灵活地利用现代化的教学设备。利用flash、matlab等软件制作课件，演示数字信号处理实验的部分结果，配以生动形象的讲解，并适时地将其扩展到工程应用领域。
（4）重视发挥实验课的实践作用[5]。数字信号处理实验课程有助于学生参加数学建模竞赛，同时组织课外参加校外见习，既拓展了学生的创新精神，又为适应未来的工作打下坚实的基础。
（5）扩大交流，加强协作。在现代信息社会里，知识更新快，新成果不断涌现，扩大交流能取长补短，把最新、最好的东西为我所用。为此，每学期都带领学生参观物理与电子工程学院的数字信号处理实验室，了解模拟滤波器等设备的工作过程，加强对数字滤波过程的认识，提升学习兴趣。
（四）改革考核方式
对学生实验成绩考核的目的在于调动学生学习的积极性,在关注学生成绩的同时更要重视发现和发展学生的潜能。基于这一基本思想,我们改变了过去成绩考核方式,针对数字信号处理实验课程的特点,确定了过程与考试并重，重视实验过程,注重实验结果的成绩综合考核方法。
按实验性质、难易程度的不同,将实验分为必作和选作两类，其中必作占80%（含研究性实验20%），选作占20%。必作实验决定基础分值,选作实验作为补充分值。必作实验以基础训练为主要目的,而选作实验以提高能力为目的。同时，每个实验按照实验原理和完成步骤分成不同模块,每个模块都具有一定分值。学生完成实验后,教师根据学生每个模块的完成情况综合考虑给出学生最终实验成绩。
通过形式多样、内容灵活的考核方法,促进学生做好实验,为提高教学质量起到了积极的作用。
三、结束语
总之，在数字信号处理实验教学中，应认真分析、发现实验教学中存在的问题，注意探索实验教学的规律，,激发学生的学习兴趣，营造一种轻松的学习氛围，保证实验课程与时俱进，不断拓宽学生的视野，加强理论与应用的联系，努力培养“具有良好的数学基础和数学思维能力，掌握信息与计算科学基础理论方法与技能，受到科学研究的训练，能解决信息技术和科学与工程计算中的实际问题的高级专门人才”。
基金项目：陕西省咸阳师范学院教学改革研究资助项目(200802021)
[参考文献]
[1]曹军.改革实验教学体系，提高学生实践能力[J].当代教育论坛，2006(6)：56-57
[2]杨晓燕,钱伟兴,陈宁.培养创新性人才的实验教学体系与模式探究[ J].实验室研究与探索,2009(11): 156-158.
[3]程乾生.数字信号处理简明教程[M].北京：:高等教育出版社,2007.
[4]程珏,张兴英,鲁建民.研究性实验教学与培养高素质人才化工高等教育,2006(3 ): 53-55.
[5]白云,柴钰.加强开放式实验教学 提高学生的创新能力[J].实验室研究与探索,2010（29）:109-112
（作者单位：咸阳师范学院数学与信息科学学院）
[关键词]创新 研究性实验 改革
[中图分类号]G642
1965年，Cooley和Tukey提出了快速傅氏变换算法，使数字信号处理成为一门独立学科。1998年我国开设“信息与计算科学”专业，《数字信号处理》被确定为本专业的一门必修课。由于本专业开设时间较短，在专业内涵、专业规范、教学内容和课程体系等方面都未形成固定模式，各个高校都在进行着不同程度的改革探索[1,2]。
在我校，数字信号处理安排54学时，其中实验24学时。本课程含有较多的物理概念，要求学生具有较强的抽象思维能力。授课中学生反映理解困难、学习难度大、较为枯燥，部分学生产生了畏难情绪。实行2+2教学模式后（前两年课程设置与“数学与应用数学“专业完全一致，后两年开设信息与计算科学专业课程），学生在前两年的学习中培养了一定的数学能力，对于课程中的数学原理和算法掌握较好，但是在实验教学中存在很多问题。针对这一情况，我们从教学内容、教学方法和考核方式等方面进行了探索改进。实践证明，很好地调动了学生学习的积极性，达到了较好的教学效果。
一、数字信号处理实验教学中存在的主要问题
目前,数字信号处理实验主要通过计算机编程实现。教学发现学生学习积极性不高,动手能力较差,以应付式的心态来对待实验课程。具体体现在以下几个方面:
（一）实验与考试内容脱节
由于实验课的内容在考试时很难体现或体现很少，因此，学生将大部分精力与时间用于理论课学习。上实验时，只机械地模仿教师的操作过程以完成实验，很少考虑实验中出现的各种问题，不能主动地学习和思考。
（二）实验内容不能很好调动学生的学习积极性
教材中的实验大多具有已知程序，即使教材中没有，学生可以通过网络下载程序，实验时只需查找代码后输入即可，学生懒于思考，对重复性操作感到枯燥，进而失去兴趣。
（三）实验形式单一,结构失衡
实验大纲中验证性实验居多，设计性和综合性实验所占比例很少。
（四）实验教学考核体系不科学
学生的实验课成绩大都根据实验报告的质量来评定，不少学生应付了事，抄袭实验报告的现象时有发生，实验报告无法真实反映学生的动手能力和操作水平。
二、数字信号处理实验教学改革的实践与探索
（一）认识数字信号处理实验教学的重要性
数字信号处理的产生和发展与信号处理的应用是分不开的。实验课是理论知识学以致用的实践性课堂，只有明确实验教学的重要性,才能提高学生应用理论知识去分析解决工程实际问题的能力。
在授课中，部分教师忽视实验理论教学的重要性，总是认为实验内容在课堂上已经讲过，直接开始试验就可以了。实验前简单提及内容，学生若不复习，做实验时很茫然。基于这一现象，笔者认为实验授课中，主要讲授实验目的、实验原理、实验内容、注意事项，精讲实验方法，鼓励学生学习创新实验方法，实现学习方式的多样化，从而促进学生知识与技能、情感、态度与科学思维的整体发展。
（二）改革实验教学内容
（1）强化matlab语言编程技能。数字信号处理是实用性很强的课程，许多内容都需要利用计算机进行仿真，比如连续信号的频谱分析，在计算出大量数值结果后，可以从图像上直观地看到原始信号的许多特征。数字信号处理的实验大多是通过软件编程实现的，许多学生的编程水平不能满足实际需要，所以实验最初安排课时进行matlab编程训练，即学即用。
（2）重新划分实验类型。目前我校数字信号处理实验课安排24学时，较以前而言，时间上更加充裕，根据新的培养计划和教学要求，对于学生掌握基本原理具有深刻意义的验证性实验进行了压缩和整合，增加了大量综合性和设计性实验。如连续和离散信号的滤波过程[3]基本一致，连续信号需要先离散化，之前这一内容由连个验证性试验构成。改革后只处理连续信号的滤波问题。而不同“滤波器的设计”也由以前的验证性改成了设计性实验，学生通过自己查阅文献，独立或多人协作共同设计实验方案并加以实现。改革后，实验内容立足于实验设计方法与过程，具有启发性、综合性和实用性，对培养学生分析和解决问题的能力有极大的促进作用。
（3）将具有可比性的试验安排在相近时段，认识差异，深化理解。例如信号的时域分析和频域分析的原理功能都不尽相同，将这两个综合性实验一前一后进行，收到了很好的教学效果。
（4）区分必做实验和选做实验项目。例如在“滤波器的设计”实验中，低通和带通滤波器的设计是必做的，而高通和带阻滤波器的设计给学有余力的学生提供和发挥创造性和个性特长的机会。
（三）改革教学方法
（1）教学中重视兴趣激发和方法引导。凡是能够由学生自己动脑动手解决的问题，教师尽量让学生独立完成，这不仅培养学生的创新能力，而且提升了学习的自主性。
（2）加强研究性实验教学[4]。研究性教学将科学领域的研究方法引入课堂教学,使学生选择学习内容,将单纯的接收式学习转化为主动的探索式学习,在主动探索、思考和实践的研究过程中,吸收知识、解决问题、获取经验,从而提高学生的综合素质。在数字信号处理试验中应用此教学法，具有非常重要的意义。
研究性实验分为分组选题、搜集资料、设计实验方案、具体实施和总结评价等阶段。在实验教学中，设计了“连续信号的抽样问题”，“离散信号的Z变换”，“利用快速傅里叶变换进行频谱分析”等题目供学生选择，四人一组，安排两周时间搜集资料、设计实验步骤，编写程序。实验完成后，讨论分析过程，并将优秀实验公布张贴于实验室，以示奖励。
同学普遍反映研究性实验方式新颖，消除了实验的枯燥感。这样的教学方式极大地调动了学生学习的积极性，培养了学生的科研意识，增强了部分同学考研深造的决心。
（3）灵活地利用现代化的教学设备。利用flash、matlab等软件制作课件，演示数字信号处理实验的部分结果，配以生动形象的讲解，并适时地将其扩展到工程应用领域。
（4）重视发挥实验课的实践作用[5]。数字信号处理实验课程有助于学生参加数学建模竞赛，同时组织课外参加校外见习，既拓展了学生的创新精神，又为适应未来的工作打下坚实的基础。
（5）扩大交流，加强协作。在现代信息社会里，知识更新快，新成果不断涌现，扩大交流能取长补短，把最新、最好的东西为我所用。为此，每学期都带领学生参观物理与电子工程学院的数字信号处理实验室，了解模拟滤波器等设备的工作过程，加强对数字滤波过程的认识，提升学习兴趣。
（四）改革考核方式
对学生实验成绩考核的目的在于调动学生学习的积极性,在关注学生成绩的同时更要重视发现和发展学生的潜能。基于这一基本思想,我们改变了过去成绩考核方式,针对数字信号处理实验课程的特点,确定了过程与考试并重，重视实验过程,注重实验结果的成绩综合考核方法。
按实验性质、难易程度的不同,将实验分为必作和选作两类，其中必作占80%（含研究性实验20%），选作占20%。必作实验决定基础分值,选作实验作为补充分值。必作实验以基础训练为主要目的,而选作实验以提高能力为目的。同时，每个实验按照实验原理和完成步骤分成不同模块,每个模块都具有一定分值。学生完成实验后,教师根据学生每个模块的完成情况综合考虑给出学生最终实验成绩。
通过形式多样、内容灵活的考核方法,促进学生做好实验,为提高教学质量起到了积极的作用。
三、结束语
总之，在数字信号处理实验教学中，应认真分析、发现实验教学中存在的问题，注意探索实验教学的规律，,激发学生的学习兴趣，营造一种轻松的学习氛围，保证实验课程与时俱进，不断拓宽学生的视野，加强理论与应用的联系，努力培养“具有良好的数学基础和数学思维能力，掌握信息与计算科学基础理论方法与技能，受到科学研究的训练，能解决信息技术和科学与工程计算中的实际问题的高级专门人才”。
基金项目：陕西省咸阳师范学院教学改革研究资助项目(200802021)
[参考文献]
[1]曹军.改革实验教学体系，提高学生实践能力[J].当代教育论坛，2006(6)：56-57
[2]杨晓燕,钱伟兴,陈宁.培养创新性人才的实验教学体系与模式探究[ J].实验室研究与探索,2009(11): 156-158.
[3]程乾生.数字信号处理简明教程[M].北京：:高等教育出版社,2007.
[4]程珏,张兴英,鲁建民.研究性实验教学与培养高素质人才化工高等教育,2006(3 ): 53-55.
[5]白云,柴钰.加强开放式实验教学 提高学生的创新能力[J].实验室研究与探索,2010（29）:109-112
（作者单位：咸阳师范学院数学与信息科学学院）