数字信号处理类课程分析与教学改革

摘要：就数字信号处理类课程的教学大纲、实验教学等方面的问题展开讨论。结合广东药学院生物医学工程与电子信息工程本科专业特点，以学生系统掌握数字信号处理类课程及培养其解决该类工程问题的能力为目的，给出了相应的教学改革建议和措施。

关键词：数字信号处理；生物医学工程；课程大纲

作者简介：李宇（1977-)，男，广东梅州人，广东药学院医药信息工程学院，讲师；周怡（1954-)，女，江苏人，广东药学院医药信息工程学院，教授。（广东 广州 510006）

基金项目：本文系广东药学院教改课题（课题编号：52159405）的研究成果。

中图分类号：G642.3     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2011）17-0091-02

数字信号处理类课程主要适用于通信工程、电子信息工程、生物医学工程、自动化和计算机等工科本科专业。该类课程主要包括“信号与系统”、“数字信号处理”、“DSP硬件与应用”等。目前各大计算机信息、通信系统、视听设备和生物医学仪器等领域的高科技公司的研发部门都有从事信号处理算法研究及其硬件研发的职位。相比于计算机专业的其他职位，此类职位的人才缺口大。

对于该类课程各高等院校都从自身条件与角度给出了该类课程的教学改革或教学方法。南方医科大学提出该校生物医学工程专业的“信号与系统”与“数字信号处理”整合为“信号处理原理”课程，[1]由于两门课程有重叠的教学内容，这样做可以缩短教学学时，增强教学的连贯性。文献[2]针对天津工业大学其生物工程专业，从实验设计、专业文献阅读与课程设计三方面来确立“数字信号处理”课程的研究型教学建议。文献[3]对大连理工大学的“医学信号分析与处理”课程进行了教材建设、教学体会等方面的分析与讨论，该文提出统计信号处理内容于临床医学信号的实践应用相结合的教学指导思想。

广东药学院（以下简称“我校”）于2007 年建立生物医学工程专业，隶属于医药信息工程学院，其专业方向主要为医学信号处理与医疗仪器设备技术、医学影像技术。从2010年起，我校又建立电子信息工程专业。每届共招收180人。近年来，医药信息类人才这种有医药专业背景和计算机信息技术结合的人才旺盛需求在现阶段显得格外突出。[4]为了更好地配合新国家十二五规划关于构建创新型国家方针，培养医药创新型应用本科人才，特对我校生物医学工程等相关专业数字信号处理类课程进行梳理，以便进一步改善教学工作，形成独具特色的生医、电子信息专业，提高学生解决该类工程问题的能力与就业资本。

一、数字信号处理类课程的特点

生医、电子信息专业的数字信号处理类课程（图1）主要包括“信号与系统”、“数字信号处理”、“DSP器件与应用”、“Matlab程序设计”、“数字图像处理”、“生物信号处理”等。该类课程覆盖了数字信号处理的理论、算法、仿真与硬件应用实现。总结起来有如下五个特点。

1.理论性

该类课程是以数学这么基础学科作为工具的一门应用学科。课程中出现了大量的数学公式、方程等，用来描述系统、信号、变换和定理等内容。该类课程需要用到高等数学、线性代数、概率论、积分变换、复变函数和数值计算等知识。

2.继承性

该类课程之间的联系非常紧密，链条性、继承性非常强。该类课程的前面是高等数学、工程数学等内容。后面是数字信号处理理论课程、DSP器件应用、数字图像处理或生物信号处理等课程，是一条从理论到应用实现的方向。后部分课程对前部分的数学、信号处理理论有很强的依赖。直接开后面几门课程的教学效果难以想象。

3.操作性

“数字信号处理”课程中的各种变换的编程实现，滤波器的设计、功率谱、周期图等的计算都需要编写相应的程序。“数字图像处理”的各种增强、检测、分割、去噪和恢复以及“生医信号处理”等的心电信号分析、脑电信号分析都离不开计算机的编程操作。而“DSP器件应用”把以上这些课程的各种算法实现在硬件层面，使开发的程序更具实时性。

4.实用性

数字信号处理在社会的各行各业和生活中有着广泛的应用，如日常生活中的计算机语音识别系统、手提电话、各种高清音视频播放机、视频监控系统、自动化生产线上的产品缺陷视频检测，医院使用的心电监护仪器、核磁共振成像等。学好该类课程将使学生更好地适应社会对创新型应用人才的需求。

5.前沿性

数字信号处理、图像处理、生物医学信号处理及DSP硬件器件一直是国际上非常主流的研究领域。每年都有上千篇一流的研究成果，以论文的形式发表在IEEE相关的各个期刊杂志。

二、存在的问题

目前我校的该类课程没有形成一个有机的教学模式，更多地停留在各门课程本身的教学内容与基本理论讲解上，缺少项目类的实践教学，这样直接导致生物医学工程专业的毕业生在信号处理技术及其硬件开发等相关就业岗位的人数不多，没有形成良性循环。

1.多门课程的教学内容存在重叠

“信号与系统”、“数字信号处理”、“DSP硬件与应用”、“数字图像处理”、“生物信号处理”是属于同一方向的前后继课程。但存在着部分重复的内容，如信号处理中的各种变换，在“信号与系统”课程中都有详细的介绍，而“DSP硬件与应用”中的前部分有会出“数字现信号处理”中滤波器设计等内容。这三门课程的内容重叠比较严重。

2.理论教学为主，实践教学为辅

“数字信号处理”与“数字图像处理”课程是一门理论讲授与实践相结合的课程。目前该门课程的实验环节主要是调用MATLAB里面的数字信号处理工具箱，并没有涉及相关的编程实现相关函数。不利于掌握所讲授的知识点与培养学生的创新能力。

3.确定信号为主，不涉及随机信号

目前以上的“数字信号处理”类课程教学内容讲授不涉及随机信号内容，而往往工程上出现的信号都是随机信号，包括语音信号、图像信号以及心电信号等。学生需要在今后的工作岗位上补充该方面的知识才能处理好实际碰到的信号问题。

三、建议与措施

针对上述问题，本着培养创新型应用本科人才为目的，使得学生系统地掌握该类课程的理论，提高学生解决该类工程问题的能力，本文提出以下五点建议措施，以改善我校生物医学工程相关专业的教学工作。

1.采用国外著名英文教材

以往国内重点大学采用国外著名英文教材较为普遍，但一般本科院校由于生源构成的原因，采用国外著名教材时较为谨慎。英文教材的全英文写作形式要求读者有较大的词汇量与较强英文阅读能力。这里推荐使用国外著名教材的原因有以下几点。

（1）国外著名英文教材都是由该领域公认的国际一流专家学者编写。在内容组织上非常严谨，在文字描述上力求通俗易懂，用尽可能通俗的文字描述复杂的理论内容，举例非常透彻。采用该类教材可有效避免各种理解表述上的误导，同时可为进一步跟踪数字信号处理领域的最新研究进展铺路。

（2）最新在数字信号处理软件、处理芯片、硬件开发平台来看，国外产品占了主导地位。尽早涉及该类课程的英文表述可以加速以后学习的进度和有助日后阅读相关专业文献。

（3）有利于利用国外著名大学的教学资源和互联网资源。MIT、斯坦福大学都把相关的课程做成公开课程。采用英文教材可以提高学生借助该类公开课程的资源进一步深入了解“数字信号处理”类课程的相关知识。

（4）近年来，一般本科院校生源的英语水平也在不断提高，这与我国从小学普及英语课程有相当大的关系。因此数字信号处理类课程采用英文教材的难度降低了。教师做好讲授的方式方法，如以英文教材为主线，教师在课堂可以采用英文教案，用中文讲解，对一些常用专业词语亦可在课堂提及，或插入到中文表述中等。

2.明确各门课程的目的与教学手段

数字信号处理方向的各类课程应该删除重复的内容，明确各门课程的教学目的和手段。“信号与系统”是该类课程的入门课程，侧重理论教学，其教学内容应该以模拟信号为背景，讲授各种变换，系统函数及其相关定理等。“数字信号处理”主要涉及离散化、数字化的信号，对信号的采样，数字化等理论应该重点讲解，讲授时注意与“信号与系统”的相关内容的对比。另一个重点内容就是滤波器的设计与信号结构，应该让学生了解这些内容的本质，及其应用情况。“DSP硬件与应用”课程主要讲授主流DSP开发的硬件平台与开发平台以及相关应用系统的举例讲解，它是前面课程所学理论与算法的具体应用。“数字图像处理”和“生物信号处理”以讲授该类信号的信号特性为主以及针对这些信号特性的处理方法，如图像的空域特性、时频特性，信号的稀疏性等，并适当加入科研文献的阅读讲解，跟踪该领域的前沿动态。

3.做题与实验项目结合，注重实践训练

课程的课后习题有助于学生对相关理论的熟悉与记忆，但对于工科课程来讲，只有通过实践才能掌握课程中的理论的本质和工程理念。应该加大该类课程的实践环节的比重与改变实践方式。传统的课程实验（上机）是按照规定的课时时间统一到机房上机，按照老师布置的实验任务完成相应的实验。这种实践模式由于规定的课时有限，一般很难进行系统性、连贯性强的项目实践，而且缺少对实验内容的思考和解决方案的准备。

新的实验项目实践教学模式由授课教师在系统学完一阶段内容后，布置一个实验项目，在规定的时间内完成、上交。学生利用非上课时间独立或以小组的形式进行讨论，分工，并合作完成。老师再利用实验课时对学生存在的问题进行讲解。由于有时间上的保证，学生可以对项目问题进行独立思考，到图书馆或上互联网查找资料，与老师同学讨论问题。学生在这样一种实践模式中可以培养对工程问题的独立思考和积累团队协作的工作经验，工作起来比较弹性，更适合于创新性思维的培养。做完一个实验项目后学生对有所学内容之间的联系将更加清晰，且慢慢积累所学内容在工程上的应用经验。

实验除了涉及课程外的内容可以调用已有函数实现外，本课程的实验内容任务的实现要求学生自己编程实现，这样做更有利于学生从本质上理解相关理论的应用形式。

4.适当的应用举例讲解

除了实验项目外，课堂上教师应增加具体的应用讲解。主要讲授在语音信号、图像、心电信号、脑电信号等具体工程处理中使用到本课程的相关内容。超出本课内容的由相关后续课程讲授。

由于学生已经学习过概率论与数理统计，适当地讲授引入随机信号的内容可以拓宽学生的知识领域，帮助学生形成对信号处理实际工程应用的认识。

5.小班授课

要要做到以上几点，非常有必要采用小班上课的教学形式。小班授课可以保证各项实验项目的有效进行，做到实验项目评阅的及时反馈，可以提高讲课效率，易于师生课堂交流的展开。由于我校生物医学工程和电子信息工程专业的招生规模不大，师资力量充足，实现小班上课是可行的。

四、结束语

为了提高教学水平，分析了我校数字信号处理类课程教学存在的问题，针对如何形成有机的教学模式，如何培养该方向的创新型应用人才，提出了若干个课程改革建议。可以为同类型院校该类课程改革提供参考。

参考文献：

[1]杨丰,陈武凡.生物医学工程专业“信号处理原理”课程教学分析[J].电气电子教学学报,2004,26(2):39-42.

[2]郑旭媛,田心.“数字信号处理”课程研究型教学改革与实践[J].西北医学教育,2007,15(3):513-514.

[3]邱天爽,等.坚持三个相结合,搞好“医学信号分析与处理”教学[J].中国电子教育,2010,(4):47-49.

[4]周怡.医药信息学教育结构重组探析[J].医学教育,2005,(6):79-80.

（责任编辑：沈清）

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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