基于深度学习的现代数字信号处理教学模式改革探讨

    牟海维 韩建 刘超 吕秀丽

    

    

    

    摘?要：现代数字信号处理课程是信号处理理论重要知识体系，是研究随机信号的分析和信号处理算法的基础，具有较强的实践性和应用性。为适应信息类研究生对课程内容学习需要，通过引入深度学习来深入掌握现代数字信号处理知识点，以维纳滤波为例，通过引入深度学习框架，解决数字图像处理过程方法，提升学生在深度学习在数字信号处理中的实践能力，在课程教学中取得了较好效果。

    关键词：深度学习;数字信号处理;维纳滤波

    目前随着电子信息技术、微电子技术、互联网+、大数据与深度学习的快速发展，现代数字信号处理技术得到了快速提升，并广泛应用于石油勘探、生物医学、消费电子、国防军事、航空航天、现代工业等其他领域，已成为现代经济与社会发展的最重要应用技术之一。由于该课程的理论性和实践性都很强，且其基本原理和方法已广泛应用于各领域，因此有必要对本课程进行教学内容及方法改革，优化课程体系结构，加强利用python软件实现实践性教学环节。

    一、课程结构体系优化

    《现代数字信号处理课程》具有数学理论推导较多、内容广泛、概念抽象等特点，同时，如果教学方法不当，一方面课程的持续时间也会受到限制，学生在学习过程中经常感到枯燥，難以理解和掌握;另一方面，容易造成学生对学习的恐惧，失去学习的兴趣。涉及教学过程如图1所示。

    现代数字信号处理是一种以算法信号处理为核心，是一门理论和实际应用相结合的实用课程。涉及的算法是基于计算机数值计算和深度学习框架，目前教师使用的传统教学方式，主要教演绎的基本理论和算法，在教学中主要使用了大量的公式、算法和推导的学习，而忽视让学生用计算机模拟设计调试，分析课程的内容和解决问题的能力，让学生觉得这门课是一个数学理论，并不有利于他们深刻理解数学概念的物理和工程问题，并且，课外实践项目的限制，不利于学生今后的研究领域的信号处理。因此，如何提高学生学习的兴趣和主动性，增强学生对知识的理解和掌握，培养学生综合运用所学解决实际问题的实践能力，是本课程教学中需要解决的关键问题。

    二、引入案例及柔性化教学模式

    理论性较强的课程通常侧重于理论推导，而忽略了具体实现技术的介绍。因此，将理论知识与实际工程应用联系起来是不可能的。表现在他们做工程实际项目时，即使是对学过的相关内容也无法用具体的手段来实现。在学习过程中，把理论、实践及案例有机结合起来，知识点揉成一团，相互支撑，这就是所谓的柔性教学模式，如图2所示，每个教学模式并不是孤立的。

    在现代数字信号处理的教学过程中，应注重培养学生的工程思维方法。数字信号处理理论中包含了许多研究问题和解决问题科学的方法，如频域分析方法、功率谱估计方法、傅里叶变换的快速计算方法等都是很好的。尽管它出现在信号处理的专业领域，但它的基本思想是利用事物的特点和规律来解决实际问题，这在所有领域应用都是一样的，尤其是结合深度学习来处理随机信号问题。

    三、维纳滤波方法案例

    深度学习解决信息处理是今后发展趋势，因此本课程利用python软件，利用深度学习框架结构，调用函数和深度学习算法进行案例教学，本例为调用维纳滤波的函数，利用SciPy数据包中wiener滤波库函数的调用。具体语句为from scipy.signal import wiener函数调入。

    本课程通过案例式等多种教学方式，使学生从被动接受知识转变为主动的学习者，通过精心组织教学内容和详细的教学计划，开发学生的学习潜能，鼓励学生实现创造性学习，根据学生专业不同的背景，不同的兴趣，不同的能力和不同的工作目标，对学生需求进行多样化的教学，可以让学生根据自己的职业目标设定他们自己的学习计划，使学生与资源实现合理的调度和灵活的匹配，这样案例式项目式学习引导学生有被动变为主动。

    四、结论

    通过课程的不断改革，在课程教学的结束阶段时，学生进行分组选择教学案例讨论，对项目的解决过程，演示程序和答辩问题。这种实践性教学方法是考核学生成绩的重要依据之一。设计的专题项目和案例训练，不仅弥补了对抽象和困难的课程内容对不足的认识，也充分发挥学生的主动性和创造性，使学生得到良好的锻炼的同时，理论知识可以得到深化和巩固，提高学生发现问题的能力、分析问题和解决问题的能力。

    参考文献：

    [1]曹霞，王波，张红剑.新工科背景下数字信号处理课程的改革[J].学园，2017（25）：23-24.

    [2]丁文飞，孙会楠，赵建新.项目驱动教学法在《数字信号处理技术》课程中的应用——以语音信号为例[J].高教学刊，2017（17）：95-97.

    [3]何朝霞.数字信号处理实验教学改革的探索[J].实验室科学，2015，18（03）：103-105.

    [4]赵楠，李世豪，肖雄，吴令浩.Matlab在语音信号处理教学中的应用[J].实验科学与技术，2015，13（06）：54-57.

    [5]沈希忠.数字信号处理课程的应用型教学模式探索[J].高教学刊，2016（22）：98-99.

    [6]李彤.创新设计课程项目驱动教学法探索[J].计算机教育，2015（9）：72-74.

    基金项目：黑龙江省高等教育教学改革项目“现代数字信号处理课程教学改革的探索与实践”（SJGY20170047）;黑龙江省高等教育教学改革项目“学科交叉复合创新创业人才培养研究与实践”（SJGY20190106）;黑龙江省教育科学规划重点课题“基于学科交叉融合的电子信息类专业改造路径研究与实践”（GJB1319023）;黑龙江省高等教育教学改革研究项目“工程教育认证背景下复杂工程问题的构造与教学设计研究”（SJGY20180069）

    作者简介：牟海维（1963—?），男，汉族，黑龙江绥化人，博士，教授，主要从事油田大数据及信号信息处理研究。