摘要：“数字信号处理”是高校电子信息工程、电子信息科学与技术、通信工程等若干本科专业必修的一门专业基础课，也是接下来专业课程的基础和贯穿学科内容的纽带。为贯彻教育部提出的“四个关系”和“四个着力”，提出“以基础理论为主体”“以应用技术为牵引”和“以学科前沿问题为亮点”的三层次“数字信号处理”教学改革方法，使得“数字信号处理”课程能够被更好的学习与应用在实践中。实践结果表明，基于“三层次”思想的“数字信号处理”课程改革方法不仅有利于学生更好地吸收课堂教学内容，还有助于提高学生对水声工程专业其他相关课程学习的兴趣。
关键词：数字信号处理；水声工程；科研案例；“三层次”思想
1“三层次”思想具体内容
为解决“数字信号处理”课程存在的上述问题并结合水声工程专业特色，水声工程学院本科生“数字信号处理”教学团队提出“三层次”“数字信号处理”课程内容设计项目。具体来讲：第一层次是“以基础理论为主体”；第二层次是“以应用技术为牵引”；第三层次是“以学科前沿问题为亮点”。“数字信号处理”课程的“三层次”思想的提出一方面有助于提高学生对“数字信号处理”课程系统性和完备性的认识；另一方面有助于学生将“数字信号处理”课程中的知识点与水声工程专业的科研案例相结合，这不仅为学生在今后进行水声技术相关理论的学习做了铺垫，还培养学生研究习惯，增强学生的科学研究能力与创新能力。“三层次”“数字信号处理”课程内容设计项目的以“数字信号处理”课程为核心，围绕“三层次”进行展开，如图1所示。第一层次是“以基础理论为主体”，具体来讲就是以“数字信号处理”课程中基本概念、滤波器设计和频谱分析等基础理论作为项目建设基础的主体与核心内容；第二层次是“以应用技术为牵引”，结合现代信号处理技术在水声工程中的应用，构建以“声呐系统”为背景的专业课程体系。考虑“水下声信道”“信号与系统”“声呐技术”等课程中的基本理论与“数字信号处理”课程内容相结合，建立“纽带”融会贯通水声工程专业整个知识体系，第二层次也是为学生提供知识储备；第三层次是“以学科前沿问题为亮点”。“三层次”课程内容设计项目充分利用水声工程学院科研资源，将枯燥的数字信号处理理论问题与实际前沿科研案例相结合，使学生更直观地学习到知识并加深理解和认识。这也为学生学习其他水声课程做了铺垫。第三层次要求“数字信号处理”课程教学内容紧跟现有水声信号处理中科研遇到的处理难点，以“数字信号处理”课程和声呐系统为基点，保持“数字信号处理”课程的实用性与“新鲜性”。这三层次中，第一层次“数字信号处理”课程的学习是第二、三层次的基础和整个项目的核心；第二层次中应用内容的扩展学习为第一层次和第三层次内容搭建起“桥梁”，是不可或缺的一部分；第三层次是基于前两层次的积累对科研案例学习，是整个项目的重点也是前两层次的升华和亮点。开展“三层次”“数字信号处理”课程内容设计研究，将课程中信号处理算法与水声具体科研案例（例如水下目标识别项目或水下被动跟踪项目）相结合可以改变目前学生对“数字信号处理”课程枯燥感的印象。提高学生对“数字信号处理”课程系统性和完备性的认识，使学生掌握水声技术研究的基本理论和技能。“数字信号处理”课程与实际科研案例相结合让学生了解有关水声理论的后续课程的学习内容。
2“三层次”思想在数字信号处理课程中的实践
具体实施计划要从“三层次”中逐一入手建立“数字信号处理”教改项目。首先针对第一层次“以基础理论为主体”，由于“数字信号处理”课程涉及的内容较多，并且对低年级学生而言有些概念也较难理解。好的开始是成功的一半，项目在课程初期重点利用图片、视频等素材和现代化手段以人类目前探索太空、天空、陆地和海洋领域的信息为核心，了解航天、航空、雷达和声呐四大系统中所使用的信息载体、传输特性、信号处理方法及探测系统与“数字信号处理”课程的关系。培养学生从系统的高度考虑问题，激发学生对课程的兴趣，这也为今后有关专业课的学习奠定初步的概念，为学生今后的学业及事业发展方向的确定提供引导。针对课程具体教学内容，项目将利用数字信号处理虚拟软件作为辅助教学工具，使学生对信号处理方法有更加直观的理解。同时数字信号处理虚拟软件也是搭建第一层次“基础理论为主题”和第二层次“应用技术为牵引”的“桥梁”。举例来说：学生从信号形式仿真生成开始，了解什么是离散信号；在此基础上利用离散傅里叶变换分析离散时间信号的频谱，观察信号频谱的特点，加深对离散傅里叶变换基本概念的理解，并掌握用快速傅里叶变换对模拟信号进行谱分析方法；然后，对给定设计参数要求的滤波器进行设计实现，观察所设计的滤波器系统特性及信号经过滤波器后的变化；最后，对不同情况系统函数（给定系统函数、声场仿真系统函数、给定差分方程）系统输出进行求解，掌握差分方程求解及卷积和的概念和知识点，观察信号通过系统产生变化。这样学生通过一系列操作对离散信号、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换和系统函数等概念有了直观的理解，不再拘泥于“数字信号处理”书本上的枯燥公式。特别地，针对水声领域的内容，课程内容设计项目利用课程团队教师在水声科研中获得的实验数据作为课程资源（例如典型水下被动跟踪数据和典型水下目标识别数据），如图2所示，扩大了课程的外延，加强了学生对数字信号处理中信号处理方法和声呐系统的认知。重点增加实际海洋数据和实际海洋环境部分以体现数字信号处理方法在水声信号处理的特点，让学生通过分析不同水声信号处理方法得到的结果，更直观的理解信号处理的意义，激发学生对水声信号处理的兴趣和学习主动性。第三层次的“学科前沿问题为亮点”部分，项目总结当下研究较多的水声科研问题并设定对应题目，让学生依据兴趣进行选择并结合自身已学习的知识尝试进行解决，鼓励学生基于已学内容编辑信号处理方法，处理仿真与试验数据，开阔学生思路，使学生不拘泥于课堂学习的内容。在第三层次中，团队结合虚拟仪器软件———声呐信息与系统虚拟实验配合教学中，利于学生更好地理解“数字信号处理”课程在学科中应用。“三层次”的“数字信号处理”课程建设使得课程不再拘泥于书本中传统的信号处理方法，开阔学生解决问题的思路，增加了学生对“数字信号处理”课程的兴趣。与此同时，将课程与实际科研案例相结合有助于锻炼学生文献查阅总结等能力，培养了学生科学研究能力和创新能力。在进行“三层次”“数字信号处理”课程内容设计项目时，水声工程学院“数字信号处理”课程教学团队拟计划通过在部分开设“数字信号处理”课程的高校进行调研。了解现有“数字信号处理”课程的存在问题与课程改革状态，同时结合水声工程学院自身优势，了解各科研课题组在进行科研时“数字信号处理”课程内容的需求，对“数字信号处理”课程内容设计项目中的科研案例进行选择与安排。
3结束语
“数字信号处理”课程是高校电子信息工程、电子信息科学与技术、通信工程等若干本科专业必修的一门专业基础课，“数字信号处理”课程也是接下来专业课程的基础和贯穿学科内容的纽带。但目前“数字信号处理”课程学习存在理论知识较为枯燥和抽象，与学生已学内容和未学专业课程间是割裂的状态等问题。基于“三层次”思想的“数字信号处理”课程改革一方面有助于提高学生对“数字信号处理”课程系统性和完备性的认识；另一方面有助于培养学生掌握水声技术研究的基本理论和技能。将课程结合起来有助于学生在以后进行水声技术相关理论的学习和提高学生解决实际问题的能力。
作者:李秀坤 于歌 雷亚辉 梅继丹 单位:哈尔滨工程大学