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時(shí)間:2023-07-05 16:12:31
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關(guān)鍵詞:數(shù)字邏輯;課堂教學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué)
作者簡(jiǎn)介:徐銀霞(1979-),女,湖北武漢人,武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,講師。(湖北 武漢 430073)
中圖分類號(hào):G642.421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1007-0079(2013)28-0104-02
“數(shù)字邏輯”是計(jì)算機(jī)專業(yè)一門重要的硬件基礎(chǔ)課程,其主要目的是使學(xué)生掌握數(shù)字系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的理論知識(shí),熟悉各種不同規(guī)模的邏輯器件,掌握各類邏輯電路分析與設(shè)計(jì)的基本方法,為數(shù)字計(jì)算機(jī)或其它硬件電路分析與設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。[1]“數(shù)字邏輯”課程教學(xué)一般采用課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式,使得學(xué)生掌握數(shù)字電路分析與設(shè)計(jì)的一些理論知識(shí),同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生電路設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試以及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。學(xué)生的學(xué)習(xí)效果一直是教學(xué)當(dāng)中的重中之重,因此如何有效利用有限的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。筆者結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),分別對(duì)課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)就“數(shù)字邏輯”課程的教學(xué)方法做一次探討。
一、“數(shù)字邏輯”課程的課堂教學(xué)
課堂教學(xué)效果直接決定學(xué)生理論知識(shí)掌握的程度,也影響隨后的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐能否順利進(jìn)行。在課堂教學(xué)中采用任務(wù)式教學(xué)、課堂討論、電路仿真演示以及硬件描述語(yǔ)言電路設(shè)計(jì)等方式進(jìn)行教學(xué),取得了滿意的效果。
1.任務(wù)式教學(xué)
明確任務(wù),使學(xué)生掌握方法,做到舉一反三。教學(xué)過(guò)程中將 “數(shù)字邏輯”課程的知識(shí)點(diǎn)歸納整理成若干個(gè)任務(wù)。比如數(shù)字電路按邏輯功能分成組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩大類,主要的問(wèn)題是電路分析與設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。按電路規(guī)模要求重點(diǎn)掌握的是小規(guī)模和中規(guī)模電路,所以任務(wù)主要有小規(guī)模組合電路的分析、小規(guī)模組合電路的設(shè)計(jì)、中規(guī)模組合集成芯片、中規(guī)模組合電路分析、中規(guī)模組合電路設(shè)計(jì);小規(guī)模時(shí)序電路分析、小規(guī)模時(shí)序電路設(shè)計(jì)、中規(guī)模時(shí)序集成芯片、中規(guī)模時(shí)序電路分析、中規(guī)模時(shí)序電路設(shè)計(jì)等等。對(duì)于每一個(gè)問(wèn)題明確任務(wù),分析解決辦法,歸納一般的解答步驟及注意事項(xiàng),舉例證明方法的可行性。比如對(duì)于中規(guī)模組合芯片的學(xué)習(xí),僅以數(shù)據(jù)選擇器為例,引導(dǎo)學(xué)生上網(wǎng)查閱芯片資料,閱讀資料找出芯片的功能表、輸出表達(dá)式,邏輯圖和引腳圖以及典型應(yīng)用。這樣,學(xué)生不僅掌握了該芯片的全部知識(shí)要點(diǎn),還可以掌握中規(guī)模組合集成芯片這類芯片的學(xué)習(xí)方法。此后,對(duì)于所有此類芯片學(xué)生都能夠通過(guò)自行查找芯片資料來(lái)掌握,節(jié)約了課堂時(shí)間,學(xué)生也獲得了自主學(xué)習(xí)的成就感。
2.增加課堂討論
精講多練,給予學(xué)生充分的討論時(shí)間。為提高學(xué)習(xí)效果,在提出任務(wù)、介紹原理及方法后,布置課堂練習(xí)。學(xué)生可以一邊練習(xí)一邊自由討論,已理解的同學(xué)在討論中充當(dāng)老師,可以加深印象,鞏固知識(shí);而沒(méi)有理解的同學(xué)可以在討論中積極主動(dòng)地學(xué)習(xí),同時(shí)也激發(fā)了學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)的積極性,比教師反復(fù)講解的效果好。這種方式可以避免“滿堂灌”式的教學(xué)方式,活躍課堂氣氛,創(chuàng)造學(xué)習(xí)氛圍,提高學(xué)習(xí)興趣,實(shí)踐證明取得了良好的效果。
3.電路仿真演示
在數(shù)字電路分析與設(shè)計(jì)的理論教學(xué)過(guò)程中,很多學(xué)生會(huì)覺得枯燥且難以理解。借助Multisim11.0仿真軟件進(jìn)行數(shù)字電路的模擬和課堂演示,可以直觀地顯示電路的功能和時(shí)序電路的時(shí)序波形。比如在講解中用16進(jìn)制計(jì)數(shù)器74161實(shí)現(xiàn)12進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí),其中復(fù)位法可通過(guò)置0或者異步清零兩種方法使得計(jì)數(shù)器從11回0,但置0法必須在計(jì)數(shù)到1011時(shí)使得置數(shù)端為0,異步清零必須在計(jì)數(shù)器為1100時(shí)使得清零端為0才能保證計(jì)數(shù)器為12進(jìn)制。如果僅用理論講解學(xué)生比較難理解,但通過(guò)仿真演示后學(xué)生能夠恍然大悟。因此仿真軟件的使用可以使“數(shù)字邏輯”理論課的教學(xué)更加生動(dòng)活潑,而且學(xué)生在遇到疑問(wèn)時(shí)也可以通過(guò)仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證。學(xué)生通過(guò)直觀的仿真結(jié)果,對(duì)電路的工作過(guò)程進(jìn)行透徹的分析,提高了學(xué)習(xí)的興趣和效率,促進(jìn)自學(xué)能力和創(chuàng)新能力的提高。
4.引入硬件描述語(yǔ)言
硬件描述語(yǔ)言用軟件編程的方式來(lái)描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接形式,適合大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在教學(xué)的過(guò)程中將硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL引入課堂,比如在講解邏輯門、數(shù)據(jù)選擇器、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器等基本單元電路的原理之后,給出模塊對(duì)應(yīng)的硬件描述語(yǔ)言,演示仿真波形和綜合結(jié)果。學(xué)生從仿真波形中觀察信號(hào)的邏輯變化,對(duì)數(shù)字邏輯電路的掌握更加透徹,同時(shí)也豐富了教學(xué)內(nèi)容。Verilog HDL語(yǔ)言是一種非常實(shí)用的硬件描述語(yǔ)言,易學(xué)易用,學(xué)生只要有C語(yǔ)言編程基礎(chǔ),便容易掌握。編程也可以實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì),同學(xué)們感到非常新奇,將被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí),提高學(xué)習(xí)興趣,取得了很好的教學(xué)效果。
二、“數(shù)字邏輯”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)
“數(shù)字邏輯”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。[2]通過(guò)數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以基本掌握數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試步驟,學(xué)會(huì)借助萬(wàn)用表、示波器等實(shí)驗(yàn)儀器排除實(shí)驗(yàn)當(dāng)中遇到的各種故障,從而獨(dú)立分析設(shè)計(jì)各種規(guī)模的數(shù)字電路。實(shí)踐教學(xué)中將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)與硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)三種類型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,三者互為補(bǔ)充,提高實(shí)驗(yàn)效果,充分培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。
1.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一般利用面包板及用中小規(guī)模芯片完成電路設(shè)計(jì)。其接線模式可以使學(xué)生直觀了解數(shù)字電路是如何工作的,從而掌握電路測(cè)試、調(diào)試以及維修技能。但是部分學(xué)生視這一過(guò)程為簡(jiǎn)單的連線工作,往往只注重結(jié)果,不重視過(guò)程,造成實(shí)驗(yàn)課就是反復(fù)的接線和碰運(yùn)氣,學(xué)生不能駕馭整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,產(chǎn)生畏難和退縮心里。在實(shí)驗(yàn)課前要求學(xué)生書寫預(yù)習(xí)報(bào)告,自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)、芯片選型,上網(wǎng)查閱芯片資料,掌握閱讀芯片資料的方法,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì),可以避免機(jī)械化操作,學(xué)會(huì)排除故障,增強(qiáng)操作信心。
在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,學(xué)生不可避免地會(huì)遇到種種問(wèn)題,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果出錯(cuò):可能是電路設(shè)計(jì)或連線過(guò)程中出現(xiàn)了問(wèn)題,也有可能是實(shí)驗(yàn)設(shè)備或?qū)嶒?yàn)器材出現(xiàn)了故障。教師應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)儀器找到故障點(diǎn),發(fā)現(xiàn)問(wèn)題之所在,并想出解決辦法。在未來(lái)的實(shí)際工作中,學(xué)生將會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題,而實(shí)驗(yàn)課正是鍛煉如何解決這些問(wèn)題的好機(jī)會(huì)。因此實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該向?qū)W生講明排除故障的必要性,并引導(dǎo)其對(duì)獨(dú)立解決各種疑難問(wèn)題的興趣,增強(qiáng)其信心,令其克服畏難情緒。一旦學(xué)生掌握了排除故障的方法,獨(dú)立解決了問(wèn)題,他們就會(huì)很有成就感,甚至就此對(duì)排除故障產(chǎn)生了濃厚的興趣。[3]實(shí)踐表明學(xué)生能自主完成所有設(shè)計(jì),自主分析討論實(shí)驗(yàn)過(guò)程中碰到的問(wèn)題,逐個(gè)排查故障點(diǎn),最終完成電路調(diào)試。
2.仿真實(shí)驗(yàn)
傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)適于以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的一些中小規(guī)模電路的構(gòu)建與測(cè)試。對(duì)于一些比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)則比較費(fèi)時(shí),如數(shù)字鐘、搶答器、拔河游戲機(jī)、彩燈控制器等。而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中常常因一根導(dǎo)線連接錯(cuò)誤、一個(gè)連接點(diǎn)接觸不良,就致使實(shí)驗(yàn)受阻甚至無(wú)法完成,給學(xué)生以挫折感,影響學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,不利于動(dòng)手能力的培養(yǎng)。
Multisim11.0是一個(gè)集原理電路設(shè)計(jì)和電路功能測(cè)試為一體的虛擬仿真軟件,其元器件庫(kù)提供了數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用,其中包含了數(shù)字器件。虛擬測(cè)試儀器儀表種類齊全,如數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器、直流電源、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀等,可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路。[4]采用Multisim11.0軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),使學(xué)生能充分發(fā)揮想象力,按照自己的想法創(chuàng)建各種電路,從而擺脫實(shí)驗(yàn)箱的束縛。實(shí)踐證明將Multisim11.0應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué),能夠使學(xué)生提高學(xué)習(xí)的興趣,增加學(xué)習(xí)樂(lè)趣,充分發(fā)揮學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力,提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。
3.硬件描述語(yǔ)言開發(fā)數(shù)字電路
當(dāng)數(shù)字邏輯電路及系統(tǒng)的規(guī)模比較小而且簡(jiǎn)單時(shí),用電路原理圖輸入法基本足夠了,但是需要手工布線,需要熟悉器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引線特點(diǎn),才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。當(dāng)電路規(guī)模大時(shí)工作量會(huì)相當(dāng)大,實(shí)驗(yàn)時(shí)間往往不能保證。隨著可編程邏輯器件的廣泛應(yīng)用,硬件描述語(yǔ)言已成為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要描述方式,采用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)字電路的設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到分析設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課的轉(zhuǎn)變。利用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)字鐘、搶答器、交通燈控制電路等的設(shè)計(jì),要求學(xué)生利用課堂知識(shí)進(jìn)行編程、仿真、綜合和下載到可編程邏輯器件中運(yùn)行以觀察結(jié)果。學(xué)生還可以按照自己的想法自行設(shè)計(jì)其它數(shù)字電路進(jìn)行仿真、下載調(diào)試,提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和綜合實(shí)踐能力。
此外還通過(guò)舉辦電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、綜合設(shè)計(jì)等方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,也提高了學(xué)生綜合應(yīng)用的能力,收到了良好的教學(xué)效果。
三、結(jié)論
數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人類的各個(gè)方面,從計(jì)算機(jī)到手機(jī),從數(shù)字電話到數(shù)字電視,從家用電器到軍用設(shè)備,從工業(yè)自動(dòng)化到航天技術(shù),都采用了數(shù)字電子技術(shù)。[5]因此“數(shù)字邏輯”課程對(duì)于計(jì)算機(jī)及相關(guān)專業(yè)來(lái)說(shuō)是一門很重要的課程。筆者結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)“數(shù)字邏輯”課程的教學(xué)方法進(jìn)行深入探討,在課堂教學(xué)中采用任務(wù)式教學(xué),增加課堂討論,借助仿真軟件進(jìn)行電路演示,利用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì);在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)和硬件描述語(yǔ)言實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合、互為補(bǔ)充,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力,取得了很好的教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn):
[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)[M].第5版.北京:高等教育出版社,2006.
[2]孫麗君,張曉東,魯可.“數(shù)字電子技術(shù)”課程教學(xué)改革探析[J].中國(guó)電力教育,2013,(13):67-68.
[3]王宇,崔文華,王寧,等.興趣導(dǎo)向的數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)改革[J].計(jì)算機(jī)教育,2010,(17):38-40.
關(guān)鍵詞:數(shù)字信號(hào)處理;濾波器設(shè)計(jì);
作者簡(jiǎn)介:王秋生(1971-),男,河北豐潤(rùn)人,北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,副教授;劉穎異(1980-),女,山東煙臺(tái)人,北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,講師。(北京 100191)
基金項(xiàng)目:本文系北京航空航天大學(xué)研究生精品課程建設(shè)和本科教改立項(xiàng)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金(51207005)的研究成果。
中圖分類號(hào):G642.0?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A?????文章編號(hào):1007-0079(2012)31-0046-02
隨著通信電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步,數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到了飛速發(fā)展,并且廣泛用于軍事、航天、航空、遙感、控制、雷達(dá)、醫(yī)學(xué)等各種領(lǐng)域。[1,2]與此同時(shí),“數(shù)字信號(hào)處理”課程日益受到理工科高等院校的重視,并開展了一系列的教學(xué)研究與改革工作,涉及教學(xué)內(nèi)容、[3,4]雙語(yǔ)教學(xué)、[5,6]實(shí)踐教學(xué)、[7,8]網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、[9]教學(xué)改革等諸多方面。[7,10]
數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)是數(shù)字信號(hào)處理課程的重要內(nèi)容,該部分授課內(nèi)容具有如下特點(diǎn):內(nèi)容抽象(數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程采用抽象的符號(hào)加以表示);內(nèi)容豐富(數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程是基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)的具體應(yīng)用);密切聯(lián)系實(shí)踐(數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)目的和內(nèi)容與具體工程應(yīng)用有著緊密的聯(lián)系)。上述特點(diǎn)使部分學(xué)生掌握困難,并直接影響著教學(xué)工作。
本文以數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)章節(jié)的知識(shí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),結(jié)合數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程、IIR濾波器設(shè)計(jì)和FIR濾波器設(shè)計(jì)等具體內(nèi)容,并考慮學(xué)時(shí)較少與內(nèi)容豐富的矛盾問(wèn)題,提出了基于“”思想的教學(xué)方法,并進(jìn)行了連續(xù)五年的課程教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)。
一、基于“”的教學(xué)方法
“”的原指在尋找彼此共同之處的同時(shí),保留彼此的不同之處。將“”用于數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)章節(jié)的教學(xué)過(guò)程,體現(xiàn)了章節(jié)內(nèi)容的共性與個(gè)性的關(guān)系。下面以數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程、FIR濾波器設(shè)計(jì)和IIR濾波器設(shè)計(jì)等為例,詳細(xì)地論述基于“”思想的教學(xué)方法。
1.數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程的“”
數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程的“求同”,體現(xiàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程的共性或相似之處,如圖1(a)所示。要設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器(包括FIR型和IIR型等),首先要以頻域容限圖方式給出技術(shù)指標(biāo);然后選取合適設(shè)計(jì)方法來(lái)逼近技術(shù)指標(biāo);最后計(jì)算數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng),并與技術(shù)指標(biāo)比較,如果滿足要求則結(jié)束設(shè)計(jì)過(guò)程,否則重復(fù)上述過(guò)程。
數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程的“存異”體現(xiàn)在逼近技術(shù)指標(biāo)方法的不同,如圖1(b)所示。不同逼近方法將設(shè)計(jì)出不同類型的數(shù)字濾波器,并導(dǎo)致濾波器的頻率特性存在差異。如采用加窗方法設(shè)計(jì)的FIR濾波器可以獲得嚴(yán)格線性相位,而基于模擬濾波器設(shè)計(jì)的IIR濾波器很難獲得線性相位等,不再贅述。
在授課過(guò)程中以圖1所示的內(nèi)容為主線開展教學(xué),可以凸顯數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的整體概念,便于學(xué)生從全局角度區(qū)分設(shè)計(jì)原理,有助于理解和掌握具體設(shè)計(jì)方法。
2.IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的“”
IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程的“求同”體現(xiàn)在基于模擬方法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器的共性部分,如圖2(a)所示。首先采用頻域容限圖給出設(shè)計(jì)指標(biāo);然后利用數(shù)字頻率與模擬頻率的轉(zhuǎn)換關(guān)系,將數(shù)字形式的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為模擬形式的技術(shù)指標(biāo);其后根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的模擬濾波器(如巴特沃思、切比雪夫等類型),并依據(jù)模擬技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)出濾波器;隨后利用頻率變換關(guān)系,將模擬濾波器轉(zhuǎn)化為數(shù)字濾波器;最后將其與設(shè)計(jì)指標(biāo)比較,如果滿足要求則結(jié)束設(shè)計(jì),否則重復(fù)上述設(shè)計(jì)過(guò)程。
IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的“存異”,體現(xiàn)在設(shè)計(jì)過(guò)程中的頻率轉(zhuǎn)換的方法不同,如圖2(b)所示。具體體現(xiàn)如下:第一,頻率變換方法不同,將數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換為模擬頻率時(shí),脈沖響應(yīng)不變方法是線性變換,且不存在頻率畸變問(wèn)題;雙線性變換方法是非線性變換,且在高頻區(qū)域存在嚴(yán)重的頻率畸變。第二,設(shè)計(jì)對(duì)象不同,脈沖響應(yīng)不變方法只能設(shè)計(jì)低通濾波器,而雙線性變換方法可以設(shè)計(jì)其他類型(包括低通、高通等)的濾波器。
在授課過(guò)程中強(qiáng)調(diào)圖2所示的內(nèi)容,有助于全面理解IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程,便于掌握不同加窗方法的本質(zhì)差別,可以為設(shè)計(jì)方法的具體應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。
3.FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的“”
FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的“求同”體現(xiàn)在基于加窗方法設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器過(guò)程的共性內(nèi)容,如圖3(a)所示。首先,將待設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器抽象為理想濾波器;其次,對(duì)理想濾波器進(jìn)行傅立葉逆變換,得到理想單位脈沖響應(yīng);再次,選擇合適的窗口函數(shù)截?cái)啵玫接邢揲L(zhǎng)單位脈沖響應(yīng);最后,對(duì)進(jìn)行傅里葉變換,得到頻率響應(yīng),并與技術(shù)指標(biāo)比較,如果滿足要求則結(jié)束設(shè)計(jì),否則重新設(shè)計(jì)。
除此之外,F(xiàn)IR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的“求同”還包括:描述窗口都使用長(zhǎng)度和形狀兩個(gè)參數(shù);加窗過(guò)程產(chǎn)生的“吉布斯現(xiàn)象”對(duì)通帶和阻帶的影響大致相同;過(guò)渡帶寬度主要受窗口函數(shù)的主瓣影響,通帶和阻帶波紋主要受旁瓣影響;窗口形狀和長(zhǎng)度影響著數(shù)字濾波器的性能,不再贅述。
論文關(guān)鍵詞:數(shù)字電子技術(shù);教學(xué)方法;高職教育
《數(shù)字電子技術(shù)》是電子類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程,是一門必修課。它是培養(yǎng)學(xué)生具備電子技術(shù)的基本知識(shí)和技能,和《模擬電子技術(shù)》課程共同構(gòu)成電子類專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程,是學(xué)生必須打下的專業(yè)基本功。它以電路基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)為基礎(chǔ),是后續(xù)單片機(jī)、PLC、傳感器、電子測(cè)量等專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),也為無(wú)線電裝接工、調(diào)試工等考級(jí)考證打下基礎(chǔ)。
高職數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)的目標(biāo)確立是為了更好地指導(dǎo)該課程的教學(xué)方向,對(duì)有效落實(shí)教學(xué)體系起到了指導(dǎo)性的作用。圍繞著這個(gè)目標(biāo)建立教材的篩選處理,再依托EDA的技術(shù),強(qiáng)化理論和實(shí)踐的教學(xué),最后通過(guò)課程的設(shè)計(jì)創(chuàng)新來(lái)形成獨(dú)具教學(xué)質(zhì)量的體系。
一、高職數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)的目標(biāo)
實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)是高職數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)綜合體系,通過(guò)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)、課程設(shè)計(jì)等內(nèi)容,完成基本操作技能、綜合能力和應(yīng)用能力的三級(jí)能力培養(yǎng)要求,培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力及創(chuàng)新思維的綜合能力。
(一)基本操作技能的培養(yǎng)
實(shí)驗(yàn)是整個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ),可以分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生了解器件功能和使用要求,掌握基本測(cè)量方法與儀器儀表的使用技能,熟悉實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范以及學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫要求等基本技能,為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)理論知識(shí)和能力培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。對(duì)于初學(xué)的學(xué)生,必要的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)基本操作技能的主要途徑,是素質(zhì)教育的基礎(chǔ)。
(二)綜合能力的培養(yǎng)
驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過(guò)多會(huì)使學(xué)生失去對(duì)實(shí)驗(yàn)的“神秘”感和探索欲望,思維缺乏靈活性和創(chuàng)造性。開設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性、實(shí)踐性實(shí)驗(yàn),可以增加實(shí)驗(yàn)的靈活性、創(chuàng)造性,激發(fā)學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)的興趣,使學(xué)生能初步地將所學(xué)的基本理論知識(shí)獨(dú)立應(yīng)用于實(shí)踐中。在觀察和探索的基礎(chǔ)上,通過(guò)教師的引導(dǎo)激發(fā)他們積極思維,逐步提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,并使學(xué)生的基本技能得到進(jìn)一步提高。
(三)應(yīng)用能力的培養(yǎng)
運(yùn)用虛擬、仿真等技術(shù)手段,采用較為先進(jìn)的EDA技術(shù),一方面可以使實(shí)驗(yàn)更加接近工程實(shí)際,激發(fā)學(xué)生的參與性;另一方面通過(guò)接近工程實(shí)際的課題,使學(xué)生多方位多角度地觀察、思考、探索和想象,提出多種設(shè)想和解決問(wèn)題的方案。在此基礎(chǔ)上,再引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行收斂思維,確定解決問(wèn)題的最佳方案,完成方案擬訂、實(shí)施方案的設(shè)計(jì)、電路制作、安裝調(diào)試等環(huán)節(jié),達(dá)到在實(shí)踐中學(xué)、在實(shí)踐中練的目的,使理論與設(shè)計(jì)融為一體。從工程角度出發(fā)促使學(xué)生了解科研活動(dòng)的全過(guò)程,增強(qiáng)學(xué)生的求知欲和科研意識(shí),體會(huì)理論設(shè)計(jì)與實(shí)際中的距離。這不僅能訓(xùn)練學(xué)生思維的邏輯性和獨(dú)創(chuàng)性,培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、科學(xué)的思維方式、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力,還能培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念,訓(xùn)練學(xué)生工程應(yīng)用技能,達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用能力的目的。
二、對(duì)教材進(jìn)行適當(dāng)處理,把握理論上的度
“數(shù)字電子技術(shù)”是計(jì)算機(jī)、機(jī)電、自動(dòng)化類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課.當(dāng)前,隨著以培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的高職教育的日益發(fā)展,以及高職對(duì)特色的強(qiáng)烈渴望,迫切需要形成與高職教育培養(yǎng)目標(biāo)相適應(yīng)的課程體系。
《數(shù)字電子技術(shù)》的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生掌握數(shù)字電子方面的基本知識(shí)和基本分析、設(shè)計(jì)方法,訓(xùn)練學(xué)生數(shù)字電路制作與調(diào)試的基本技能;培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、科學(xué)思維方式以及創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。它共有五大模塊,包括數(shù)字邏輯基礎(chǔ)模塊、邏輯門電路模塊、組合邏輯電路模塊、時(shí)序邏輯電路模塊和綜合模塊,主要作用就是要求學(xué)生能看懂基本電子電路圖,學(xué)會(huì)使用電子元器件手冊(cè),能制作、調(diào)試、軟件仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相關(guān)電路,了解數(shù)字電子技術(shù)在實(shí)際生活中的應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)崗位基本能力和職業(yè)素質(zhì)。由于許多中專升格的高職院校目標(biāo)定位還不夠明確,在辦學(xué)上仍處于探索階段,沒(méi)有系統(tǒng)的、適合自身辦學(xué)特色的教材,所以一般都選擇本科院校教材的壓縮版,課程內(nèi)容不適應(yīng)高職教育的特點(diǎn),加上大部分高職生(特別是偏遠(yuǎn)地區(qū))的學(xué)科基礎(chǔ)差、底子較薄,在學(xué)習(xí)的過(guò)程中存在著一些不適應(yīng)現(xiàn)象,學(xué)習(xí)效果較差。根據(jù)高職教育教學(xué)“基本理論教學(xué)要以應(yīng)用為目的,以必需、夠用為度”的基本原則要求,就必須從“廣而深”的知識(shí)中選擇、重構(gòu)“少而精”的教學(xué)體系。在教學(xué)內(nèi)容的選擇上就必須考慮實(shí)際工程需要,突出基本理論、基本分析方法和知識(shí)的應(yīng)用,傳統(tǒng)的邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)方法像代數(shù)法、卡諾圖法只需要簡(jiǎn)單分析介紹一下,回避繁瑣的集成電路內(nèi)部分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程,著重介紹器件(或集成元器件)的作用、主要參數(shù)、使用方法。如在講授TTL與非門電路原理時(shí),可結(jié)合原理圖作簡(jiǎn)單分析如此:TTL與非門利用T1的多個(gè)發(fā)射級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“與邏輯”功能,中間級(jí)從T2的集電極和發(fā)射極分別輸出兩個(gè)相位相反的信號(hào),以驅(qū)動(dòng)T3、T4;當(dāng)輸入信號(hào)中有任何一個(gè)為低電平時(shí),都將使T1飽和,T2、T4截止,T3導(dǎo)通,輸出端Y為高電平,當(dāng)輸入信號(hào)全是高電平時(shí),則T1倒置工作狀態(tài),其集電結(jié)正偏,發(fā)射結(jié)反偏,使T2、T4飽和,而T3導(dǎo)通,輸出端Y為低電平。而對(duì)于電路中各個(gè)三極管的導(dǎo)通或截止,電路的輸入、輸出特性,拉電流和灌電流的概念等,不進(jìn)行詳細(xì)的分析和計(jì)算,只要求學(xué)生記住TTL與非門的電壓傳輸特性和噪聲容限等主要結(jié)論、多余輸入端的處理方法和使用中的注意事項(xiàng),注重理論聯(lián)系實(shí)際,以會(huì)用為最大目標(biāo)。另外,適當(dāng)采用清晰的最新的電子元器件實(shí)物照片,努力減小與現(xiàn)實(shí)實(shí)際工程應(yīng)用差距并爭(zhēng)取同步,增加學(xué)生感性認(rèn)識(shí)和進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。這樣的處理,既可以讓這些基本素質(zhì)較差的學(xué)生理解基本原理,又可以從少學(xué)時(shí)中留出足夠的技能訓(xùn)練時(shí)間。
三、以EDA技術(shù)為支撐,將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)融為一體 轉(zhuǎn)貼于
《數(shù)字電子技術(shù)》是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課,其基本理論與實(shí)踐技能是許多后續(xù)課程的基礎(chǔ),理論與實(shí)踐的密切結(jié)合,在本門課程中顯得尤為重要。高職教材大多在每章都有演示實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)或綜合設(shè)計(jì),根據(jù)我校實(shí)習(xí)設(shè)備的配備情況,在技能實(shí)訓(xùn)中往往2-5人一組,這樣,經(jīng)常有學(xué)生光看不做,學(xué)習(xí)缺乏主動(dòng)性。又由于電子技術(shù)教學(xué)中所涉及的電路圖、電子元件、操作方法和工序都很細(xì)微,設(shè)備或元件故障多等問(wèn)題,在操作過(guò)程中,學(xué)生會(huì)碰到各種不同的問(wèn)題,教師忙于協(xié)助解決,上課效率無(wú)法提高,從而影響了整個(gè)教學(xué)計(jì)劃。根據(jù)多年的教學(xué)實(shí)踐,我們把EDA技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué),采用EWB仿真實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)形成互補(bǔ),以解決上述問(wèn)題。即在課堂教學(xué)中,結(jié)合教學(xué)內(nèi)容,運(yùn)用EDA技術(shù)對(duì)這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真,動(dòng)態(tài)配合課堂教學(xué)和做虛擬數(shù)字電路實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生感到如同置身于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境中安裝調(diào)試一樣,形象逼真,讓學(xué)生在不知不覺中學(xué)習(xí),同時(shí)可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)儀器、元件少的不足以及避免儀器、元器件的損壞,還可以避免因?qū)嶒?yàn)儀器、元件不足以及儀器、元器件的損壞因素造成實(shí)驗(yàn)失敗給學(xué)生帶來(lái)挫折感,保證實(shí)驗(yàn)?zāi)茉诙虝r(shí)間內(nèi)成功演示或驗(yàn)證。為了加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際實(shí)踐能力,開設(shè)了全天開放的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室,學(xué)生可以利用課余時(shí)間結(jié)合硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和EWB虛擬電子實(shí)驗(yàn)臺(tái)等親自完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)等,有些學(xué)生還結(jié)合全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽,進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制作。此舉既提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)手能力,又可以為大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培養(yǎng)優(yōu)秀人才。
四、注重課程設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)
電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是數(shù)字電子技術(shù)理論教學(xué)完成后進(jìn)行的一次綜合性訓(xùn)練,以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)、獨(dú)立設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品和對(duì)電子產(chǎn)品實(shí)際安裝、調(diào)試的能力。學(xué)生經(jīng)過(guò)本課程的理論學(xué)習(xí)和技能實(shí)踐后,對(duì)于一些中、小規(guī)模集成電路的工作原理、邏輯功能、使用方法、等基礎(chǔ)知識(shí)已有一定的理解,掌握了電路的基本分析方法和基本設(shè)計(jì)方法,具備了一定的動(dòng)手能力,在期末便可結(jié)合專業(yè)發(fā)展實(shí)際、現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件和電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽等,有針對(duì)性地進(jìn)行相應(yīng)課程設(shè)計(jì)。課程設(shè)計(jì)內(nèi)容由指導(dǎo)教師根據(jù)難易分成不同的課題,也可以讓學(xué)生自行選題,由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的掌握情況指定由學(xué)習(xí)較好的學(xué)生擔(dān)任課題負(fù)責(zé)人,其它學(xué)生可根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇加入,指導(dǎo)教師要對(duì)課題組成員做宏觀調(diào)配,一般同一小組中應(yīng)該有不同層次的學(xué)生,以達(dá)到優(yōu)秀的學(xué)生帶動(dòng)較差的學(xué)生共同進(jìn)步的目標(biāo)。
在課程設(shè)計(jì)中,在確定設(shè)計(jì)方案、電路邏輯功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、主要參數(shù)和芯片等元器件的選擇、電路仿真、安裝調(diào)試、故障排除等,遇到問(wèn)題時(shí),除了本組成員之間相互討論外,各小組之間也可以參與其中,相互交流,指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)審查,作好啟發(fā)、引導(dǎo)工作并幫助學(xué)生解決疑難問(wèn)題。對(duì)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較差的學(xué)生,加強(qiáng)輔導(dǎo)與檢查;對(duì)學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生,適當(dāng)提高要求,結(jié)合工程實(shí)際,增大設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新性,以充分挖掘?qū)W生的潛力,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。
通過(guò)開展課程設(shè)計(jì),全面培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)作風(fēng)、實(shí)驗(yàn)技能以及綜合分析、發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力,使學(xué)生具有創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)精神和實(shí)踐能力,促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展。
五、開展多樣化教學(xué),繼續(xù)提高教學(xué)質(zhì)量
可以開展諸如項(xiàng)目課程,該教學(xué)過(guò)程需要不斷地變換教學(xué)組織形式,比如完成工作任務(wù)時(shí)需要采用小組形式,集體講授時(shí)需要采用班級(jí)形式,討論問(wèn)題時(shí)又需要采用小組形式。在實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)時(shí),相當(dāng)多的需要模擬企業(yè)組織活動(dòng)結(jié)構(gòu),讓學(xué)習(xí)者“身臨其境”。為了適應(yīng)這種不斷變化的教學(xué)組織形式的要求,學(xué)校的教學(xué)場(chǎng)所,包括課堂桌椅都要做相應(yīng)變化。
項(xiàng)目化教學(xué)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、自我探究、自主學(xué)習(xí)和口頭表達(dá)等能力得到很好的發(fā)展,并形成了良好學(xué)習(xí)品質(zhì)。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中互相幫助,加強(qiáng)了團(tuán)結(jié)合作意識(shí),增進(jìn)了同學(xué)間的相互了解。這樣既學(xué)到了知識(shí),提高了學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力得到很好的培養(yǎng)和鍛煉,還增強(qiáng)了探索創(chuàng)新精神。
最后,數(shù)字電子技術(shù)課程的電子課程標(biāo)準(zhǔn)、電子教案、多媒體課件都放在校園網(wǎng)上,學(xué)生能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自主學(xué)習(xí),我們還通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)向?qū)W生提供各種試題庫(kù)和單元測(cè)試資源,給學(xué)生布置作業(yè),進(jìn)行網(wǎng)上作業(yè)的批閱、網(wǎng)上教學(xué)答疑,師生互評(píng)等教學(xué)活動(dòng),有效延伸學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間。這種學(xué)習(xí)模式充分發(fā)揮信息網(wǎng)絡(luò)的開放性、交互性、共享性、超媒體、大容量等優(yōu)勢(shì),國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要也提出要強(qiáng)化信息技術(shù)的應(yīng)用,鼓勵(lì)學(xué)生利用信息手段主動(dòng)學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí),增強(qiáng)運(yùn)用信息技術(shù)分析解決問(wèn)題能力。
關(guān)鍵詞:數(shù)字新媒體;視覺傳達(dá)設(shè)計(jì);教學(xué)方法;革新探索
1 傳統(tǒng)視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)教學(xué)方法存在的問(wèn)題
數(shù)字新媒體時(shí)代對(duì)視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的技術(shù)要求更高,需要學(xué)生更好地掌握新媒體時(shí)代的新的設(shè)計(jì)方法與技術(shù)。同時(shí),要求學(xué)生能將創(chuàng)新性思維更好地融入設(shè)計(jì)過(guò)程中去,這對(duì)傳統(tǒng)的程序性視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)教學(xué)方法提出了挑戰(zhàn),傳統(tǒng)視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)教學(xué)方法不再適應(yīng)新的教學(xué)要求。
1.1 教學(xué)方法相對(duì)傳統(tǒng)落后
數(shù)字新媒體對(duì)視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)的技術(shù)性要求更高,要求學(xué)生掌握數(shù)字環(huán)境下的多種實(shí)用技術(shù)。然而傳統(tǒng)以講授法為主的視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)課堂教學(xué)缺乏形式創(chuàng)新與必要的情境教學(xué),課堂教學(xué)往往以教師講授的單一形式進(jìn)行,學(xué)生很難在枯燥的講述過(guò)程中對(duì)視覺傳達(dá)技術(shù)與理念形成直觀而深刻的印象。并且,教學(xué)方法不能體現(xiàn)現(xiàn)代數(shù)字媒體技術(shù)的應(yīng)用性特征,理論教學(xué)與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié),學(xué)生缺乏必要的動(dòng)手操作機(jī)會(huì),理論教學(xué)時(shí)學(xué)生沒(méi)有實(shí)踐機(jī)會(huì),實(shí)踐教學(xué)時(shí)又缺乏必要的理論指導(dǎo),久而久之會(huì)使學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。
1.2 教學(xué)方法更新較慢
根據(jù)數(shù)字新媒體時(shí)代的背景,有效更新教學(xué)方法是對(duì)視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)教學(xué)的必然要求。由于我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)形成的重理論、輕實(shí)踐的教學(xué)背景,當(dāng)實(shí)踐教學(xué)的要求越來(lái)越高時(shí),教師往往表現(xiàn)出對(duì)現(xiàn)實(shí)束手無(wú)策的狀態(tài)。首先,教師不能有效地學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外先進(jìn)的教學(xué)方法;其次,教師不能根據(jù)具體教學(xué)問(wèn)題對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行必要的創(chuàng)新和改進(jìn);最后,數(shù)字新媒體對(duì)視覺傳達(dá)教學(xué)形成的巨大沖擊,使不少教師盲目照搬國(guó)外的教學(xué)方法,完全摒棄了傳統(tǒng)教學(xué)方法的精華,這種做法也是不可取的。
2 數(shù)字新媒體時(shí)代對(duì)教學(xué)方法的要求
數(shù)字新媒體不僅給視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)帶來(lái)了技術(shù)革新,而且要求培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。可以說(shuō),創(chuàng)新是數(shù)字新媒體時(shí)代對(duì)視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)教學(xué)的基本要求。教師應(yīng)當(dāng)在更廣闊的領(lǐng)域重新審視視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)的教學(xué)方法,使新的知識(shí)以更加有效的形式傳授給學(xué)生,使視覺傳達(dá)教學(xué)具有創(chuàng)新性、實(shí)效性和功能性。
2.1 注重教學(xué)方法與虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)接
數(shù)字新媒體最大的特征是以虛擬現(xiàn)實(shí)為背景,在主流媒體上實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)藝術(shù)形式的新運(yùn)用。因此,在教學(xué)方法的運(yùn)用上也應(yīng)當(dāng)以促進(jìn)學(xué)生掌握數(shù)字新媒體時(shí)代的新技術(shù)為目的,從而使學(xué)生獲得更好的運(yùn)用新技術(shù)的能力。實(shí)現(xiàn)教學(xué)方法與虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)接,應(yīng)當(dāng)以更直觀的形式將數(shù)字新媒體的特點(diǎn)介紹給學(xué)生,切實(shí)豐富教學(xué)手段與方式,從而使學(xué)生更好地接受教學(xué)內(nèi)容。
2.2 注重教學(xué)形式上的跨界創(chuàng)新
數(shù)字新媒體時(shí)代使視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)更具娛樂(lè)性和交互性特征,學(xué)生為了獲得更多的靈感以及創(chuàng)新的空間,需要進(jìn)一步關(guān)注電影、舞蹈以及材料等各個(gè)領(lǐng)域的內(nèi)容,從而形成獨(dú)特的表現(xiàn)風(fēng)格。以往單純培養(yǎng)學(xué)生信息傳遞能力的教學(xué)方法正在向多學(xué)科的跨界教學(xué)方式方法轉(zhuǎn)變。其要求視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)教學(xué)方法能有效吸收其他學(xué)科的優(yōu)秀和典型方法,能打破教學(xué)形式上的限制,有效運(yùn)用多種教學(xué)手段將媒介、影像、材料等多種形式融入視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)當(dāng)中,從而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行新表達(dá)。
2.3 充分發(fā)揮教學(xué)方法的引領(lǐng)作用
教學(xué)方法的作用不只在于使學(xué)生掌握數(shù)字新媒體時(shí)代的視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)技術(shù)手段,更在于為學(xué)生樹立正確的視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)觀念,從而使學(xué)生能站在更宏觀的層次有效把握視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)的高度。首先,視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)的教學(xué)方法應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)出整合性特征,能吸收多種有效的教學(xué)方法。其次,應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新思維的作用,能夠?qū)W(xué)生有積極的啟發(fā)性作用。最后,具有引領(lǐng)性特征,能引導(dǎo)學(xué)生以嶄新的思維方式來(lái)重新審視視覺傳達(dá)設(shè)計(jì),使視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)與生活緊密相連,從而合理地反映人的理想生活狀態(tài)。
3 數(shù)字新媒體時(shí)代教學(xué)方法的新策略
新媒體時(shí)代對(duì)傳統(tǒng)的視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)手段進(jìn)行了顛覆性的創(chuàng)新,跨界融合成為數(shù)字新媒體時(shí)代視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)學(xué)科的基本特征。為了使學(xué)生適應(yīng)數(shù)字新媒體時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì),在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)將這些變革以新的教學(xué)法予以體現(xiàn)。
3.1 項(xiàng)目教學(xué)法的廣泛應(yīng)用
使視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)圍繞具體的項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué),不僅可以使教學(xué)過(guò)程更有針對(duì)性,而且可以極大地提升學(xué)生的動(dòng)手操作能力和實(shí)現(xiàn)情景模擬教學(xué)。項(xiàng)目教學(xué)法是最有效的視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)教學(xué)形式。首先,充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)與鼓勵(lì)作用,使學(xué)生積極主動(dòng)地參與到教學(xué)活動(dòng)中,學(xué)生是課堂設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)的主人,學(xué)習(xí)的重點(diǎn)由此過(guò)渡到學(xué)生掌握知識(shí)上來(lái)。其次,為學(xué)生設(shè)定工作任務(wù)。學(xué)生需要圍繞任務(wù)進(jìn)行深入的研究,從而引導(dǎo)學(xué)生積極地進(jìn)行討論。最后,可以圍繞典型設(shè)計(jì)案例進(jìn)行充分點(diǎn)評(píng),使學(xué)生進(jìn)行必要的總結(jié)反思,更好地整合學(xué)生的技術(shù)能力與理論知識(shí)。為了有效促進(jìn)項(xiàng)目教學(xué)形式創(chuàng)新,應(yīng)當(dāng)為學(xué)生選擇合適的項(xiàng)目,從而達(dá)到更好的效果。
3.2 體驗(yàn)式教學(xué)的逐步推廣
將視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)課堂教學(xué)與學(xué)生的體驗(yàn)式活動(dòng)有效結(jié)合,是提升視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)教學(xué)效果的有效途徑。首先,教師可以根據(jù)學(xué)生的不同專業(yè)發(fā)展需要和能力水平,為學(xué)生創(chuàng)設(shè)不同的情境體驗(yàn)式教學(xué)活動(dòng),從而讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中感受視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)活動(dòng)的意義與方法。其次,促進(jìn)學(xué)生以小組合作探究式的模式進(jìn)行學(xué)習(xí),使學(xué)生在具體任務(wù)的指導(dǎo)下,能在同學(xué)的合作與交流中完成作品的設(shè)計(jì),從而感受到視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)的樂(lè)趣,使學(xué)生獲得設(shè)計(jì)成就感的同時(shí),培養(yǎng)起必要的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。最后,實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵在于教師提綱挈領(lǐng)的指導(dǎo),在于教師對(duì)學(xué)生關(guān)鍵時(shí)刻的必要點(diǎn)撥,這樣才能使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)密切結(jié)合理論,達(dá)到鍛煉的目的。
3.3 個(gè)性化教學(xué)的鮮明特征
視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)教學(xué)是建立在學(xué)生已有知識(shí)結(jié)構(gòu)與能力水平基礎(chǔ)上的教學(xué),課堂教學(xué)方法的選用不僅要有助于講授設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法,還要與學(xué)生的原有知識(shí)結(jié)構(gòu)和個(gè)性特征相對(duì)接,櫬吮匭朧褂梅合個(gè)性教學(xué)特征的教學(xué)方法。首先,要圍繞學(xué)生的個(gè)性特征與心理需求選用學(xué)生可以接受的教學(xué)樣式,使教學(xué)內(nèi)容更加直觀有效地展現(xiàn)出來(lái)。其次,教學(xué)方法要有助于促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新性思維的發(fā)展。應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)前的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)時(shí)代背景,結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行多種形式的教學(xué)嘗試,從而有效降低教學(xué)成本,提高教學(xué)效率。最后,注重激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與積極性,強(qiáng)調(diào)為學(xué)生設(shè)定寬泛的要求,讓學(xué)生有空間充分彰顯自己的設(shè)計(jì)思維與設(shè)計(jì)理念;重點(diǎn)提倡形成個(gè)人的設(shè)計(jì)風(fēng)格與設(shè)計(jì)思路,從而使學(xué)生敢于發(fā)揮自己的想象力與創(chuàng)新能力,有利于開闊學(xué)生視野。
4 結(jié)語(yǔ)
教學(xué)方法是否有效不僅決定了視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量的高低,而且決定了學(xué)生是否能適應(yīng)新媒體時(shí)代對(duì)視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)提出的新要求。培養(yǎng)綜合型的應(yīng)用人才需要改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)方法,不斷根據(jù)新的內(nèi)容創(chuàng)新教學(xué)形式,能夠有效提高視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量,滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。
參考文獻(xiàn):
關(guān)鍵詞:數(shù)字圖像處理;融合專業(yè)背景
中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2015)06-0158-02
Discussion and Practice of the Teaching Method of Digital Image Processing, Which is Integrated with Professional
ZHENG Jing,WANG Teng
(Yangtze University College of Arts and Sciences,Jingzhou, 434020,China )
Abstract: digital image processing, as a comprehensive subject, is widely used in many fields. The discipline involved in the knowledge of many, than the undergraduate teaching in other science and engineering disciplines involved in the knowledge of more than. How to make the teaching of digital image processing more fit to the actual knowledge of different professional students and future employment needs, it is particularly urgent. Teaching practice shows that combined with the students' professional background of teaching methods to teach students in accordance with their aptitude, improve the students' interest in learning, find link with other disciplines, more specific learning goals, to further stimulate the students' learning motivation.
Key words: digital image processing; fusion professional background
1 概述
《數(shù)字圖像處理》是一門理論和實(shí)踐相結(jié)合的綜合性專業(yè)課程。當(dāng)前,本科階段的《數(shù)字圖像處理》課程大多在電信、控制和通信、計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)作為專業(yè)核心課程開設(shè),也是很多專業(yè)的選修課程。其教學(xué)大多以理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的形式進(jìn)行。
其中理論教學(xué)大多采用講授基礎(chǔ)理論、分析原理的方式,使學(xué)生對(duì)本學(xué)科的通用理論和基本算法有所了解。實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是對(duì)經(jīng)典算法和常用的成熟算法的編程實(shí)踐,使學(xué)生具有應(yīng)用的能力,同時(shí)還要培養(yǎng)學(xué)生面向?qū)嶋H應(yīng)用,設(shè)計(jì)解決方法的能力。
2 現(xiàn)狀分析
傳統(tǒng)的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容均過(guò)于刻板,不但無(wú)法適應(yīng)圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展和技術(shù)實(shí)現(xiàn)上五花八門的圖像處理問(wèn)題,其形式也過(guò)于刻板,不利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng),對(duì)學(xué)生未來(lái)的就業(yè)、工作、學(xué)習(xí)也沒(méi)有很大的實(shí)際意義,即使學(xué)生將來(lái)從事相關(guān)工作,也需要很長(zhǎng)一段時(shí)間來(lái)適應(yīng)現(xiàn)實(shí)工作的需求。
理論教學(xué)長(zhǎng)期以來(lái)采用講授方式,教師按照原理分析、算法推導(dǎo)、處理效果分析等順序按部就班地進(jìn)行講述,學(xué)生可以掌握基本的原理和算法,但面對(duì)現(xiàn)實(shí)中復(fù)雜多變的應(yīng)用需求,往往需要多種算法相結(jié)合或?qū)σ延兴惴ǖ母倪M(jìn)才能解決問(wèn)題。而習(xí)慣了單一講授模式的學(xué)生,在面對(duì)這些實(shí)際問(wèn)題時(shí),缺乏分析問(wèn)題、設(shè)計(jì)解決方案、多角度解決問(wèn)題的能力。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)也存在內(nèi)容和模式單一化的問(wèn)題,大多由教師提出實(shí)驗(yàn)要求,設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)步驟,甚至提供示例代碼,而學(xué)生要做的工作則過(guò)于簡(jiǎn)單,因此,學(xué)生沒(méi)有機(jī)會(huì)去思考、研究問(wèn)題的解決方案,沒(méi)有將學(xué)到的基本理論和算法融入實(shí)際問(wèn)題,而只是將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)作為加強(qiáng)理論教學(xué)效果的一個(gè)工具。
隨著人工智能技術(shù)的快速普及和應(yīng)用,數(shù)字圖像處理中的大多數(shù)算法都是為人工智能和機(jī)器識(shí)別做圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)的工作,除此之外,是諸如遙感圖像的處理、醫(yī)學(xué)圖像的處理等。這與相關(guān)專業(yè)學(xué)生的其他課程的目標(biāo)截然不同,也正是數(shù)字圖像處理課程的特殊性,使很多學(xué)生,在學(xué)習(xí)該課程之初,就沒(méi)有將課程與未來(lái)的就業(yè)相聯(lián)系,認(rèn)為該課程算法理論較多,內(nèi)容艱澀難懂,從事相關(guān)工作的門檻較高,且與以后的工作沒(méi)有相關(guān)性。因此,很多學(xué)生認(rèn)為此門課程是脫離實(shí)際的一門課程,也就不會(huì)投入過(guò)多的精力去學(xué)習(xí)它。
另外,在數(shù)字圖像處理課程的理論講授中,很多時(shí)候不可避免地會(huì)涉及數(shù)學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、信號(hào)處理甚至醫(yī)學(xué)等專業(yè)的相關(guān)知識(shí),而現(xiàn)實(shí)的狀況通常是,理工科學(xué)生對(duì)于心理學(xué)、生理學(xué)、數(shù)學(xué)等知識(shí)的儲(chǔ)備是不夠的,且理工科中,由于所在專業(yè)不同,學(xué)生的背景知識(shí)也不同。例如,計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生有較強(qiáng)就編程和算法的實(shí)現(xiàn)能力,但是對(duì)于信號(hào)和時(shí)頻變換的相關(guān)知識(shí)相對(duì)就比較欠缺,所以,對(duì)于算法的理解有時(shí)會(huì)存在一定障礙;電信專業(yè)的學(xué)生對(duì)于數(shù)字化過(guò)程、信號(hào)處理和時(shí)頻變換相關(guān)知識(shí)的掌握較好,但是缺乏較好的編程和實(shí)現(xiàn)能力,雖然能夠較好地理解算法,但瓶頸往往在于算法的實(shí)現(xiàn)。
如果在教學(xué)中,能夠根據(jù)學(xué)生專業(yè)背景知識(shí)的差異性,采用與專業(yè)背景相融合的教學(xué)方法,摒棄單一化的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式,因材施教,針對(duì)不同專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)不同的理論和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,就能夠更加充分地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生更加明確數(shù)字圖像處理課程與本學(xué)科的聯(lián)系,也能夠?yàn)閷W(xué)生未來(lái)的工作和進(jìn)一步的學(xué)習(xí)深造提供幫助。
3 在理論教學(xué)中如何實(shí)踐
與專業(yè)背景相融合的教學(xué)方法,在理論教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)踐上,具體過(guò)程和內(nèi)容如下。
理論教學(xué)在講授基礎(chǔ)知識(shí)、原理分析、推導(dǎo)算法、分析算法效果的基礎(chǔ)上,因材施教,為不同專業(yè)設(shè)計(jì)適合本專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的內(nèi)容,并將這些內(nèi)容融入到基礎(chǔ)知識(shí)、基本算法原理等的講授中。在理論教學(xué)中,每次講授完一個(gè)算法原理和該算法的基本常用應(yīng)用后,再在此基礎(chǔ)上,提出新的具體問(wèn)題,讓學(xué)生思考怎樣利用已有的多種算法的結(jié)合或改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)新的問(wèn)題。
在理論教學(xué)中,將時(shí)間劃分為幾個(gè)模塊,分別有講授、討論、思考等。在內(nèi)容的設(shè)置上,完成教材內(nèi)容的同時(shí),融合專業(yè)特點(diǎn),對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行加工處理,并擴(kuò)充和設(shè)計(jì)不同的內(nèi)容進(jìn)行講授、討論和課后研究。
在對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生進(jìn)行理論教學(xué)時(shí),將計(jì)算機(jī)專業(yè)不具備的信號(hào)相關(guān)知識(shí)和時(shí)頻變換相關(guān)知識(shí),盡量深入淺出,精簡(jiǎn)至該專業(yè)的學(xué)生能夠理解的程度,再結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)擅長(zhǎng)編程和代碼實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),多將算法與代碼相結(jié)合,在算法的表述上,可以使用某種學(xué)生已學(xué)過(guò)的編程語(yǔ)言來(lái)表述,并通過(guò)代碼分析算法流程和算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度問(wèn)題,進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化算法,減小算法的時(shí)間和空間復(fù)雜度。在講授基礎(chǔ)內(nèi)容和算法后,提出一個(gè)本次課算法相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用示例,進(jìn)行算法分析并組織學(xué)生討論算法是否有優(yōu)化的可能性和方法。最后,提出一個(gè)研究性問(wèn)題供學(xué)生課后思考和上機(jī)實(shí)現(xiàn),學(xué)生可以利用課后時(shí)間查閱相關(guān)參考資料,提出初步解決方案,設(shè)計(jì)問(wèn)題的詳細(xì)解決方案,進(jìn)而實(shí)現(xiàn),并可在實(shí)驗(yàn)課時(shí)間進(jìn)行測(cè)試和討論。
在對(duì)電信專業(yè)學(xué)生進(jìn)行理論教學(xué)時(shí),則要結(jié)合該專業(yè)的先修課程已講授的內(nèi)容,適當(dāng)調(diào)整教材中各部分內(nèi)容的處理方式和時(shí)間分配。在講授內(nèi)容的設(shè)計(jì)中,對(duì)于其他課程中已講授過(guò)的知識(shí)點(diǎn),例如,時(shí)頻變換部分的變換公式及快速算法的原理分析等,不再進(jìn)行詳細(xì)講解,做簡(jiǎn)單回顧即可。數(shù)字圖像處理中的很多概念、術(shù)語(yǔ)及算法,都與數(shù)字信號(hào)學(xué)科中的相關(guān)概念、術(shù)語(yǔ)和算法相類似,且數(shù)字圖像可以看成是特殊的一種二維信號(hào),進(jìn)而可以分解為一維信號(hào)。在講授相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí),可以跟數(shù)字信號(hào)處理中的相關(guān)內(nèi)容相關(guān)聯(lián),使學(xué)生更加容易理解數(shù)字圖像處理領(lǐng)域中算法的設(shè)計(jì)緣由和原理。但是,對(duì)于算法的實(shí)現(xiàn)方面,針對(duì)電信專業(yè)學(xué)生的欠缺,降低算法實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)的難度。在進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)的展示時(shí),采用仿真腳本來(lái)代替源代碼對(duì)程序進(jìn)行書寫,并根據(jù)仿真腳本的運(yùn)行效果,來(lái)調(diào)整算法的相應(yīng)參數(shù)設(shè)置,使學(xué)生掌握用仿真軟件描述算法、調(diào)試腳本以及觀察對(duì)比運(yùn)行效果等。相應(yīng)地,給電信專業(yè)學(xué)生分析討論的開發(fā)示例也采用仿真語(yǔ)言描述,用于思考和課后解決的研究性問(wèn)題,也要求學(xué)生用仿真軟件實(shí)現(xiàn)即可。
在理論教學(xué)中,要始終貫徹開放思維的重要性,強(qiáng)調(diào)算法的靈活性和開放性,啟發(fā)學(xué)生如何改進(jìn)算法,如何融合不同算法的優(yōu)點(diǎn),如何設(shè)計(jì)新算法。通過(guò)融合專業(yè)應(yīng)用、開放性教學(xué)和思維方式,讓學(xué)生不僅能夠掌握已有算法知識(shí),還知道怎樣利用已有知識(shí)解決新問(wèn)題。
4 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)如何實(shí)踐
與專業(yè)背景相融合的教學(xué)方法,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)踐上,具體過(guò)程和內(nèi)容如下。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,首先要解決實(shí)現(xiàn)算法的工具及平臺(tái)的問(wèn)題。在工具和平臺(tái)的選擇上,也要融合專業(yè)特點(diǎn),根據(jù)不同專業(yè)的知識(shí)背景選擇不同的工具來(lái)實(shí)現(xiàn)算法。
對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè),選擇學(xué)生學(xué)過(guò)的高級(jí)語(yǔ)言以及使用過(guò)的開發(fā)工具和平臺(tái)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),例如C語(yǔ)言、C#或JAVA等。因?yàn)楸菊n程要求能夠較快地實(shí)現(xiàn)算法及算法的結(jié)合和改進(jìn),更會(huì)要求解決新的應(yīng)用型問(wèn)題,這樣,就需要熟練的代碼編寫能力,所以不適合采用新的語(yǔ)言和開發(fā)工具。
對(duì)電信專業(yè),首先排除仿真軟件以外的其他高級(jí)軟件及其配套的開發(fā)平臺(tái),因?yàn)榇蠖鄶?shù)的學(xué)生,并不具備除C語(yǔ)言外的其他語(yǔ)言的代碼編寫能力,如果選擇某一種高級(jí)語(yǔ)言來(lái)做實(shí)驗(yàn)的話,學(xué)生需要將較長(zhǎng)的時(shí)間花費(fèi)在語(yǔ)言和開發(fā)工具的掌握上。所以,與電信專業(yè)其他課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相匹配,由于學(xué)生已經(jīng)掌握了多種仿真工具,本門課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)采用仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),例如MATLAB等仿真軟件。
鑒于不同專業(yè)的背景知識(shí)和優(yōu)勢(shì)不同,在實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和內(nèi)容的設(shè)置上,也應(yīng)有所區(qū)別。
計(jì)算機(jī)專業(yè)善于編程、實(shí)現(xiàn)算法,但對(duì)于部分算法,如時(shí)頻變換、采樣量化等算法的原理掌握不深,所以在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置上,盡量偏向于空域數(shù)字圖像處理算法的實(shí)現(xiàn),較少涉及頻域。
電信專業(yè)則相反,雖然不擅長(zhǎng)編程和實(shí)現(xiàn),但由于仿真腳本的編寫較源代碼要簡(jiǎn)單得多,所以,可以在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置上,適當(dāng)提高難度,對(duì)于常用算法,重點(diǎn)掌握這些算法在實(shí)際問(wèn)題中的用法,而不是實(shí)現(xiàn)算法流程本身。
對(duì)于研究性課題的設(shè)置也相應(yīng)地融合專業(yè)特點(diǎn),設(shè)置不同難度和領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題,供學(xué)生自我學(xué)習(xí)和討論。
實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)采用開放式的教學(xué)方式,進(jìn)行研究性教學(xué),不是簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟給學(xué)生,而是在此基礎(chǔ)上,提出更高的要求,讓學(xué)生參與進(jìn)來(lái),共同解決問(wèn)題,提高學(xué)生參與度,鍛煉學(xué)生用已有背景知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。
5 在融合專業(yè)的教學(xué)方法的實(shí)踐中,教師的作用如何發(fā)揮
首先,教師應(yīng)堅(jiān)持自我學(xué)習(xí),不斷更新知識(shí)儲(chǔ)備,適時(shí)更換教材、擴(kuò)充知識(shí)點(diǎn);其次,應(yīng)向?qū)W生提供完整的教學(xué)資料,包括教學(xué)演示文稿、源代碼、腳本等,還應(yīng)督促學(xué)生課后自己查閱相關(guān)文獻(xiàn);最后,轉(zhuǎn)變教育觀念,貫徹開放式的教學(xué)方式,注重啟發(fā)性教學(xué),并增加開放性教學(xué)環(huán)節(jié),讓學(xué)生充分參與到理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來(lái)。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文結(jié)合自身多年教學(xué)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),通過(guò)對(duì)不同專業(yè)具體知識(shí)背景和特點(diǎn)的分析,提出在教學(xué)中,應(yīng)充分考慮學(xué)生自身因素,融合專業(yè)特點(diǎn),為不同專業(yè)設(shè)計(jì)不同的教學(xué)內(nèi)容和方法。經(jīng)初步嘗試取得了較好的效果。該教學(xué)方法適合數(shù)字圖像處理課程在不同專業(yè)的教學(xué),因此開展比較順利。但實(shí)施中也遇到了一些困難,比如,教學(xué)學(xué)時(shí)的問(wèn)題,教材選擇的問(wèn)題等。因此,在該教學(xué)方法的具體實(shí)施上,要解決的問(wèn)題還很多。
參考文獻(xiàn):
1.啟發(fā)式教學(xué)的教案設(shè)計(jì)
啟發(fā)式教學(xué)方案的設(shè)計(jì)包括案例選擇、案例分析、背景知識(shí)復(fù)習(xí)與新知識(shí)引入、新知識(shí)學(xué)習(xí)、案例解決方案以及案例引申等內(nèi)容。案例選擇應(yīng)圍繞新知識(shí)點(diǎn)展開,盡可能選擇貼合實(shí)際應(yīng)用的科研實(shí)際案例,案例應(yīng)該有代表性,能體現(xiàn)新知識(shí)的應(yīng)用。新知識(shí)的引入與介紹應(yīng)該簡(jiǎn)明清晰、通俗易懂,并以結(jié)論的學(xué)習(xí)和應(yīng)用為重。在啟發(fā)式教學(xué)中,引入圖形輔助講解,用形象、直觀的方式,能幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解[3]。所以在設(shè)計(jì)教案、特別是制作多媒體課件時(shí),應(yīng)盡量用圖形和動(dòng)畫描述問(wèn)題、分析問(wèn)題并得到結(jié)論。MATLAB是集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算及出色的圖形處理、程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)等強(qiáng)大功能于一體的數(shù)學(xué)仿真軟件,具備高效、用圖像和動(dòng)畫演示結(jié)果、動(dòng)態(tài)仿真等特點(diǎn)[4],故案例的分析與解決利用MAT-LAB編程實(shí)現(xiàn)。在學(xué)習(xí)的最后,最好設(shè)計(jì)案例引申教學(xué)內(nèi)容,提出一個(gè)類似的案例,以課題練習(xí)、作業(yè)或思考題的形式布置給學(xué)生,讓學(xué)生鞏固新知識(shí),增強(qiáng)新知識(shí)的應(yīng)用能力。
2.啟發(fā)式教學(xué)的教案實(shí)施細(xì)則
教學(xué)方案的實(shí)施包括問(wèn)題引入、問(wèn)題分析、問(wèn)題解決和問(wèn)題引申等幾個(gè)步驟。問(wèn)題引入環(huán)節(jié)除了提出實(shí)際問(wèn)題外,還可以在同學(xué)中展開討論,讓同學(xué)們各抒己見,探尋問(wèn)題的解決方案;問(wèn)題分析環(huán)節(jié)圍繞實(shí)際案例,在復(fù)習(xí)已學(xué)知識(shí)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,引入新知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí);問(wèn)題解決環(huán)節(jié)則應(yīng)用新學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)解決實(shí)際案例,注意實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和討論;問(wèn)題引申環(huán)節(jié)主要目的是鞏固所學(xué)習(xí)的新知識(shí)點(diǎn),通過(guò)練習(xí)和提問(wèn)的方式,進(jìn)一步增強(qiáng)新知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用能力。
二、啟發(fā)式教學(xué)方法實(shí)施案例及分析
數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)是數(shù)字信號(hào)處理課程的重要內(nèi)容,該部分授課內(nèi)容具有如下特點(diǎn):內(nèi)容抽象、豐富且密切聯(lián)系實(shí)踐[5]。本文以數(shù)字信號(hào)處理課程FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中的頻域采樣設(shè)計(jì)法為例,詳細(xì)闡述啟發(fā)式教學(xué)方法的具體實(shí)施辦法。
1.問(wèn)題的提出
頻域采樣法是FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中的一種常用的方法,其設(shè)計(jì)思路清晰易懂,但由于要保證所設(shè)計(jì)的FIR數(shù)字濾波器具有線性相位,所以就必須在設(shè)計(jì)過(guò)程中遵循線性相位的約束條件,不少同學(xué)在學(xué)習(xí)此部分內(nèi)容時(shí)會(huì)感覺很吃力,特別是頻域采樣點(diǎn)的選擇上會(huì)琢磨不定。啟發(fā)式教學(xué)方案首先選擇一個(gè)實(shí)際案例作為研究對(duì)象。為了能做到理論學(xué)習(xí)的深入簡(jiǎn)出,所選擇的案例不易過(guò)于復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)了一段含噪音頻信號(hào),并提出用頻域采樣法設(shè)計(jì)一個(gè)FIR數(shù)字濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波,基本還原出音頻信號(hào)原來(lái)的樣貌的案例。含噪音頻信號(hào)由教師自行設(shè)計(jì),加入噪聲的類型、幅度以及頻率都是可以調(diào)整的。案例提出后,應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生分析輸入信號(hào)的特征,除了聽含噪音頻信號(hào)外,還應(yīng)觀察其時(shí)域波形圖和頻譜圖,較全面地了解輸入信號(hào)的含噪情況,探尋下一步濾波方法。
2.問(wèn)題的分析與解決
從信號(hào)頻譜圖可以看出,所加入的噪聲頻率基本在高頻區(qū)域,如圖1所示。此時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生從設(shè)計(jì)數(shù)字低通濾波器出發(fā),各抒己見,討論已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的濾波方法在此問(wèn)題上的解決思路。然后,引入即將學(xué)習(xí)的頻域采樣的基本概念,啟發(fā)學(xué)生用頻域采樣法直接設(shè)計(jì)具有線性相位的濾波器頻響函數(shù),達(dá)到濾波的目的。在實(shí)現(xiàn)頻域采樣法設(shè)計(jì)濾波器設(shè)計(jì)之前,應(yīng)該復(fù)習(xí)FIR濾波器線性相位約束條件的相關(guān)知識(shí)。復(fù)習(xí)部分的內(nèi)容以表格總結(jié)形式描述為宜,篇幅不宜過(guò)長(zhǎng)。為保證頻域采樣后的FIR數(shù)字濾波器具有線性相位,在頻域采樣時(shí)必須嚴(yán)格按照線性相位的約束條件進(jìn)行。在此實(shí)際案例中,可以用圖示并配以動(dòng)畫的方式進(jìn)行濾波器幅頻響應(yīng)采樣點(diǎn)選擇的講解。采樣點(diǎn)數(shù)選擇21點(diǎn),頻域采樣時(shí)保證幅度響應(yīng)采樣后為偶函數(shù),從而使濾波器具有一類線性相位。用采樣得到的數(shù)字濾波器對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行濾波,分析濾波結(jié)果并進(jìn)行算法的進(jìn)一步改進(jìn)。通過(guò)分析理濾波器的幅頻響應(yīng)可知,濾波器的濾波效果并不是十分理想。此時(shí),可以引出頻域采樣法的逼近誤差和算法改進(jìn)措施的理論知識(shí)學(xué)習(xí),得出在頻響的過(guò)渡帶增加采樣點(diǎn)即可改善濾波效果的結(jié)論。為了驗(yàn)證結(jié)論的效果,分別選擇在過(guò)度帶增加1點(diǎn)和2點(diǎn)采樣值,即總采樣點(diǎn)數(shù)為41點(diǎn)和61點(diǎn),并分析其濾波結(jié)果。通過(guò)實(shí)例分析可知,增加采樣點(diǎn)后,可以改善濾波器的濾波效果,基本達(dá)到還原原始音頻信號(hào)的目的。圖1所示為不同采樣點(diǎn)情況下,濾波器的幅頻響應(yīng)圖。為說(shuō)明頻域采樣及其濾波效果,濾波器的幅頻響應(yīng)以歸一化幅度值和分貝值兩種形式顯示給學(xué)生,實(shí)現(xiàn)更好的講述效果。
3.問(wèn)題的引申
頻域采樣法適用于各種選頻濾波器的設(shè)計(jì),為了鞏固所學(xué)習(xí)的新知識(shí),除了書上的習(xí)題外,還可以布置相關(guān)的拓展練習(xí)或思考題。教師可以自行設(shè)計(jì)一些含有不同頻段噪聲的音頻信號(hào),讓學(xué)生練習(xí)使用頻域采樣法進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì),并編寫程序?qū)崿F(xiàn)濾波效果。圖1.(a)采樣點(diǎn)N=21時(shí)的歸一化幅頻響應(yīng)圖,(b)采樣點(diǎn)N=41時(shí)的歸一化幅頻響應(yīng)圖,(c)采樣點(diǎn)N=61時(shí)的歸一化幅頻響應(yīng)圖,(d)采樣點(diǎn)N=21時(shí)的幅頻響應(yīng)分貝圖,(e)采樣點(diǎn)N=41時(shí)的幅頻響應(yīng)分貝圖,(f)采樣點(diǎn)N=61時(shí)的幅頻響應(yīng)分貝圖。
三、小結(jié)
關(guān)鍵詞:數(shù)字信號(hào)處理;教學(xué)方法;仿真實(shí)踐
中圖分類號(hào):TN911.72-4;G642
1 引言
隨著信息類科學(xué)和計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)字信號(hào)處理的理論與應(yīng)用得到飛躍式發(fā)展,數(shù)字信號(hào)處理課程也已經(jīng)成為高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)的必修課程[1]。但是“教的困難學(xué)得費(fèi)力”是這門課程普遍存在的問(wèn)題。數(shù)字信號(hào)處理先修課程有高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、信號(hào)與線性系統(tǒng)等,其教學(xué)特點(diǎn)是數(shù)學(xué)理論性強(qiáng),概念抽象,理論推導(dǎo)繁瑣,比如快速傅里葉變換算法復(fù)雜難度大及濾波器設(shè)計(jì)多樣性,學(xué)生在理解和掌握中有一定的難度。另外,學(xué)生基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的差異也給教學(xué)帶來(lái)了一定的困難。因此如何在有限學(xué)時(shí)內(nèi)將基本原理、基本概念與分析方法傳授給學(xué)生是需要探索的。如果方法不當(dāng),只是灌輸大量的具體知識(shí),學(xué)生死記硬背教材上的推導(dǎo)和公式,并未理解掌握教學(xué)內(nèi)容,考試時(shí)勉強(qiáng)應(yīng)付,從而對(duì)該課程失去興趣。為了提高教學(xué)質(zhì)量,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,筆者在近十年的教學(xué)實(shí)踐中,對(duì)教學(xué)內(nèi)容、課堂教學(xué)模式和方法不斷改進(jìn),摸索出一些便于學(xué)生理解和掌握的具體講法,提出啟發(fā)互動(dòng)與建模仿真實(shí)踐應(yīng)用在數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中,從教與學(xué)兩個(gè)角度對(duì)如何提高教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行研究。
2 教學(xué)改革方法和途徑
2.1 啟發(fā)互動(dòng)的課堂教學(xué)模式
傳統(tǒng)的教學(xué)是知識(shí)的“滿堂灌”。通常課堂教學(xué)中把教材作為學(xué)習(xí)的中心,教師講授引導(dǎo)進(jìn)行知識(shí)的傳授。這樣學(xué)生較少的參與到課堂教學(xué),學(xué)習(xí)缺乏熱情和主動(dòng)性,思維受到限制。要讓學(xué)生對(duì)課程有興趣,必須思考設(shè)計(jì)課堂教學(xué)方法,在教學(xué)中給出學(xué)生問(wèn)題或者引導(dǎo)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)“問(wèn)題”,以問(wèn)題為教學(xué)起點(diǎn),啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生自主探索,在課堂教學(xué)中老師直接講授和啟發(fā)式提問(wèn)相結(jié)合,讓學(xué)生經(jīng)歷“提出問(wèn)題―思考研究―分析解決”的知識(shí)構(gòu)建過(guò)程。積極主動(dòng)地參與到課堂教學(xué)中。
同時(shí)課堂教學(xué)形式多樣化,教師課堂講解推導(dǎo)公式采用板書學(xué)生形式,仿真演示邊學(xué)邊驗(yàn)證、多媒體及動(dòng)畫演示等多種教學(xué)形式活躍課堂,激發(fā)學(xué)生對(duì)該課程的興趣,加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。另外可采取專題討論的教學(xué)形式,把和數(shù)字信號(hào)處理有關(guān)聯(lián)的理論和技術(shù)分成小專題,提前把題目分給每個(gè)學(xué)生,請(qǐng)學(xué)生思考查閱資料做好準(zhǔn)備,課堂上發(fā)表見解,進(jìn)行專題討論,讓學(xué)生勇于表達(dá)自己的觀點(diǎn),同時(shí)傾聽其他學(xué)生的觀點(diǎn)也可擴(kuò)展思路,這對(duì)于學(xué)好課程及能力培養(yǎng)都有極大的幫助。
2.2 仿真實(shí)踐的教學(xué)方法
數(shù)字信號(hào)處理的內(nèi)容較多,但本科階段主要培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)、分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力,而不是灌輸大量的具體知識(shí)。培養(yǎng)這些能力的主要途徑是:打好理論基礎(chǔ),掌握本學(xué)科的基本原理、基本概念與基本分析方法,學(xué)會(huì)使用現(xiàn)代設(shè)計(jì)、分析、開發(fā)、仿真與實(shí)驗(yàn)工具。使學(xué)生在有限的課時(shí)內(nèi),通過(guò)學(xué)習(xí)、思考和仿真實(shí)驗(yàn)掌握基本知識(shí)。MATLAB軟件是國(guó)際公認(rèn)的信號(hào)處理標(biāo)準(zhǔn)軟件和仿真開發(fā)平臺(tái),利用MATLAB可以使一些很難理解的抽象理論得到直觀演示解釋,解決各種復(fù)雜問(wèn)題的分析與計(jì)算等難題[1]。筆者在近十年的教學(xué)中,對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程的課后作業(yè)要求學(xué)生用MATLAB軟件仿真實(shí)現(xiàn),省去了學(xué)生較為繁瑣的筆算及較大的計(jì)算運(yùn)算量,而且提高了學(xué)生的編程能力,培養(yǎng)了工程素養(yǎng),起到了事半功倍的作用。
(1)實(shí)施內(nèi)容
將仿真工具引入到數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)的過(guò)程中,從以下兩個(gè)途徑出發(fā),一是結(jié)合教學(xué)理論進(jìn)程,基于課堂上的一些重要的核心知識(shí)點(diǎn)通過(guò)用仿真軟件將抽象的難以理解的理論知識(shí)用形象的圖形直觀地展現(xiàn),學(xué)生在一定程度上可以輕松地掌握所學(xué)知識(shí)點(diǎn),提高其學(xué)習(xí)興趣。比如在課堂教學(xué)中,講授快速傅里葉變換時(shí),減少理論推導(dǎo)證明,而著重講述它的理論應(yīng)用,仿真演示快速傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析,用FFT分析信號(hào)頻率成分。例如一被噪聲污染的信號(hào),很難看出它所包含的頻率成分,如一個(gè)由100HZ和220HZ正弦信號(hào)構(gòu)成的信號(hào),受到均值隨機(jī)噪聲的干擾,通過(guò)FFT來(lái)分析其信號(hào)頻率成分。利用仿真軟件可以快速的分析其頻率成分,仿真結(jié)果如圖1所示,直觀形象展示給學(xué)生,加深對(duì)FFT應(yīng)用的理解。
復(fù)雜的公式推導(dǎo)和結(jié)論讓同學(xué)們對(duì)頻率采樣理解不透徹,如果用仿真圖形演示如圖2頻域采樣,則會(huì)豁然開朗,理解頻域采樣失真的原因,掌握頻率采樣定理。
二是給學(xué)生實(shí)踐任務(wù),要求教材中的例題和課后習(xí)題用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn),給出習(xí)題求解程序及仿真運(yùn)行結(jié)果。這樣能讓學(xué)生熟悉信號(hào)處理的常用函數(shù)和編程設(shè)計(jì)技巧。另外,把學(xué)生分成小組,可讓學(xué)生合作開發(fā)一個(gè)系統(tǒng),如開發(fā)數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng),確定系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)由哪些模塊組成,模塊間的調(diào)用關(guān)系如何,需要哪些全局變量等。圖3為指導(dǎo)學(xué)生開發(fā)的傅里葉變換的GUI界面,學(xué)生不僅掌握了MATLAB的程序設(shè)計(jì),而且掌握了離散傅里葉變換的理論和實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果。由此可以極大地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,讓每個(gè)學(xué)生投入到學(xué)習(xí)實(shí)踐中,培養(yǎng)了良好的合作、探索、完成工作的工程素B。
MATLAB仿真演示的教學(xué)效果,使數(shù)字信號(hào)處理中的抽象、難懂的基本概念和基本原理轉(zhuǎn)化成易懂、直觀的圖形圖像形式,較好地幫助學(xué)生理解課堂講授內(nèi)容[2]。
數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)是數(shù)字信號(hào)處理課程的重要內(nèi)容之一,在教學(xué)中理論推導(dǎo)復(fù)雜,計(jì)算量較大。而(FDATool Filter Design Analysis Tool)是simulink 信號(hào)處理工具箱里專用的濾波器設(shè)計(jì)工具,它把濾波器設(shè)計(jì)命令行功能集成在一個(gè)圖形用戶界面窗口中,如圖4所示,在圖中濾波器設(shè)計(jì)結(jié)果顯示區(qū)域在上半部分,它可顯示濾波器的幅頻響應(yīng),其中濾波器類型選項(xiàng)包括低通、高通、帶通、帶阻和特殊FIR的濾波器,設(shè)計(jì)指標(biāo)及性能控制區(qū)域在圖中的下半部分。
設(shè)計(jì)濾波器主要對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用,結(jié)合信號(hào)的頻譜分析,理解濾波器的功能與作用。比如有一輸入信號(hào)x(t)中含有干擾信號(hào),其時(shí)域波形如圖5(a)所示,對(duì)其FFT進(jìn)行頻譜分析如圖5 (b)所示,由圖可見,信號(hào)和干擾的頻帶互不重疊,設(shè)計(jì)如圖6(c)所示的低通濾波器濾除干擾,得到純凈信號(hào),達(dá)到濾波的目的如圖6(d)所示。在該仿真中既進(jìn)行了濾波器設(shè)計(jì),又有信號(hào)頻譜分析FFT的應(yīng)用,理論和實(shí)踐結(jié)合易于知識(shí)的理解掌握。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文是在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)內(nèi)容、課堂教學(xué)模式和方法不斷改進(jìn),摸索出一些便于學(xué)生理解和掌握的具體講法,提出啟發(fā)互動(dòng)的課堂教學(xué)形式和建模仿真實(shí)踐的教學(xué)方法,對(duì)數(shù)字信號(hào)處理課程進(jìn)行了教學(xué)改革實(shí)踐。啟發(fā)互動(dòng)的課堂教學(xué)模式使學(xué)生積極主動(dòng)參與到課堂教學(xué),激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,更好的理解掌握本學(xué)科理論知識(shí)。仿真實(shí)踐練習(xí)培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手編程設(shè)計(jì)能力,培養(yǎng)了工程素養(yǎng),教學(xué)方法的應(yīng)用收到了良好的教學(xué)效果,提高了教學(xué)質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
[1] 高西全,丁玉美.《數(shù)字信號(hào)處理》(第三版),西安電子科技大學(xué)出版社
[2]霍慧芝. MATLAB仿真在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中的應(yīng)用研究.大學(xué)教育,2013年24期
[3]陳懷琛,吳大正,高西全.MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用.3版.北京:電子工業(yè)出版社,2006