信號處理課程群專業課“語音信號處理”的改革實踐

王艷芬?劉衛東

摘要：結合中國礦業大學信號處理課程群的建設，介紹了其中的專業課程“語音信號處理”的教學改革。首先說明了“語音信號處理”在課程群中的地位，然后從理論教學方法、實踐教學環節及教學網站的研制與應用等幾個方面闡述了教學改革的思路和內容。該課程的教學改革對課程群建設起到了非常重要的作用。

關鍵詞：語音信號處理；信號處理課程群；理論教學方法

作者簡介：王艷芬（1962-），女，江蘇徐州人，中國礦業大學信息與電氣工程學院，教授；劉衛東（1976-），男，山東東營人，中國礦業大學信息與電氣工程學院，副教授。（江蘇 徐州 221116）

基金項目：本文系江蘇省高等教育教改研究立項課題（項目編號：2011JSJG273）、教育部第六批國家特色專業建設項目（項目編號：TS1Z293）、中國礦業大學課程建設與教學改革項目（項目編號：201208）的研究成果之一。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0075-02

“語音信號處理”是以語言學和數字信號處理為基礎而形成的一門綜合性學科。“語音信號處理”在各高校信息類專業中是一門必修的專業課程，主要學習語音信號處理的基礎知識；學習語音信號的各種分析和處理技術包括時域、頻域處理、同態處理、線性預測分析、矢量量化、隱馬爾可夫模型技術、語音檢測分析等；學習語音信號處理的各種應用包括波形編碼、參數編碼、語音合成、語音識別、說話人識別及語音增強等。[1，2]

本課程的理論性和實踐性都很強，其特點是：要求數學知識多而且深，如概率統計和隨機過程等；要求掌握的基礎知識強，如數字信號處理等；與其他學科及應用密切相關，如通信、計算機、人工智能和模式識別等。[3]可見該課程內容多、與前修課關系密切而且抽象難學，又因為在教學計劃中是大四的課程，所以學生重視度不高，因此要對課程進行教學改革，以提高學生的學習主動性。為此，提出將“信號與線性系統”、“數字信號處理”、“DSP原理與應用”、“語音信號處理”和“圖像處理”5門課構成信號處理課程群進行綜合建設，并得到江蘇省高等教育教學改革項目資助。本文結合課程群的建設就其中的專業課程“語音信號處理”，從理論教學方法、實踐教學環節及教學網站的研制與應用等幾個方面介紹教學改革的思路和內容。

一、“語音信號處理”在課程群中的地位

信號處理課程群主要包括：“信號與線性系統”、“數字信號處理”、“DSP原理與應用”、“語音信號處理”和“圖像處理”5門課程。這幾門課的關系是：“信號與線性系統”為中國礦業大學信電學院（以下簡稱“本院”）電氣信息類學科基礎課程，“數字信號處理”是專業基礎課，是信息工程專業的主干核心課程；其后續課程是“DSP原理與應用”，它是“數字信號處理”課程理論的硬件實現，是理論聯系實際的硬件平臺，而專業課“語音信號處理”和“圖像處理”則是數字信號處理理論的典型應用，特別是“語音信號處理”和“數字信號處理”聯系最為密切，是數字信號處理理論最直接的應用，如圖1所示。

課程群中的主干課程“數字信號處理”是各工科電子信息類專業的核心基礎課程。由于該課程具有理論性、實踐性、應用性強的特點，在高校電子信息類專業的課程體系中占有十分重要的地位，其教學教改模式對于其他類似的專業基礎課具有重要的參考借鑒價值。經過多年的改革實踐，本校的“數字信號處理”課程建設取得了較大成績，2010年被評為江蘇省精品課程。[4]課程群建設的總目標是：以省精品課程“數字信號處理”的進一步建設為先導，協調各課程之間的關系，打破課程與課程之間傳統的單維關系，互為補充、相互關聯，以“點”形成“面”，形成逐層遞進、整體優化的體系化結構，使課程體系更加符合信息社會對學生知識結構和能力結構的需要，融入CDIO工程教育模式的理念，加強基礎能力、動手實踐能力和探究創新能力的培養，使學生畢業后能盡快在電子信息處理領域發揮才干，其中“語音信號處理”課程的教學改革對課程群建設起到非常重要的作用。

二、教學改革的思路和內容

1.理論教學方法的改革

結合教學實踐運用多種教學方法，如啟發教學法、問題教學法、實踐教學法等，并在此基礎上將課堂講授、多媒體演示、課堂討論、課后實踐等有機組合，整體優化，并采用創新形象化課堂教學方法，將仿真研究引入課堂。

“語音信號處理”課程的理論教學應重點講授語音信號處理的基本原理、分析方法和基本應用，還應能反映該領域新的研究成果。例如在講授緒論課時，不局限于課本，而是較為詳細地介紹語音處理的發展狀況，補充許多語音信號處理的最新研究成果，以激發同學們的學習興趣。對于抽象、理論性較強的概念，將Matlab仿真研究引入課堂，通過在課堂上演示重點和難點問題的仿真結果和課后開展仿真實驗等多層次的教學活動，幫助學生領會和深化課堂上學到的基本概念、基本原理以及基本的信號處理操作，提高學習課程的主動性。例如在講解課程難點內容——語音識別的基礎理論時，通過在課堂上演示語音識別的Matlab實際例子，增加了同學們對語音識別的感性認識，使學生直接感受語音信號處理的應用。一方面在理論課堂教學中融入實踐展示，另一方面還開設了相應的實驗，使學生較好地掌握了語音識別等難點內容。又比如在語音增強這一章講到用陷波法濾除周期噪聲和用減譜法濾除寬帶噪聲時，也同樣演示了Matlab仿真實例。

此外，開展課堂板書、多媒體教學相結合的授課方式。對一些基本原理和基本方法的推導，仍然延續課堂板書的授課方式，讓學生一步一步跟上教師的思路，講解中還特別注重前修課“數字信號處理”中的基本理論在本課程中的靈活運用；而對于一些需要形象理解、圖示舉例以及演示的部分，除了Matlab仿真演示外，還可以配合多媒體教學方式充分利用聲音、動畫等多種形式進行互動教學。

2.實踐教學環節的改革

由于“語音信號處理”課程的理論性較強，所以課程的實驗環節則尤為重要，它是對理論內容理解和掌握的檢驗和總結。本課程主要開設了“語音信號的基音參數提取”、“語音信號的譜分析”和“基于DTW算法的孤立字識別”三個基礎實驗。此外，還利用Matlab/GUI 編程開發了語音信號處理實驗教學輔助軟件，[5]運用Matlab的數值分析及計算結果可視化等強大功能將課程中較難掌握和理解的重點理論和方法通過編程動態演示出來，一方面在課堂上進行演示，另一方面也嵌在課程的教學網站上供學生在課后進行復習。對于重要知識點的具體應用則結合課程群的改革在“信號處理專業綜合實驗”中進行。

借助本院國家級實驗教學示范中心優良的實踐條件，以培養學生探究創新能力為目標，構建了多層面、階梯式實踐教學模式，并融入CDIO工程教育模式的理念，開展專業綜合實驗，加強對學生創新精神、實踐能力和創業能力的培養。改革的重點是利用專業綜合實驗室平臺將課程群多門課程的知識綜合在一起，實施一個較大型的綜合性設計實驗，即在該平臺實現更高層面的課程群系統綜合設計實驗。根據信號處理課程群的特點，這5門課程基本上都要用到信息處理仿真語言Matlab，因此首先設置基于軟件編程的綜合實驗，并集成為一個虛擬實驗平臺。在此基礎上增加開拓學生創新能力的基于DSP硬件平臺的語音和圖像處理等方面的綜合設計性實驗。例如，基于DSP的語音信號頻譜分析和語音均衡器的設計、電話撥號音合成與識別、通信與語音信號采集與分析等。即圍繞信號處理這個核心，突出Matlab軟件仿真和DSP系統硬件實現的兩條主線，并貫穿在整個實踐環節，取得良好的教學效果。

3.教學網站的研制與應用

建設“語音信號處理”課程教學網站有助于推進課程的良好發展，提高學生學習語音信號處理的興趣，并且可以為學生提供高效的學習資源。在“語音信號處理”課程網站的構建過程中，堅持以實用、高效為目標，教學資源部分以學生為中心，突出重點，內容豐富，以滿足學生在線自主學習的需求。制作課程的教學網站功能模塊的設置如圖2所示，包括課程簡介、教師風采、網絡課堂、教學課件、實驗指導、GUI演示平臺、師生交流和課程群主頁等8個模塊，設計為靜態網頁，按照精品課程要求的指標體系設計各個子欄目的內容，而師生交流等模塊設計為交互式的動態網頁。特別是GUI演示平臺，它是利用Matlab軟件中的圖形用戶界面（GUI）工具設計的語音信號處理交互式系統，作為課程輔助教學軟件。設計的GUI界面可以對“語音信號處理”課程的基本概念、知識要點等內容進行內涵解釋，并為學生提供交互練習的窗口，便于其課后練習和交互學習（程序下載后在Matlab環境下運行及練習）。

此外，通過專門設置的課程群主頁模塊還可以進入信號處理課程群其他課程的網站，建立了課程群教學資源共享的渠道，提供了課程間相互關聯的學習平臺，方便學生自主學習。

三、結語

結合信號處理課程群的建設，針對其中的專業課程“語音信號處理”進行了教學改革。實踐證明，即使是大四的專業課程，只要教師認真對待，改進教學方法，加強課程間的相互關聯，想辦法提高學生的學習主動性，就可以切實有效地提高教學效果。“語音信號處理”課程的教學改革對信號處理課程群建設起到非常重要的作用，有利于培養信息類專業的高素質專門人才。

參考文獻：

[1]胡航.語音信號處理[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2002.

[2]趙力.語音信號處理[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3]劉慶華，陳紫強.基于MATLAB和DSP的語音信號處理課程的建設[J].電氣電子教學學報，2006，28（4）：26-28.

[4]王艷芬，王剛，張曉光，等.“數字信號處理”精品課程建設探索[J].電氣電子教學學報，2011，33（2）：22-24.

[5]劉衛東，孟曉靜，王艷芬.語音信號處理實驗教學研究與探索[J].實驗室研究與探索，2008，27（4）：72-74.

（責任編輯：宋秀麗）