“語音信號處理”課程教學(xué)改革探索

摘要：結(jié)合南通大學(xué)課程開設(shè)的實際情況，介紹了“語音信號處理”課程改革和優(yōu)化的總體思路，從授課學(xué)時調(diào)整、理論教學(xué)設(shè)計、實驗教學(xué)環(huán)節(jié)、科研聯(lián)系教學(xué)等多方面進行了探索與實踐。該課程的教學(xué)改革對學(xué)生良好的實踐能力和初步的科研能力培養(yǎng)起到了非常重要的作用。

關(guān)鍵詞：語音信號處理；教學(xué)改革；實踐

作者簡介：王偉（1983-），男，江蘇泗洪人，南通大學(xué)電子信息學(xué)院，講師；曾鳳（1981-），女，四川廣安人，南通大學(xué)電子信息學(xué)院，助理實驗師。（江蘇 南通 226019）

基金項目：本文系2012年南通大學(xué)教改項目（項目編號：2012B027）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）35-0116-01

“語音信號處理”是南通大學(xué)（以下簡稱“我校”）電氣信息類各專業(yè)四年級學(xué)生選修的一門專業(yè)課程，是研究用數(shù)字信號處理技術(shù)對語音信號進行處理的一門學(xué)科。原教學(xué)計劃中該課程總學(xué)時數(shù)為28（理論教學(xué)）+4（實驗教學(xué)），教材選用機械工業(yè)出版社出版，趙力編著的《語音信號處理》（第2版）。[1]該教材內(nèi)容主要涉及三部分內(nèi)容：語音信號處理的一些基礎(chǔ)知識、語音信號的各種分析方法和處理技術(shù)以及語音信號處理的各種應(yīng)用等。要求學(xué)生重點掌握時頻域分析、倒譜分析、線性預(yù)測分析、矢量量化技術(shù)和隱馬爾可夫模型等分析方法，為今后的科研工作和開發(fā)工作打下良好基礎(chǔ)。

本課程具有很強的理論性和實踐性，課程內(nèi)容多，與前修課關(guān)系密切而且要求有比較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。又因為在教學(xué)計劃中是大四的課程，加上學(xué)生對選修課程重視不夠且講授學(xué)時較少，大部分學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較困難。[2-5]為了能夠在有限的學(xué)時內(nèi)使學(xué)生了解和掌握語音信號的各種分析和處理方法，筆者在授課學(xué)時調(diào)整、理論教學(xué)設(shè)計、實驗教學(xué)環(huán)節(jié)、科研聯(lián)系教學(xué)等多方面深化教學(xué)改革并實施教學(xué)實踐。

一、改革的思路和內(nèi)容

1.授課學(xué)時調(diào)整

“語音信號處理”這門課在教學(xué)計劃中是安排在大四的第一學(xué)期（前8周完成），之后學(xué)生就要開始其畢業(yè)設(shè)計工作。畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生學(xué)習(xí)能力和實踐能力的綜合體現(xiàn)，故在“語音信號處理”課程教學(xué)改革中可考慮增加實驗學(xué)時（占總學(xué)時的三分之一左右），讓學(xué)生有足夠的實驗機會去實踐課程的重要知識點，使其初步掌握應(yīng)用所學(xué)知識來分析、解決實際問題的能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

2.理論教學(xué)設(shè)計

由于受理論教學(xué)課時的限制（占總學(xué)時的三分之二左右），“語音信號處理”課程主要講授教材的前兩部分內(nèi)容。其中第一部分簡要介紹語音信號處理的基礎(chǔ)知識，重點講解基音周期和共振峰的定義以及語音信號數(shù)字模型的構(gòu)成；第二部分重點講授語音信號的各種分析和處理技術(shù)，包括：時域分析、頻域分析、倒譜分析、線性預(yù)測分析、矢量量化技術(shù)和隱馬爾可夫模型等。其中，時域分析方法重點講授幾種參數(shù)的定義，特別強調(diào)其物理意義和作用。頻域分析主要了解其與標準傅里葉變換的聯(lián)系，重點掌握窗的類型和寬度選取。對于倒譜分析和線性預(yù)測分析而言，其共同的作用都是對語音信號進行解卷，但倒譜分析使用的是同態(tài)處理技術(shù)，需要重點掌握其解卷過程；而線性預(yù)測分析是通過估計其預(yù)測系數(shù)，則要深入理解線性預(yù)測模型與語音生成模型的等效性。同時，通過對前面所學(xué)知識的總結(jié)，還單獨對基音周期估計和共振峰估計的內(nèi)容進行了介紹，并引導(dǎo)學(xué)生完成相關(guān)算法的改進方案。對于教材中的第三部分內(nèi)容“語音信號處理的各種應(yīng)用”，沒有將其作為課堂講授內(nèi)容，而是將其設(shè)立為本科畢業(yè)設(shè)計的選題內(nèi)容進行展開。

此外，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，在課堂上減少了繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，代之以物理意義歸納和實驗仿真結(jié)果相結(jié)合進行講授。對于一些不易理解的概念，在講解定義之后給出其Matlab仿真結(jié)果圖，結(jié)合仿真結(jié)果來理解其定義。這里需要重點講解仿真圖橫、縱坐標及其他參數(shù)的物理意義，使學(xué)生能夠深入領(lǐng)會這些定義的基本原理和實現(xiàn)方法，提高其學(xué)習(xí)課程的主動性。例如在講授語音信號的時域分析時，可以考慮給出一兩種時域分析方法的的仿真程序，通過分析其仿真結(jié)果圖來代替抽象的定義，獲得更加直觀的結(jié)果。對于其它的時域分析方法，讓學(xué)生根據(jù)定義自己編寫程序?qū)崿F(xiàn)。這樣，既可以讓學(xué)生理解其物理意義，提高教學(xué)效果，也避免學(xué)生一貫的被動接受式學(xué)習(xí)，使其在動態(tài)的交互環(huán)境中有一種耳目一新的感覺。

3.實驗教學(xué)設(shè)計

實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計對于一門兼顧理論性和實踐性的專業(yè)課程來說尤為重要，它是對理論內(nèi)容理解和掌握的檢驗和總結(jié)。課程在經(jīng)過學(xué)時調(diào)整之后，其中實驗學(xué)時增加到10學(xué)時。實驗內(nèi)容與教學(xué)重點相一致，以語音信號的分析與處理方法為主要內(nèi)容，同時兼顧相關(guān)的重要知識點。通過“語音信號處理”實驗可以讓學(xué)生深入掌握語音信號的各種分析和處理技術(shù)，增加其實際建模和算法編程的能力，在培養(yǎng)學(xué)生的動手和分析解決問題能力的同時激發(fā)其對相關(guān)領(lǐng)域的研究興趣。實驗主要包括基于Matlab的軟仿真和基于DSP的硬仿真兩部分內(nèi)容。其具體內(nèi)容、要求、學(xué)時分配如表1所示。

表1 實驗內(nèi)容、要求與學(xué)時分配

基于Matlab的軟仿真實驗序號內(nèi)容要求學(xué)時

一時域分析編程實現(xiàn)一段語音信號的短時能量、短時過零率、短時自相關(guān)等；這些時域方法有哪些主要用途、如何實現(xiàn)2

二倒譜分析自己編程求出一段語音的倒譜；如何利用倒譜特性估計基音周期，窗口如何選擇2

三線性預(yù)測

分析掌握聲道參數(shù)提取的常用方法；實現(xiàn)基于萊文遜—杜賓算法的聲道參數(shù)提取2

四基音周期

估計掌握基音周期估計的常用方法；實現(xiàn)基于自相關(guān)法的基音周期提取2

基于DSP的硬仿真實驗五語音信號采集與分析掌握利用DSP實現(xiàn)語音信號的采集與分析；自己采集一段語音，編程實現(xiàn)回聲、和聲與濾波等效果2

4.科研聯(lián)系教學(xué)

語音信號處理是目前發(fā)展最為迅速的信息科學(xué)技術(shù)之一，因此，在教學(xué)改革過程中，可考慮適當增加有關(guān)該學(xué)科的一些最新使用方法和科研成果。例如，近年來被廣泛研究的“雞尾酒會”問題，即在多個說話人同時說話的情況下（通常包含噪聲）怎樣從多個麥克風(fēng)接收到的聲音信號中分離出所需要的說話者聲音。在當前，數(shù)字音頻篡改檢測技術(shù)受到眾多研究者的關(guān)注，如何在沒有先驗信息的情況下識別語音的原始性和完整性，這對法庭取證和打擊犯罪都具有重要的現(xiàn)實意義。在授課過程中穿插給學(xué)生講解這些新穎的研究方向，既拓寬了學(xué)生的知識面，又可使學(xué)生意識到這些技術(shù)本身與自己所學(xué)專業(yè)是密切相關(guān)的，從而提高他們的學(xué)習(xí)興趣。同時，教師在教學(xué)實踐過程中還可以將自己主持和參與的語音信號處理科研項目和具體進展與學(xué)生溝通，適時地把一些相關(guān)的科研成果引入到課堂中，引導(dǎo)學(xué)生主動探索這些相關(guān)課題。

二、總結(jié)

筆者對“語音信號處理”課程進行了教學(xué)改革，調(diào)整了授課學(xué)時，優(yōu)化和改進了教學(xué)內(nèi)容，加強了實驗環(huán)節(jié)，注重了教學(xué)與科研的聯(lián)系。實踐證明，只要授課教師認真對待，改進教學(xué)方法，想辦法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，就可以切實有效地提高教學(xué)效果。同時，通過不斷深化“語音信號處理”課程的改革實踐，可有效培養(yǎng)學(xué)生良好的動手能力和初步的科研能力，為將來步入社會或更高層次的學(xué)習(xí)打下了堅實基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]趙力.語音信號處理[M].第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2]張雪英，李鳳蓮.電子信息類專業(yè)教材改革的思考[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，（s1）：40-42.

[3]陳琦，張連海.“語音信號處理”課程教學(xué)改革與實踐[J].中國電力教育，2010，（12）：103-104.

[4]趙力.“語音信號處理”課程改革與實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010，32（4）：26-27.

[5]王艷芬，劉衛(wèi)東.信號處理課程群專業(yè)課“語音信號處理”的改革實踐[J].中國電力教育，2013，（7）：75-76.

（責(zé)任編輯：王意琴）