語音信號處理實驗教學探索

摘要：“語音信號處理”課程涵蓋信號的時域和變換域分析方法，具有深厚的專業內涵，而且數學概念豐富，應用更新快。因此課程的實驗教學環節應當改革實驗教學方法，密切跟蹤語音應用技術的發展趨勢。以實際教學為依托，從課程的實驗內容、實驗教學方法、實驗方案和課程設計等環節出發，對語音信號處理的實驗教學改革進行了探索。

關鍵詞：語音信號處理；教學改革；實驗教學

作者簡介：彭鑫（1981-），男，湖南岳陽人，湖南理工學院信息與通信工程學院復雜系統優化與控制湖南省高校重點實驗室，講師；歐陽竟成（1967-），男，湖南平江人，湖南理工學院信息與通信工程學院復雜系統優化與控制湖南省高校重點實驗室，副教授。（湖南

岳陽 414000）

基金項目：本文系湖南省教育廳高校科技創新團隊支持計劃、湖南省自然科學基金（項目編號：14JJ3130）、湖南省教育廳重點項目（項目編號：12A057）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）34-0143-02

語音信號處理是研究語音的數字化處理方法和技術的一門學科，是一門既傳統而又前沿的交叉學科。目前各高等院校信息類專業開設的“語音信號處理”課程包含理論和實驗兩個環節。理論講授部分主要通過多媒體或傳統教學手段系統講解基礎知識。實驗環節主要通過上機編程進行驗證或綜合性實驗。由于本課程以數字信號處理的理論體系為基礎，所以理論環節經過多輪教學實踐改革之后日漸成熟、完善。但是長期以來由于重視不夠，實驗教學發展滯后于理論教學，突出體現在：一是實驗教學力度不夠，由于課時限制極少安排課程設計；二是實驗教學過程主要圍繞基礎理論展開，內容陳舊。上述問題只能通過不斷拓展實驗教學內容，革新實驗教學方法解決。由于各高校自身定位不同，辦學條件和人才培養目標也存在差異，湖南理工學院從實驗教學的理論深度、廣度和側重點等多方面進行了探索，通過在本校的教學實踐，總結出一些既符合工程應用型人才培養需要，又兼顧學術發展要求的實驗教學方法。

一、實驗教學

1.編寫實驗教材

教材是教學過程的基石，現有的語音信號處理理論教材比較豐富，但是實驗教材非常少，主要可以分為兩大類：一類教材圍繞著各部分理論內容基于MATLAB進行驗證實驗；另一類教材主要針對語音信號處理的某一特定技術進行深入實驗研究。第一類教材可以有效強化學生對語音信號處理基礎理論的了解，但是缺乏綜合性和實踐性，無法讓學生體會到其應用價值，更難以讓學生從整體上把握語音處理的理論體系。第二類教材由于突出強調某一特定技術，理論要求較高，超出了語音信號處理課程的大綱要求，雖有參考價值，但不適合在實驗教學環節使用。因此難以選取一本可直接用于實驗教學的參考教材。針對這一問題，廣泛查閱國內外語音信號處理的相關教材，在遵循教學大綱的基礎上準確把握內容的深度與廣度，根據湖南理工學院學生的能力與特點，編撰了既符合教學大綱要求又適合本校教學對象的實驗講義。講義具有可操作性、趣味性和與應用銜接等特色，在保證實驗可實現性的基礎上提高學生興趣，讓學生在用所學理論解決實際問題的過程中獲得成就感。目前，擬將講義做適當完善后交付出版，以滿足國內同類院校語音信號處理實驗教學環節的發展要求。

2.明確培養目標

每一所高校都有自身獨特的辦學理念和人才培養模式、目標，所有這些都直接在課程教學中體現。針對不同的培養目標，教師可以選擇不同層次的實驗內容。目前國內高校在學生培養上主要可以分為以下兩種類別：一是科研學術型；二是工程應用型。科研學術型培養目標主要面向畢業后選擇升學或進科研院所的學生。對于這類學生，教學過程宜強化理論深度以及編程實現，使學生能夠具備堅實的語音信號分析處理能力，為今后的研究打下堅實基礎。即便是以后不會從事語音信號處理方向的研究工作，掌握這些理論知識和分析方法（如短時時域和頻域分析、矢量量化等）對于信號處理領域的研究大有裨益。工程應用型培養目標是許多二本院校的選擇，這種培養方式主要面向就業，培養過程強化學生的工程素養和實踐能力。在這一過程中，授課教師可以通過梳理基礎理論知識，并由淺入深地講解一些系統性實驗（如語音增強、DSP實時實現等）來激發學生的學習興趣，明確學習目標。

3.實驗教學體系

作為語音信號處理理論教學的延伸，課堂實驗是夯實理論基礎、強化技術實踐的重要環節。由于語音信號處理具有完善的理論體系，具有多學科交叉的特點，需要學生具備較好的信號分析基礎。對于先修課程（“信號與系統”、“數字信號處理”）沒有學好的學生而言，學習過程會比較吃力，有一種“吃不透”的感覺。往往只是零散地了解某些語音處理技術的基本概念和作用，難以將這些理論融會貫通，更不用說能夠靈活運用語音信號處理理論進行算法設計和綜合應用。這些問題也是實驗環節設計過程中需要思考的問題。

實驗設置。課堂實驗將按以下兩個層次進行：熟練掌握語音信號的基本理論和處理技術；對語音信號處理技術的編程實現和綜合應用進行熟悉與掌握。

具體實驗內容共有六項，分別為：一是語音信號短時時域特征分析；二是語音信號短時頻域特征分析；三是語音信號LPC分析；四是語音信號矢量量化分析；五是基于HMM的語音識別；六是基于減譜法的語音增強。其中1～4為必做實驗，5～6為選做實驗。任課教師可以根據培養目標和學生層次進行選擇。實驗環境使用MATLAB仿真平臺一方面可以提高實驗效率，另一方面MATLAB貼近自然語言的編程方式可以讓學生將更多的精力放在理論知識的掌握方面，而且MATLAB強大的數據可視化和圖形功能，可以讓學生更好的觀察實驗結果。在綜合設計上，使用了DSP CCS開發環境，從而讓實踐環節更貼近工程應用。

由于實驗內容具有一定難度，需要學生在課前認真預習，甚至需要教師在理論課上抽出時間對實驗內容進行強調，避免學生直接上機的盲目性。除了上述基礎實驗外，之后的綜合設計考慮到設計題有一定難度和工作量，可以采用分組實驗的方式。

（1）實驗報告。由于課程的理論性強，實驗報告應包含以下幾部分內容：一是對實驗項目所涉及的理論知識進行系統總結，并指出本次實驗的預期目標；二是如果是綜合性實驗，要求給出詳細的設計方案；三是本次實驗結果（主要是程序框圖、核心代碼、運行結果圖）以及實驗結果的分析報告和重難點評述。

（2）實驗平臺。本課程使用了兩種實驗平臺：一是驗證性實驗中使用的MATLAB，二是DSP綜合實現所使用的TMS320C54芯片加上CCS集成開發環境。MATLAB目前使用7.0以上版本。學生在先修課程中都已經熟練掌握MATLAB編程方法（湖南理工學院的“信號與系統”、“數字信號處理”課程都使用了MATLAB進行仿真實驗，此外還專門開設了“MATLAB及其應用”課程）。因此，在本課程的實驗中不再安排關于MATLAB編程方面的內容。而“DSP原理與應用”屬于方向課程，學生的掌握程度可能各不相同，需要在綜合實驗之前安排DSP開發環境的入門實驗。

（3）多維度評價體系。本課程的期評環節不應僅針對理論知識的掌握程度，還應考察實驗（編程）技能、過程與實驗方案和實驗態度等方面。這樣的評價體系打破了以往以理論考試為主的評價方式，加大了對實踐環節的考察力度，形成了一種立體的考評指標，經過摸索和完善，確定了課程的考察指標和計算公式：

期評成績=期末考試（45%）+實驗報告（25%）+預習報告（5%）+課程設計（20%）+考勤（5%）

從期評成績的計算公式反映出，“語音信號處理”作為重要的方向課程，不宜采用和基礎課程一樣以理論為主的考評方式。實驗和課程設計部分的比重較大，進一步強調了方向課程學習中實踐環節的重要性，這種考察方式也更能反映學生的學習態度和學習效果，同時能夠起到加強實踐能力培養的導向作用。

4.課程設計

課程設計部分與基礎理論實驗不同，在課堂內無法安排充足的時間，通常讓學生在課后完成，不宜所有學生都做同樣的內容。一個具體的設計通常具有較大的工作量。根據每班40人左右的實際情況，將學生分成多個小組，每個小組完成一個設計任務。這種分組課程設計模式最大限度地保證了學生的獨立完成，而且通過組內成員的協作（包括技術性溝通和人際協調）可以有效鍛煉學生的執行力和團隊意識。課程設計內容的選擇上，主要側重運用學過的重要概念、方法進行系統實現和物理驗證，要求每個小組從方案設計開始完成全部代碼的編寫，最后交由教師進行系統功能驗證。課程設計主要內容如下：一是基于DSP的MP3編解碼器設計；二是基于DSP的聲碼器設計；三是基于DSP的小樣本聲紋識別系統；四是基于DSP的小詞匯量語音識別系統；五是基于MATLAB的語音合成系統。

對每一個教學班，每個題目安排2個小組，每個小組4～5人。評分標準為：參加設計方案答辯10%；完成課程設計報告 20%；完成開發工作量25%；系統功能調試通過25%；完成設計答辯20%。

二、結語

“語音信號處理”課程作為信息類專業的重要方向課程具有很強的理論性，教學對象通常是高年級學生。這些特點決定了課程教學中實踐環節的重要性。目前該課程的理論教學環節比較成熟，但是實踐教學發展滯后，無法滿足培養要求，影響課程的教學效果。湖南理工學院信息與通信工程學院在實際教學中始終堅持教師主導服務于學生主體的原則，對實驗教學進行了有益探索。實踐證明，多層次的實驗內容和實驗手段，對于學生全面掌握教學內容，培養學生解決問題和實踐動手的能力，提高創新意識等方面非常有用。“語音信號處理”課程實驗教學改革是一項復雜的系統工程，筆者立足湖南理工學院，從實驗教學內容、實驗教學方式等方面進行改革，已在三屆通信工程專業學生中進行了嘗試，取得了良好的教學成效。目前這項工作還沒有結束，一些問題仍然需要深入探索，比如針對不同的專業如何與先修課程進行更好銜接等是今后需要思考的問題。

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（責任編輯：孫晴）