語音信號處理實踐課程的教學研究與改革

梁瑞宇 包永強 唐閨臣 王青云

摘 ?要：針對目前語音信號處理實踐課程存在的困難，為提高學生的實踐能力、創新精神和工程意識，文章從課程的策劃、選題、過程管理及考核方法幾個方面闡述了該類課程的工程教學改革方法和具體實施過程。實踐教學結果顯示，通過課程改革，學生的工程設計意識得到培養，學生工程的設計能力得到提高。

關鍵詞：語音信號處理;課程設計;實踐能力;工程教育

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）13-0073-03

Abstract： Aiming at the difficulties existing in the practical course of speech signal processing， the engineering teaching reform methods and concrete implementation for these courses are expounded to improve students' practical ability， innovative spirit and engineering consciousness. The main research includes course planning， topic selection， process management and assessment methods. The results of practical teaching show that through courses reform， students' engineering design consciousness is cultivated and their engineering design ability is improved.

Keywords： speech signal processing; curriculum design; practical ability; engineering education

引言

隨著人工智能領域的飛速發展，語音已經成為一種重要的人機交互手段。為了讓相關專業學生在未來的競爭中更有優勢，很多高校都開設了語音信號處理相關課程。但是，語音信號處理作為信息處理專業的一門重要的專業課，所涉及的理論知識較多，是一門理論性強、實用面廣、內容新、難度大的交叉學科。

因此，該課程的設置必然不同于以往其它課程。目前，各高校開設的語音信號處理的課程主要是理論課和實驗課，鮮有高校開設綜合性的實踐課程，如課程設計，綜合實訓等。但是，高等工程教育是培養本科工程技術人才的主要渠道，而最能讓學生學習到工程設計知識和鍛煉動手能力的實踐類課程成為培養工程技術人才的關鍵環節。因此，隨著工程教育理念的逐步推廣，此類課程必然會有逐步增加。

在此背景下，本文結合多年語音信號處理教授經驗，提出一種語音信號處理類實踐課程的開設方法和建設思路。課程的目的在于加深學生對語音信號處理知識的理解，開發學生的創新思維，同時鍛煉學生科技論文的撰寫能力，培養學生的語音信號處理工程項目開發能力。

一、課程設置難點

（一）知識面廣且關聯性強

語音信號處理是信號與信息處理方向的一門重要的專業課。從幾十年發展來看，語音信號處理涉及的應用包括語音識別、說話人識別、情感識別、語音增強、聲源定位、語音合成、語音編碼等。圍繞著這些應用，該課程還會涉及一些相關理論，如矢量量化、隱馬爾科夫模型、高斯混合模型，支撐向量機等。由此可知，其涉及的相關專業課主要包括數字信號處理和信號與線性系統，輔助課程包括C/C++程序設計、高等數學、復變函數等。因此，如何激發學生的學習興趣，從枯燥的理論中升華出來，是提升課堂教學質量的關鍵。

（二）有限課時與工程教育間的矛盾

從提升學生的工程實踐能力的角度考慮，課設的課題不能簡單，需要有一定的工程背景和實用價值。但是，如果增加課程難度和廣度，短短1到2周的實踐課程時間又不能保證課題的有效完成。因此，有限的課時與課程實際效果和工程教育的理念存在矛盾。如何在有限的時間內提升課程質量，鍛煉學生的動手能力和工程能力，是一個亟待解決的關鍵問題。

（三）缺乏交流的傳統課程模式

傳統的課程設計基本是一人一組，個體意識強烈，缺乏團隊協作的精神。雖然有些課設是多人一組，但是這種交流只限于每個組內部，很少有組與組之間的交流。工程項目所需的團隊協作、溝通交流的能力沒有得到有效培養。此外，以往課程設計一般是全班幾十名學生同做2～3個題目，這樣的結果往往造成大部分學生存在依賴心理，從而影響教學效果。

二、課程的設計目的與思路

語音信號處理理論教學注重講授語音信號處理的基礎知識，使學生建立語音信號處理的概念，并基本掌握語音信號處理的相關理論與技術。而實踐課程設置的目的是讓學生有效的掌握課堂上所學的理論知識，是培養應用型人才的重要手段。此外，為融入工程教育理念，語音信號處理實踐課程需按照工程項目設計的要求完成，并以培養學生綜合運用理論知識和工程設計能力為目標。

實踐課程的實施過程以學生為中心，讓學生全程參與語音信號處理應用系統的整個開發周期，并通過對項目的構思、設計、實現和考核環節，讓學生主動獲取知識。此外，通過課程使學生具備資料查閱的能力，掌握算法設計、軟件設計和系統調試方法，培養學生的自學能力、分析問題和解決問題的能力，培養學生從事科研的能力、語言表達的能力以及創新意識和團隊合作精神。

三、實踐課程的具體實施

（一）布局與策劃

從上述分析可知，工程教育要求與有限課時之間有很大沖突。為此，實踐課程的設置首先要解決該問題。對比傳統的課程設置，理論教學、實驗教學和實踐課程（如課程設計，綜合實訓等）間雖然有關聯性，但是往往缺乏整體設計，教學環節和實驗環節的開設并沒有充分為實踐課程服務的思路。針對這個問題，本課程從提前布局和合理規劃兩個方面來充分利用課程設計時間。1. 課程布局：語音信號處理通常由理論課、實驗課和課程設計3個部分構成。為了在有限的時間內，完成高質量的課程設計，提前布局教學內容是解決實踐課時少的有效的方法。首先，在理論教學環節，利用翻轉課堂的教學形式，讓學生盡早的接觸語音信號處理的各種應用，并通過調研，寫報告，做PPT的方式，讓學生對各自的應用有較深入了解，有助在課設環節盡快了解所選課題。其次，在實驗環節上，以某一應用為例，將一個工程項目拆分成若干個必要的小實驗。從語音的采集、信號預處理、特征提取、模式識別再到最后的應用。通過詳細周密的課內實驗，使學生在完成課程設計之前，已經對如何完成一個語音信號處理課題有了一個深刻的認識。2. 合理規劃：在課程設計環節上，合理規劃各部分時間，并在各個階段實現時間交疊，從而合理利用時間。具體的課程設置如圖 1甘特圖所示。從圖上可知，有些工作持續時間比較長，比如撰寫報告，在第二天就開始啟動，此時課題方案基本確定，課題的背景及意義，課題介紹，初步的方案設計都可以開始寫。隨著項目的推進，算法理論和實驗仿真數據，軟件界面的設計與調試，就可以逐步添加到報告中。課題完成后，報告也就基本完成，不要占用額外的時間。

通過上述設置，在理論課程階段就布局進行課設安排，并通過實驗設置，將課設必備的知識點進行提前學習，從而有效解決課程任務重與課設時間有限間的矛盾。

（二）選題

從工程教育的角度出發，實踐類課題的選擇應該有實用性，有工程背景且有一定的綜合性。實踐類課程不同于平時的實驗，也不同于畢業設計，因此在選擇設計題目時，除了要符合教學大綱要求，使學生能夠運用語音信號處理基本知識，還要在較短時間內使學生了解基于語音信號處理的工程項目的基本構成和設計要點，并通過小課題，熟悉整個流程，從而激發學生對語音信號處理的學習興趣，培養學生獨立分析問題和解決問題的能力，有利于培養學生的動手能力和創新精神。

但是，考慮到學生的基礎和能力，課程采用教師命題和學生自擬課題兩種形式。教師課題的課題要求比較簡單，要求學生從語音信號處理中的八個應用（語音識別、說話人識別、情感識別、語音增強、聲源定位、語音合成、語音編碼、語音隱藏）中任選一個應用作為課題，必須有操作界面，推薦用C或C++編程，并鼓勵有人機交互功能，即學生自己錄音作為測試樣本，而不是用其它數據集。每個課題本身沒有難易之分，只有根據完成的程度進行給予相應的分數權重。考慮到同學間可以多接觸一些應用課題，每個題目不超過3組，每組2-3人。

對于自擬課題，學生需要提前提交具體方案，并需要與教師討論，通過審核后方可確定和使用。

（三）實施過程設置

對于任何一個實踐類課程來說，有效的方案設計是保證學生在有效的時間內保質保量完成任務的關鍵。為此，從課題的第一天開始，每個小組就開始制定課題方案，主要內容包括：選題、分工、時間安排、采用的軟件、算法、界面和效果等。第三天，由課題小組長進行方案介紹，采用老師提問和同學提問的方式對方案進行討論。第四天，針對上一天的討論，最終確定研究方案，教師根據學生選擇的方案及其對課題的了解，為學生提供相應的材料以保證課題的順利進行。

在課題開展的整個過程中，采用以學生為主體，教師輔助指導的形式。在圖1所示的各個階段中，前期老師主要負責提供一些課設需要的材料。這些材料并沒有在實驗中做過，但是又是課題需要的，比如離散傅里葉變換的開源C函數庫FFTW、線性代數的C語言庫Armadillo，又或者提供給學生MATLAB代碼讓學生移植為C代碼等。此外，相關材料還包括一些書籍和課程學習網站等。為了保為了保證學生的完成質量，在第一周結束時，教師會組織各個小組組長進行簡單交流，主要是監督各個組的完成情況，并對存在問題的組進行輔導。

此外，為了強化組和組之間的交流，課程設計采取組與組之間互相監督機制，即兩個不同課題的組分別模擬工程項目中客戶和開發團隊的關系。兩個小組互相為對方小組提要求，客戶組負責對項目的功能性、可操作性和合理性給予評價，并提出修改建議，開發組根據反饋意見和實際情況，對項目的功能和可操作性進行完善。相關工作也作為考核分數的一部分。

（四）考核與評分

考核主要采用答辯的形式，同時檢查各個小組的最終完成情況。每組的答辯時間為15-20分鐘。第一個5分鐘由小組通過PPT介紹方案和實現原理，第二個5分鐘進行實物演示，第三個5分鐘由其他學生和教師進行答辯提問。

學生成績的評定分為3個部分。1. 平時表現（20%）：考勤情況和方案制定情況;2. 實物效果（50%）：實物與方案的契合度、完成的效果;3. 報告水平（30%）：報告的格式，完整性和實際水平。整個報告至少要包括八個部分：背景與意義，課題方案簡介，主要算法原理，仿真結果與分析，軟件功能設計與實現，實驗方案及驗證效果，總結，參考文獻。考慮到每個組的學生的完成情況和基礎能力不同，學生可以在超過2周的時間里提交作品，但是要適當進行扣分。

教師根據每個小組、每位學生在課程設計過程中的具體表現，全面評定學生成績。成績構成和范例如表1所示。每級指標分為四個等級，每個等級的實際分差為15分。每個評定指標的單項平均分為該項的權重值。表1為一個同學的最終評定結果。此時該學生的最終成績為：

成績=（20*權重A+50*權重B+30*權重C）*權重D

=（20*1+50*0.85+30*0.9）*1

=89.5 （1）

采用上述加權求和方法，可以盡可能的對學生工作進行肯定，避免單一的評分形式不能反映學生的真實水平。任何一個單一的環節，學生根據其完成情況可以獲得一定的分數。教師鼓勵學生多花時間對課題進行完善，即使不能在規定的時間內完成課題，也可以在課程結束的兩到三周內繼續完成。但是為了保證課程進度和公平性，需要對最終分數進行加權。

四、教學效果

大多數學生通過該類課程，了解了工程設計的一般思路，鞏固了語音信號處理的相關理論知識，激發了相關研究的學習和研究興趣。每年都會有不少優秀的學生報考該方向的研究生，并被985高校錄取。此外，通過不懈的努力，學生完成一些高質量的語音信號處理相關軟件。

五、結束語

將工程教育思想融入語音信號處理實踐類課程的教學思路大大改進了教學效果。學生在完成相關課題的過程中，掌握了語音信號處理的相關理論知識和實踐技能，同時通過應用性課題，激發了學生的學習興趣和創新能力，培養了工程意識和工程素養，提高學生的市場競爭力。

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