面向工程實踐理念的“數(shù)字信號處理”實驗建設(shè)

王秋生　王玲玲　富立

摘 要 “數(shù)字信號處理"實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力方面有著不可替代作用。本文提出了面向工程實踐理念的實驗建設(shè)原則，闡述了硬件實驗與軟件實驗平臺的建設(shè)方法，論述了實驗管理與考核方法，給出了實驗建設(shè)的教學(xué)效果。本文提出的實驗建設(shè)方法對其它理工科課程實驗建設(shè)有良好借鑒意義。

關(guān)鍵詞 實驗教學(xué) 教學(xué)方法 工程實踐 數(shù)字信號處理

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2020.05.020

Abstract The experimental teaching of digital signal processing plays an irreplaceable role in training students' practical ability. This paper puts forward the principle of experiment construction for engineering practice， expounds the construction methods of hardware experiment and software experiment platform， discusses the methods of experiment management and examination， and gives the teaching effect of experiment construction. The experimental construction method proposed in this paper has a good reference for other science and engineering courses.

Keywords experimental teaching; teaching methods; engineering practice; digital signal processing

0 前言

伴隨微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)得到了快速進步并日益普及，成為影響社會、經(jīng)濟等領(lǐng)域發(fā)展的最重要應(yīng)用技術(shù)之一。[1]“數(shù)字信號處理”實驗是課程教學(xué)的重要內(nèi)容，是課程內(nèi)容與工程實踐之間的橋梁，對理解概念、原理與方法有很大促進作用，加強實驗環(huán)節(jié)是課程建設(shè)的必由之路。目前國內(nèi)高校的實驗建設(shè)集中在實驗課程體系、軟硬件實驗平臺、實驗考核方法等方面。[2-4]卓有成效的實驗建設(shè)成果推動著“數(shù)字信號處理”教學(xué)質(zhì)量不斷提升，推動教學(xué)活動向更深層次發(fā)展。本文針對“數(shù)字信號處理”實驗教學(xué)問題提出面向工程實踐理念的課程實驗建設(shè)方法。

1 實驗建設(shè)理念

數(shù)字信號處理技術(shù)采用通用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值運算方式對數(shù)字信號進行分析與處理，以便提取有用信息或?qū)嶋H應(yīng)用。數(shù)字信號處理的兩種處理方式（專用處理設(shè)備與通用計算機）使“數(shù)字信號處理”擁有兩類實驗平臺：以數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processors-DSPs）為基礎(chǔ)的硬件實驗平臺，以通用計算機（Personal Computers-PCs）及仿真軟件為基礎(chǔ)的軟件實驗平臺。

本文提出的面向工程實踐理念的實驗建設(shè)包含兩層含義：其一，實驗內(nèi)容不是原理或方法的簡單驗證，而是以科技領(lǐng)域的實際應(yīng)用為背景，采取常規(guī)方法分析與處理有明確物理意義的數(shù)字信號。其二，在硬件平臺與軟件平臺上分別開展課程實驗，學(xué)生要身體力行地操作才能順利地完成課程實驗。

面向工程實踐理念的“數(shù)字信號處理”實驗建設(shè)的理念：以DSPs為基礎(chǔ)建立硬件實驗平臺，以通PCs為基礎(chǔ)建立軟件實驗平臺，分別在硬件與軟件平臺上開展有工程背景的課程實驗，得到有工程物理意義的實驗結(jié)果，通過基于過程的嚴格考核，以此提高學(xué)生的工程實踐意識與能力。

2 課程實驗建設(shè)方法

面向工程實踐理念的課程實驗建設(shè)原則：（1）實驗內(nèi)容覆蓋硬件平臺DSPs與軟件平臺PCs;（2）實驗對象符合硬件平臺與軟件平臺的固有特點，保證實驗內(nèi)容恰當(dāng)、實驗教學(xué)順暢;（3）避免硬件實驗與軟件實驗內(nèi)容重復(fù)，且與授課內(nèi)容保持同步;（4）實驗內(nèi)容有明確的工程實踐背景，符合自動化專業(yè)人才培養(yǎng)需求;（5）充分考慮學(xué)時/學(xué)分的約束，實驗內(nèi)容梯次展開、實驗難度循序漸進。因此，面向工程實踐理念的課程實驗從基礎(chǔ)概念出發(fā)，通過軟硬件協(xié)同構(gòu)建多層次的實驗平臺，推動學(xué)生利用基礎(chǔ)知識開展有工程背景的實驗鍛煉，從而培養(yǎng)硬件操作、軟件開發(fā)以及工程實踐能力。

2.1 硬件實驗平臺建設(shè)

面向工程實踐理念的硬件實驗平臺建設(shè)，以專用DSPs為核心展開，要求實驗對象能夠充分利用DSPs硬件資源，因此將實驗對象定位在數(shù)字信號等間隔采樣、快速傅里葉變換（FFT）等章節(jié)。以美國德州儀器公司（TI）的DSPs芯片TMS-28335開發(fā)工具箱為基礎(chǔ)開發(fā)了硬件實驗平臺。由于硬件實驗平臺涉及的輔助知識多，且學(xué)生對DSPs的開發(fā)環(huán)境陌生，因此為硬件平臺實驗提供了較多學(xué)時（10學(xué)時/16學(xué)時）。

硬件實驗建設(shè)的主要建設(shè)內(nèi)容如下：（1）熟悉DSPs的硬件資源與硬件/軟件開發(fā)環(huán)境;（2）在DSPs開發(fā)環(huán)境上實現(xiàn)有效的人機交互;（3）應(yīng)用FFT分析典型信號的頻譜;（4）使用硬件平臺完成包含信號采集、分析與處理的綜合實驗。先后開發(fā)了如表1所示4個硬件實驗，其中實驗1與實驗2屬DSPs認知實驗，實驗3屬應(yīng)用FFT的初級實驗，實驗4屬對數(shù)字信號進行硬件分析與處理的綜合實驗。上述實驗內(nèi)容由淺入深、梯次有序，符合硬件實驗建設(shè)與應(yīng)用規(guī)律。為了突出工程實踐特點，實驗3與實驗4使用的現(xiàn)場采集的數(shù)字音頻信號。課程實驗采用百分制考核，包括實驗過程和實驗報告考核兩大部分。

2.2 軟件實驗平臺建設(shè)

面向工程實踐理念的軟件實驗平臺建設(shè)，以通用計算機（PCs）與高性能仿真軟件為基礎(chǔ)展開，將實驗對象定位在概念直觀、硬件實現(xiàn)困難的授課內(nèi)容，如數(shù)字系統(tǒng)頻率響應(yīng)等章節(jié)。以通用計算機為基礎(chǔ)的軟件實驗平臺有較強的仿真計算能力，因此為軟件平臺提供實驗學(xué)時相對較少（6學(xué)時/16學(xué)時）。

考慮到軟件開發(fā)平臺的實用性與易用性，選擇仿真軟件Matlab作為實驗平臺開發(fā)基礎(chǔ)，按照如下思路建設(shè)實驗內(nèi)容：（1）實驗與授課內(nèi)容順序總體保持一致;（2）實驗內(nèi)容有明確的工程實踐背景;（3）實驗內(nèi)容包含數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn);（4）實驗過程有層次性且易于可視化。先后開發(fā)了3個相對獨立的軟件實驗，即表1中的實驗5、6、7。其中，實驗5側(cè)重數(shù)字信號的讀取與頻域分析，實驗6側(cè)重數(shù)字信號的時域處理與頻譜計算，實驗7側(cè)重數(shù)字系統(tǒng)（濾波器）的設(shè)計及應(yīng)用。實驗內(nèi)容逐步加深、實現(xiàn)難度逐步加大。選用明確實踐背景和工程特色的數(shù)字信號，是提高學(xué)生實驗興趣的重要原因。

3 實驗管理及教學(xué)效果

3.1 實驗平臺的教學(xué)應(yīng)用

基于工程實踐理念開發(fā)的實驗平臺，為大學(xué)三年級必修課程“數(shù)字信號處理”提供了16學(xué)時實驗，每年選課人數(shù)超過210名。首先開展10學(xué)時的硬件實驗，然后進行6學(xué)時的軟件實驗，最后撰寫并提交所有實驗報告。為了突出工程實踐理念對學(xué)生培養(yǎng)的作用，采用面向過程的實驗管理與考核方式。首先，將表1所示的每個實驗分為若干個子項，且每個子項都有可展示的階段性結(jié)果;然后指導(dǎo)教師對每個子項進行獨立地考核;最后綜合硬件實驗、軟件實驗以及實驗報告的所有子項成績，作為學(xué)生的最終實驗成績。實驗報告成績僅占20%，而實驗過程考核成績占80%，實現(xiàn)了將面向結(jié)果的考核轉(zhuǎn)化為面向過程的考核，提高了實驗成績的客觀性。

3.2 實驗平臺的教學(xué)效果

本文提出的面向工程實踐理念的“數(shù)字信號處理”實驗建設(shè)成果，經(jīng)受了“量大面廣”的教學(xué)實踐檢驗。以2018年實驗教學(xué)為例，參加實驗學(xué)生共213名。目前實驗建設(shè)成果（包括硬件實驗、軟件實驗等）日趨完善。調(diào)查結(jié)果表明：（1）在提前預(yù)習(xí)條件下絕大多數(shù)學(xué)生（75%）在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗并通過考核;（2）在沒有預(yù)習(xí)條件下約50%學(xué)生能夠完成實驗并通過考核;（3）僅有少數(shù)學(xué)生認為實驗難度偏大，在規(guī)定時間內(nèi)難以完成，但在同學(xué)幫助下可以完成。由此可見，課程實驗難度適中，符合選課學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，在培養(yǎng)工程實踐能力上取得了良好的效果。

4 結(jié)語

本文提出了面向工程實踐理念的實驗建設(shè)方法經(jīng)過了教學(xué)實踐檢驗，課程實驗對提高學(xué)生的工程意識與實踐能力有很好的促進作用，實驗建設(shè)方法對其它理工科課程建設(shè)具有很好的借鑒意義。

參考文獻

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